DE102018122166A1

DE102018122166A1 - Optoelektronische halbleitervorrichtung mit einem trägerelement und einem elektrischen kontaktelement, optoelektronisches bauelement sowie verfahren zur herstellung der optoelektronischen halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102018122166A1
Application number: DE102018122166.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Eichinger; Korbinian Perzlmaier
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-12
Also published as: US20210336110A1; DE112019004525A5; WO2020053226A1

Abstract

Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) umfasst ein Trägerelement (100) mit einer ersten Hauptoberfläche (110), einen optoelektronischen Halbleiterchip (150), der über dem Trägerelement (100) und angrenzend an die erste Hauptoberfläche (110) angeordnet ist und ein elektrisches Kontaktelement (161) zum Kontaktieren des optoelektronischen Halbleiterchips (150). Dabei ist das elektrische Kontaktelement (161) in einer in der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) ausgebildeten Öffnung (162) angeordnet.

Description

HINTERGRUND
Zur Herstellung optoelektronischer Halbleitervorrichtungen werden optoelektronische Halbleiterchips, beispielsweise Licht emittierende oder Licht aufnehmende Halbleiterchips auf geeignete Trägerelemente platziert und elektrisch kontaktiert. Beispielsweise können derartige Trägerelemente eine horizontale Hauptoberfläche haben. Es wird nach Konzepten gesucht, mit denen eine verbesserte Anordnung der Halbleiterchips auf einem Trägerelement erzielt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte optoelektronische Halbleitervorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ein Trägerelement mit einer ersten Hauptoberfläche, einen optoelektronischen Halbleiterchip, der über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche angeordnet ist und ein elektrisches Kontaktelement zum Kontaktieren des optoelektronischen Halbleiterchips. Dabei ist das elektrische Kontaktelement in einer in der ersten Hauptoberfläche des Trägerelements ausgebildeten Öffnung angeordnet.
Der optoelektronische Halbleiterchip kann Kontaktbereiche enthalten, die auf einer benachbart zu Trägerelement angeordneten zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips angeordnet sind. Ein Material des Trägerelements kann aus Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, weiteren Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium oder Galliumarsenid, keramischen Materialien, Glas, Kunststoffen, faserverstärkten Kunststoffen, beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststoffen und Leiterplatten (PCB, „printed circuit boards“) und keramischen Materialien ausgewählt sein.
Die erste Hauptoberfläche des Trägerelements kann planar und topographiefrei ist. Beispielsweise kann die erste Hauptoberfläche einen Abschluss des Trägerelements bilden. Gemäß Ausführungsformen können die Kontaktelemente durch den Halbleiterchip vollständig bedeckt sein.
Die optoelektronische Halbleitervorrichtung kann ferner eine Verbindungsstruktur aufweisen, die sich von der ersten Hauptoberfläche des Trägerelements bis zu einer zweiten Hauptoberfläche des Trägerelements erstreckt.
Die optoelektronische Halbleitervorrichtung kann darüber hinaus eine zweite Trägerschicht enthalten, die unter dem Trägerelement angeordnet ist. Beispielsweise können in der Trägerschicht oder in dem Trägerelement Schaltkreiskomponenten angeordnet sein.
Der optoelektronische Halbleiterchip kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu emittieren oder aufzunehmen.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein optoelektronisches Bauelement ein Trägerelement mit einer ersten Hauptoberfläche, einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip, der über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche angeordnet ist und einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip, der über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche angeordnet ist. Das optoelektronische Bauelement umfasst ferner ein erstes elektrisches Kontaktelement zum Kontaktieren des ersten optoelektronischen Halbleiterchips und ein zweites elektrisches Kontaktelement zum Kontaktieren des zweiten optoelektronischen Halbleiterchips. Das erste elektrische Kontaktelement ist in einer in der ersten Hauptoberfläche des Trägerelements ausgebildeten ersten Öffnung angeordnet und das zweite elektrische Kontaktelement ist in einer in der ersten Hauptoberfläche des Trägerelements ausgebildeten zweiten Öffnung angeordnet.
Das optoelektronische Bauelement kann ferner eine zweite Trägerschicht, die unter dem Trägerelement angeordnet ist, umfassen.
Beispielsweise können Schaltkreiskomponenten in der Trägerschicht oder in dem Trägerelement angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen kann der erste optoelektronische Halbleiterchip geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und der zweite optoelektronische Halbleiterchip kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung aufzunehmen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung umfasst das Ausbilden einer Öffnung in einer ersten Hauptoberfläche eines Trägerelements, das Ausbilden eines elektrischen Kontaktelements in der Öffnung, und das Anordnen eines optoelektronischen Halbleiterchips über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche. Der optoelektronische Halbleiterchip wird über das elektrische Kontaktelement kontaktiert.
Beispielsweise umfasst das Ausbilden des elektrischen Kontaktelements das Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials und nachfolgendes Planarisieren einer sich ergebenden Oberfläche.
Figurenliste

1A zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Beispiels einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung.
1B zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
Die 2A und 2B zeigen jeweils vertikale Querschnittsansichten einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
2C zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Bauelements gemäß Ausführungsformen.
3A bis 3E zeigen Querschnittsansichten eines Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
4 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.

DETAILBESCHREIBUNG
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Die hier beschriebenen Halbleitermaterialien können je nach Verwendungszweck auf Halbleitermaterialien mit direkter oder indirekter Bandlücke basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie AlGaAs, SiC, ZnSe, GaAs, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der ternären Verbindungen kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
1A zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ein Trägerelement 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 110 sowie einen optoelektronischen Halbleiterchip 150, der angrenzend an die erste Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 angeordnet ist. Der optoelektronische Halbleiterchip 150 ist über dem Trägerelement 100 angeordnet. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung 10 umfasst weiterhin ein elektrisches Kontaktelement 161 zum Kontaktieren des optoelektronischen Halbleiterchips 150. Das elektrische Kontaktelement 161 ist in einer Öffnung 162 ausgebildet, die in der ersten Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 angeordnet ist.
Das Trägerelement 100 kann beispielsweise aus einem isolierenden oder Halbleitermaterial hergestellt sein. Beispiele umfassen Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, keramische Materialien und Kombinationen von unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise kann das Trägerelement aus einem Grundmaterial hergestellt sein und mit einer oder mehreren Schichten aus einem oder mehreren weiteren Materialien beschichtet sein. Die erste Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 ist planar und topographiefrei, d.h. sie weist im Wesentlichen keine Topographie, das heißt beispielsweise Stufen, Vertiefungen oder eine Oberflächenrauigkeit, die größer als 100 nm ist, auf. „Im Wesentlichen keine Topographie“ bedeutet im Kontext der vorliegenden Anmeldung, dass beispielsweise Öffnungen 162 in der ersten Hauptoberfläche 110 ausgebildet sein können, in denen Kontaktelemente oder andere elektrische Verbindungsstrukturen aufgenommen sein können, wobei die Kontaktelemente oder elektrischen Verbindungsstrukturen mit der ersten Hauptoberfläche 110 weitgehend bündig abschließen. Anders ausgedrückt, ist die erste Hauptoberfläche des Trägerelements derart beschaffen, dass Verfahrensschritte, für die eine planare Oberfläche wichtig ist, beispielsweise Aufschleuderverfahren zum Aufbringen einer Schicht, durchgeführt werden können. Insbesondere können bei einer planaren Oberfläche Verfahren durchgeführt werden, die empfindlich gegenüber Höhenunterschieden des Trägerelements sind. Beispielsweise bildet die erste Hauptoberfläche 110 einen Abschluss des Trägerelements.
Der optoelektronische Halbleiterchip kann beispielsweise geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann er auch geeignet sein, elektromagnetische Strahlung aufzunehmen oder zu absorbieren. Beispielsweise kann der optoelektronische Halbleiterchip 150 eine Licht emittierende Diode (LED) sein. Er kann jedoch auch ein Sensorelement sein. Beispielsweise kann das Sensorelement elektromagnetische Strahlung detektieren. Zum Beispiel kann das Sensorelement von einem anderen optoelektronischen Halbleiterchip emittierte elektromagnetische Strahlung detektieren. Es ist weiterhin möglich, dass das Sensorelement Umgebungslicht, beispielsweise die Helligkeit der Umgebung nachweist. Ein Beispiel eines Aufbaus des optoelektronischen Halbleiterchips 150 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1B beschrieben werden. Das elektrische Kontaktelement 161 kann aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Beispiele für leitende Materialien umfassen unter anderem Au, Ni, Sn, Pt, Cu, Pd, Al, Ag, Cr, Mo, Rh, leitfähige Oxide wie beispielsweise ITO (Indiumzinnoxid) oder Zinkoxid und weitere. Gemäß Ausführungsformen kann das elektrische Kontaktelement 161 aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Das Kontaktelement 161 kann durch eine zusätzliche isolierende Schicht, die zwischen Kontaktelement und dem Material 100 des Trägerelements angeordnet ist, von diesem elektrisch isoliert sein.
Beispielsweise kann sich die Öffnung 162 bis zu einer Tiefe t von mehr als 10 nm, beispielsweise mehr als 100 nm, beispielsweise mehr als 500 nm, beispielsweise 800 nm bis 1,3 µm in das Trägerelement 100 hinein erstrecken. Die Öffnungen 162 können einen beliebigen Querschnitt haben. Sie können sich in einer Ebene senkrecht zur dargestellten Querschnittsebene weiter erstrecken und beispielsweise geeignet sein, eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterchips 160 miteinander zu verbinden. Eine Breite b der elektrischen Kontaktelemente 161 kann beispielsweise mindestens 300 nm betragen. Die Breite kann beispielsweise auch mindestens 1 µm betragen. Die Breite kann bis zu 300 µm betragen, beispielsweise kleiner als 200 oder kleiner als 100 µm sein. Beispielsweise können die Abmessungen der Öffnungen in Abhängigkeit der Stromstärken ausgewählt werden, mit denen der optoelektronische Halbleiterchip 150 betrieben wird.
Benachbarte elektrische Kontaktelemente 161 können bei einem geeigneten Abstand angeordnet sein, um eine elektrische Isolierung bereitzustellen und ein Übersprechen zu vermeiden.
Dadurch, dass das elektrische Kontaktelement 161 in einer in der ersten Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 ausgebildeten Öffnung 162 angeordnet ist, erzeugen die Kontaktelemente 161 keine Topographie auf dem Trägerelement 100. Das Trägerelement 100 mit aufgebrachten Kontaktelementen 161 kann somit ohne Beeinträchtigung durch eine Topographie bearbeitet werden. Insbesondere können Verfahren zur Bearbeitung des Trägerelements, für die eine planare Arbeitsoberfläche wichtig ist, weil sie empfindlich gegenüber Höhenunterschieden der Arbeitsoberfläche sind, beispielsweise Aufschleudern von Resistmaterialien, ohne Beeinträchtigung durchgeführt werden. Weiterhin wird die mechanische Stabilität der Anordnung aus optoelektronischem Halbleiterchip 150 und Trägerelement 100 nicht durch das Vorhandensein von hervorstehenden Kontaktelementen 161 beeinträchtigt. Zudem ist die thermische Anbindung des optoelektronischen Halbleiterchips 150 an das Trägerelement 100 verbessert, wodurch die Wärmeabfuhr und somit die Effizienz der optoelektronischen Vorrichtung verbessert werden kann. Weiterhin können Kontaktebenen und -pfade weiter miniaturisiert werden. Darüber hinaus ist die mechanische Stabilität der Anordnung verbessert.
Je nach Beschaffenheit des Trägerelements 100, d.h. insbesondere, ob isolierend oder nicht, kann zusätzlich noch eine Isolierschicht 167 vorgesehen sein, die die Kontaktelemente 161 jeweils gegenüber dem Trägerelement 100 isoliert.
1B zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie in 1B dargestellt ist, umfasst die optoelektronische Halbleitervorrichtung 10 die in 1A dargestellten Elemente. Zusätzlich ist noch eine elektrische Verbindungsstruktur 170 dargestellt, die beispielsweise eine Through-Silicon-Via-(TSV-)Struktur darstellen kann und geeignet sein kann, Elemente an der ersten Hauptoberfläche 110 der optoelektronischen Halbleitervorrichtung mit Komponenten auf der zweiten Hauptoberfläche 111 des Trägerelements 100 zu verbinden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die elektrische Verbindungsstruktur 170 auch mit dem ersten oder dem zweiten Kontaktelement 165, 166 verbunden sein, wie in 1B weiterhin angedeutet ist.
Der optoelektronische Halbleiterchip 150 kann beispielsweise eine LED sein. Beispielsweise kann eine erste Halbleiterschicht 120 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, über einem transparenten Substrat 115, beispielsweise einem Saphirsubstrat angeordnet sein. Das transparente Substrat kann auch weggelassen sein. Eine zweite Halbleiterschicht 130 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend, kann über der ersten Halbleiterschicht 120 angeordnet sein. Ein aktiver Bereich 125 kann zwischen der ersten Halbleiterschicht 120 und der zweiten Halbleiterschicht 130 angeordnet sein. Beispielsweise umfasst der aktive Bereich 125 einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfachquantentopf (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung „Quantentopfstruktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe, Quantendrähte und Quantenpunkte, sowie jede Kombination dieser Strukturen.
Ein erster Kontaktbereich 135 ist mit der ersten Halbleiterschicht 120 elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Kontaktbereich 136 ist mit der zweiten Halbleiterschicht 130 elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich jeweils auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 152 des Halbleiterchips 150 angeordnet sein. Der Halbleiterchip 150 stellt somit einen Flip Chip dar. Der erste Kontaktbereich 135 kann durch ein isolierendes Material 138 von der zweiten Halbleiterschicht 130 elektrisch isoliert sein. Von dem optoelektronischen Halbleiterchip 150 emittierte elektromagnetische Strahlung 20 kann beispielsweise über die erste Hauptoberfläche 151 emittiert werden. Weiterhin kann die elektromagnetische Strahlung 20 auch über Seitenflächen des transparenten Substrats 115 emittiert werden. Ist der optoelektronische Halbleiterchip 150 geeignet, elektromagnetische Strahlung zu empfangen, so kann diese Strahlung über die erste Hauptoberfläche 151 einfallen. Der Halbleiterchip 150 ist derart angeordnet, dass der erste Kontaktbereich 135 mit dem ersten Kontaktelement 165 elektrisch leitend verbunden wird. Weiterhin wird der zweite Kontaktbereich 136 mit dem zweiten Kontaktelement 166 elektrisch leitend verbunden. Bei der in 1B gezeigten Anordnung sind die Kontaktelemente 161, 165, 166 derart platziert, dass sie von dem optoelektronischen Halbleiterchip 150 vollständig bedeckt werden. Als Folge kann von außen von einer Seite der ersten Hauptoberfläche 110 des Trägers einfallende Strahlung nicht durch die Kontaktelemente 161, 165, 166 reflektiert werden.
Der erste Kontaktbereich 135 kann eine andere laterale Abmessung als das erste Kontaktelement 165 haben. Ebenso kann der zweite Kontaktbereich 136 eine andere laterale Abmessung als das zweite Kontaktelement 166 haben. Weiterhin müssen der erste Kontaktbereich 135 und das erste Kontaktelement 165 nicht bündig zueinander ausgerichtet sein. Ebenso wenig müssen der zweite Kontaktbereich 136 und das zweite Kontaktelement 166 bündig zueinander ausgerichtet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können mehrere Trägerschichten übereinandergestapelt sein, so dass als Ergebnis ein Aufbau mit mehreren Ebenen für beispielsweise eine komplexere Kontaktarchitektur oder für eine funktionelle Aufteilung der einzelnen Ebenen bereitgestellt werden kann.
2A zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in 2A dargestellte Halbleitervorrichtung umfasst ein Trägerelement 100 (nachfolgend als erste Trägerschicht 101 bezeichnet), die über einer zweiten Trägerschicht 102 angeordnet ist. Die zweite Trägerschicht 102 wiederum ist über einer dritten Trägerschicht 103 angeordnet. Jede dieser Trägerschichten kann aus jeweils identischen oder unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein. Beispielsweise kann die dritte Trägerschicht 103 oder eine beliebige andere ein Siliziumsubstrat mit darin angeordneten Schaltkreiskomponenten 142 sein. Schaltkreiskomponenten 142 können beispielsweise aktive oder passive Halbleiterbauelemente, beispielsweise Transistoren, Widerstandselemente, Schaltelemente, Kondensatoren und andere umfassen. Die in der dritten Trägerschicht 103 angeordneten Schaltkreiskomponenten 142 können beispielsweise über geeignete Verbindungselemente 164 mit den Kontaktelementen 161 verbunden sein. Die Schaltkreiskomponenten 142 können über die Kontaktelemente 161 mit dem optoelektronischen Halbleiterchip 150 verbunden sein. Es ist aber ebenso möglich, dass in jeder der Trägerschichten oder in einer von der dritten Trägerschicht verschiedenen Trägerschicht elektrische Schaltkreiskomponenten angeordnet sind. Weiterhin ist selbstverständlich möglich, dass zusätzliche Trägerschichten vorhanden sind. Weiterhin kann in einer der Trägerschichten, beispielsweise der zweiten Trägerschicht 102 ein Verbindungselement (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um einen elektrischen Kontakt der Verbindungselemente 164 mit weiteren Komponenten herzustellen. Beispielsweise kann ein derartiges Verbindungselement 164 jeweils die Kontaktelemente 161, die mit benachbarten optoelektronischen Halbleiterchips verbunden sind, miteinander verbinden. Weiterhin kann in der ersten Trägerschicht 101 jeweils ein Kontaktelement vorgesehen sein, um die optoelektronischen Halbleiterchips elektrisch zu verbinden. Beispielsweise kann eine der Schichten isolierend sein, während andere der Schichten halbleitend oder leitend sind. Beispiele für Materialien der isolierenden Trägerschicht umfassen beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumnitrid und weitere isolierende Materialien, die für mehrschichtige Strukturen angewandt werden können. Diese können beispielsweise durch CVD- oder PVD-Verfahren abgeschieden worden sein. Weitere Beispiele sind Keramiken, Gläser, beispielsweise Spin-on-Gläser. Die genannten Materialien können unterschiedliche stöchiometrische Verhältnisse aufweisen. Eine Verbindungsstruktur 170 kann vorgesehen sein, um beispielsweise Bereiche an der ersten Hauptoberfläche 110 der ersten Trägerschicht mit Komponenten auf der Rückseite der dritten Trägerschicht zu verbinden. Die Verbindungsstruktur 170 kann auch beispielsweise Verbindungselemente 164 oder Kontaktelemente 161 innerhalb der Trägerschichten oder mit der zweiten Hauptoberfläche 112 des Trägerschichtstapels verbinden.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Abweichend von der in 2A dargestellten Halbleitervorrichtung sind hier die Kontaktelemente 161 sowie Teile der Verbindungselemente 164 derart angeordnet, dass sie von dem optoelektronischen Halbleiterchip 150 abgeschattet und abgedeckt sind. Genauer gesagt gibt es einen Abstand d1, der eine Länge angibt, mit der die rechte Seitenkante des Halbleiterchips 150 das rechtsseitige Kontaktelement 161 überragt. In entsprechender Weise überragt die linke Seitenkante des optoelektronischen Halbleiterchips 150 das linksseitige Kontaktelement 161 um den Abstand d2. Auf diese Weise können Reflexionen von Licht, das von einer Seite der ersten Hauptoberfläche 110 der ersten Trägerschicht 101 eingestrahlt wird, an den Kontaktelementen 161 wirkungsvoll vermieden werden.
2C zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement kann ein einziges Trägerelement 100 oder auch verschiedene Trägerschichten, beispielsweise eine erste, zweite und dritte Trägerschicht 101, 102, 103 oder weitere enthalten. Das optoelektronische Bauelement 30 umfasst insbesondere einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip 155 und einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip 156. Diese können jeweils über ein erstes Kontaktelement 165 und ein zweites Kontaktelement 166 an weitere Elemente, die beispielsweise in einem Trägerelement oder eine Trägerschicht oder über dem Trägerelement angeordnet sind, angeschlossen sein. Beispielsweise können das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement des ersten optoelektronischen Halbleiterchips mit einer ersten Steuerungsvorrichtung 144 verbunden sein. Das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement 165, 166 des zweiten optoelektronischen Halbleiterchips können beispielsweise mit einer zweiten Steuerungsvorrichtung 145 verbunden sein.
Beispielsweise können die erste Steuerungsvorrichtung und/oder die zweite Steuerungsvorrichtung 144, 145 Schaltkreiskomponenten enthalten, die beispielsweise in der dritten Trägerschicht 103 oder in einer anderen Trägerschicht ausgebildet sein können. Die erste und die zweite Steuerungsvorrichtung 144, 145 können beispielsweise über eine Verbindungsleitung 146 miteinander verbunden sein. Die erste und die zweite Steuerungsvorrichtung können beispielsweise von der zweiten Hauptoberfläche 112 des Trägerschichtstapels kontaktiert werden. Beispielsweise können weitere Schaltkreiskomponenten in einer beliebigen der Trägerschichten angeordnet sein. Weiterhin können alternativ oder zusätzlich Treiberschaltungen sowie Verarbeitungseinrichtungen in beliebigen der Trägerschichten angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen kann der erste optoelektronische Halbleiterchip geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Der zweite optoelektronische Halbleiterchip 156 kann beispielsweise ein optisches Sensorelement enthalten, das geeignet ist, die von dem ersten optoelektronischen Halbleiterchip emittierte Strahlung, die beispielsweise durch ein Objekt reflektiert worden ist, zu empfangen. Die entsprechenden Signale können in der ersten und zweiten Steuerungsvorrichtung verarbeitet werden. Beispielsweise kann das in 2C dargestellte optoelektronische Bauelement einen Irisscanner oder ein anderes Gerät umfassen, mit dem reflektiertes Licht geeignet verarbeitet wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der zweite optoelektronische Halbleiterchip 156 auch Umgebungslicht oder anderweitige elektromagnetische Strahlung nachweisen und beispielsweise den ersten Halbleiterchip 155 unter Berücksichtigung des Nachweisergebnisses ansteuern.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Bauelement auch eine Matrixanordnung oder eine beliebige Anordnung von Licht emittierenden oder lichtaufnehmenden Vorrichtungen umfassen, wodurch eine großflächige Beleuchtungseinrichtung oder eine Anzeigeeinrichtung bereitgestellt werden kann. Dabei können beispielsweise Elemente einer Treiberschaltung für die einzelnen optoelektronischen Halbleiterchips in dem Trägerelement oder einer der Trägerschichten angeordnet sein. Weiterhin können durch die optoelektronischen Halbleiterchip empfangene Signale durch eine Signalverarbeitungseinrichtung, deren Komponenten in dem Trägerelement oder in einer der Trägerschichten angeordnet sind, verarbeitet werden.
Die 3A bis 3E veranschaulichen Querschnittsansichten eines Werkstücks bei der Herstellung der beschriebenen optoelektronischen Halbleitervorrichtung.
3A zeigt eine Querschnittsansicht eines Trägerelements 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 110. Die erste Hauptoberfläche 110 kann insbesondere planar sein, d.h. zunächst sind keine Vertiefungen in dem Substrat 100 ausgebildet.
Sodann werden, wie in 3B gezeigt, Öffnungen 162 sowie gegebenenfalls Via-Öffnungen 163 ausgebildet. Die Via-Öffnung 163 kann sich beispielsweise von der ersten Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 bis zur zweiten Hauptoberfläche 111 des Trägerelements erstrecken. Die Öffnungen 162 sind im Bereich der ersten Hauptoberfläche 110 ausgebildet. Sie können grabenartig ausgebildet sein, d.h. sich in einer Richtung senkrecht zur dargestellten Querschnittsebene erstrecken. Gemäß weiteren Ausführungsformen können sie sich in einer zur Querschnittsebene senkrechten Richtung nicht wesentlich erstrecken. Beispielsweise können die Öffnungen 162, 163 durch ein lithographisches Verfahren definiert werden. Beispielsweise werden in einem Fotoresistmaterial freiliegende Bereiche definiert, an denen die erste Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 nicht von einem Fotoresistmaterial bedeckt ist. Sodann wird ein Ätzverfahren zum Ätzen des Substrats durchgeführt. Beispiele für Ätzverfahren umfassen beispielsweise Trockenätzverfahren, beispielsweise Plasmaätzen. Als Nächstes wird eine leitfähige Schicht über der ersten Hauptoberfläche 110 des Trägerelements 100 aufgebracht, wie in 3C dargestellt ist. Dies kann beispielsweise durch Verfahren wie Elektroplating, Aufdampfen oder Sputtern erfolgen. Das strukturierte Fotoresistmaterial kann vor oder nach dem Aufbringen der Metallisierungsschicht entfernt werden.
Anschließend wird, wie in 3D dargestellt ist, ein Planarisierungsverfahren durchgeführt, so dass eine planare Oberfläche erhalten wird. Dies kann beispielsweise durch ein CMP-(chemisch-mechanisches Polier-)Verfahren und/oder ein Polierverfahren oder durch ein Rückätzverfahren erfolgen. Als Ergebnis wird die in 3D erhaltene Struktur des Trägerelements 100 erhalten. Das in 3D gezeigte Trägerelement kann in einfacher Weise weiterverarbeitet werden, ohne dass Probleme durch hervorstehende Kontaktelemente 161 oder hervorstehende Verbindungsstrukturen 170 auftreten. Beispielsweise können Verfahren, die empfindlich gegenüber Höhenunterschieden sind, wie zum Beispiel Schleuderbeschichten (spin coating) von dünnen Schichten, beispielsweise aus einem Resistmaterial, durchgeführt werden.
Nachfolgend kann ein Lotmaterial, das beispielsweise Indium enthält, an Stellen, an denen die Halbleiterchips auf das Trägerelement aufzubringen sind, ausgebildet werden. Alternativ kann auch ein dielektrischer Lack oder ein anisotrop leitfähiger Kleber aufgebracht werden.
In einem nächsten Schritt werden, wie in 3E dargestellt ist, optoelektronische Halbleiterchips 150 auf der ersten Hauptoberfläche 110 platziert, so dass sie an die Kontaktelemente 161 elektrisch angeschlossen sind.
Zur Herstellung einer Multi-Level-Architektur mit mehreren übereinander gestapelten Trägerschichten können beispielsweise die Trägerschichten einzeln prozessiert und anschließend übereinander gestapelt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann zunächst eine Trägerschicht bearbeitet werden. Nachfolgend wird auf dieser Trägerschicht eine weitere Trägerschicht aufgebracht und entsprechend prozessiert. Diese Abfolge wird fortgesetzt, bis der Trägerschichtstapel fertiggestellt ist und das Kontaktelement in der obersten Trägerschicht ausgebildet ist. Anschließend wird der Halbleiterchip aufgebracht.
4 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung umfasst das Ausbilden (S100) einer Öffnung in einer ersten Hauptoberfläche eines Trägerelements, das Ausbilden (S110) eines elektrischen Kontaktelements in der Öffnung, und das Anordnen (S120) eines optoelektronischen Halbleiterchips über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche. Der optoelektronische Halbleiterchip wird über das elektrische Kontaktelement kontaktiert. Beispielsweise kann das Ausbilden (S110) des elektrischen Kontaktelements das Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials und nachfolgendes Planarisieren einer sich ergebenden Oberfläche umfassen.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Optoelektronische Halbleitervorrichtung
20: elektromagnetische Strahlung
30: Optoelektronisches Bauelement
100: Trägerelement
101: erste Trägerschicht
102: zweite Trägerschicht
103: dritte Trägerschicht
110: erste Hauptoberfläche des Trägerelements
111: zweite Hauptoberfläche des Trägerelements
112: zweite Hauptoberfläche des Trägerschichtstapels
115: transparentes Substrat
120: erste Halbleiterschicht
125: aktiver Bereich
130: zweite Halbleiterschicht
135: erster Kontaktbereich
136: zweiter Kontaktbereich
138: isolierendes Material
140: leitfähige Schicht
142: Schaltkreiskomponente
144: erste Steuerungsvorrichtung
145: zweite Steuerungsvorrichtung
146: Verbindungsleitung
150: optoelektronischer Halbleiterchip
151: erste Hauptoberfläche des Halbleiterchips
152: zweite Hauptoberfläche des Halbleiterchips
155: erster optoelektronischer Halbleiterchip
156: zweiter optoelektronischer Halbleiterchip
161: Kontaktelement
162: Öffnung
163: Via-Öffnung
164: Verbindungselement
165: erstes Kontaktelement
166: zweites Kontaktelement
167: Isolierschicht
170: Verbindungsstruktur

Claims

Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) umfassend: ein Trägerelement (100) mit einer ersten Hauptoberfläche (110); einen optoelektronischen Halbleiterchip (150), der über dem Trägerelement (100) und angrenzend an die erste Hauptoberfläche (110) angeordnet ist; ein elektrisches Kontaktelement (161) zum Kontaktieren des optoelektronischen Halbleiterchips (150), wobei das elektrische Kontaktelement (161) in einer in der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) ausgebildeten Öffnung (162) angeordnet ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei dem der optoelektronische Halbleiterchip (150) Kontaktbereiche (135, 136) enthält, die auf einer benachbart zu Trägerelement (100) angeordneten zweiten Hauptoberfläche (152) des Halbleiterchips (150) angeordnet sind.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Material des Trägerelements (100) aus Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Germanium, Galliumarsenid, keramischen Materialien, Glas, Kunststoffen, faserverstärkten Kunststoffen, beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststoffen und Leiterplatten ausgewählt ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) planar und topographiefrei ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 4, bei dem die erste Hauptoberfläche (110) einen Abschluss des Trägerelements (100) bildet.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kontaktelement (161) durch den Halbleiterchip vollständig bedeckt sind.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Verbindungsstruktur (170), die sich von der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) bis zu einer zweiten Hauptoberfläche (111) des Trägerelements (100) erstreckt.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Verbindungsstruktur (170), die mit dem elektrischen Kontaktelement (161) elektrisch leitend verbunden ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 8, bei der sich die Verbindungsstruktur (170) bis zu einer von der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) abgewandten Seite des Trägerelements (100) erstreckt.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Trägerschicht (102, 103), die unter dem Trägerelement angeordnet ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Trägerschicht (102, 103) oder in dem Trägerelement (100) eine Schaltkreiskomponente (142) angeordnet ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der optoelektronische Halbleiterchip (150) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) zu emittieren.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der optoelektronische Halbleiterchip (150) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) aufzunehmen.
Optoelektronisches Bauelement (30) umfassend: ein Trägerelement (100) mit einer ersten Hauptoberfläche (110); einen ersten optoelektronischen Halbleiterchip (155), der über dem Trägerelement (100) und angrenzend an die erste Hauptoberfläche (110) angeordnet ist; einen zweiten optoelektronischen Halbleiterchip (156), der über dem Trägerelement (100) und angrenzend an die erste Hauptoberfläche (110) angeordnet ist; ein erstes elektrisches Kontaktelement (165) zum Kontaktieren des ersten optoelektronischen Halbleiterchips (155); ein zweites elektrisches Kontaktelement (166) zum Kontaktieren des zweiten optoelektronischen Halbleiterchips (156), wobei das erste elektrische Kontaktelement (165) in einer in der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) ausgebildeten ersten Öffnung angeordnet ist und das zweite elektrische Kontaktelement (166) in einer in der ersten Hauptoberfläche (110) des Trägerelements (100) ausgebildeten zweiten Öffnung angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (30) nach Anspruch 14, ferner mit einer Trägerschicht (102, 103), die unter dem Trägerelement (100, 101) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement (30) nach Anspruch 14 oder 15, bei der Schaltkreiskomponenten (142) in der Trägerschicht (102, 103) oder in dem Trägerelement (100, 101) angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (30) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der erste optoelektronische Halbleiterchip (155) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) zu emittieren und der zweite optoelektronische Halbleiterchip (156) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (20) aufzunehmen.
Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung, mit Ausbilden (S100) einer Öffnung in einer ersten Hauptoberfläche eines Trägerelements; Ausbilden (S110) eines elektrischen Kontaktelements in der Öffnung; Anordnen (S120) eines optoelektronischen Halbleiterchips über dem Trägerelement und angrenzend an die erste Hauptoberfläche, wobei der optoelektronische Halbleiterchip über das elektrische Kontaktelement kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Ausbilden des elektrischen Kontaktelements das Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials und nachfolgendes Planarisieren einer sich ergebenden Oberfläche umfasst.