WO2012107261A1 - Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchip - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchip Download PDF

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WO2012107261A1
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epitaxial layer
semiconductor chip
optoelectronic semiconductor
region
doped epitaxial
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PCT/EP2012/050713
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Johann Eibl
Karl Engl
Tamas Lamfalusi
Markus Maute
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Optoelectronic semiconductor chips have a
  • the epitaxial layer sequence may comprise a doped epitaxial layer.
  • electromagnetic radiation can be transmitted through an external
  • the outer surface of the doped epitaxial layer may be roughened.
  • the roughened surface can be a
  • the pyramid structure is necessary or advantageous in order to increase the coupling-out efficiency for electromagnetic radiation from the optoelectronic semiconductor chip.
  • the doped epitaxial layer of the epitaxial layer sequence can be replaced by so-called
  • the contact openings for example, silver.
  • Epitaxial layer sequence of the side of the epitaxial layer sequence facing away from the doped epitaxial layer By the necessary roughening of the outer surface of the doped Epitaxial layer becomes the doped epitaxial layer
  • the doped epitaxial layer can be thinned so much that the doped epitaxial layer
  • An object of the invention is to provide a
  • Optoelectronic semiconductor chip according to the independent claim 10 solved. Further developments and advantageous embodiments of the optoelectronic semiconductor chip and of the method for producing the optoelectronic semiconductor chip are specified in the dependent claims.
  • an optoelectronic semiconductor chip has an epitaxial layer sequence.
  • the epitaxial layer sequence comprises a doped one
  • the doped epitaxial layer comprises a first region and a second region.
  • the Epitaxial layer sequence has a protected structure.
  • the first region of the doped epitaxial layer completely covers the protected structure.
  • An outer surface of the doped epitaxial layer has a first roughness in the first region and a second roughness in the second region. This arrangement ensures that protected structures are not exposed and that, at the same time, a high decoupling efficiency for the electromagnetic energy generated in the epitaxial layer sequence
  • the epitaxial layer sequence may be on a GaN or
  • Epitaxial layer sequence is an active zone.
  • the active zone emits electromagnetic radiation that can be decoupled from the semiconductor chip.
  • the emission spectrum is preferably in the green to ultraviolet, particularly preferably in the blue
  • the emission spectrum can also be in the red to yellow spectral range.
  • the thickness of the Epitaxie Anlagenenate is typically between 1 ⁇ and 20 ⁇ .
  • Roughness is a term of surface physics
  • Surface roughness can be influenced, for example, by polishing, grinding, etching or by corrosion. There are several roughness data, all of which are given in the unit ⁇ .
  • the first roughness of the outer surface of the doped epitaxial layer may be through, in particular, hole-shaped
  • Epitaxial layer sequence which had been previously grown on the substrate to be separated. Additionally or alternatively, the first roughness may also be formed by defects and surface defects on the outer surface of the doped epitaxial layer. Structures such as hole-shaped depressions, imperfections or
  • the first embodiment is the one
  • Epitaxial layer covered by a protective mask.
  • the protective mask should cover areas of the doped epitaxial layer which should not be further roughened during a roughening process. In a preferred embodiment, the protective mask may remain on the doped epitaxial layer after the roughening process.
  • the protective mask may comprise silicon nitride (SiN) or silicon dioxide (Si0 2 ). Particularly advantageous is silicon dioxide. Silicon dioxide, in contrast to silicon nitride, hardly absorbs electromagnetic radiation in the blue and green spectral range. In the red spectral range, however, both silicon nitride and silicon dioxide are only weakly absorbing, which is why both materials are used in active zones that emit electromagnetic radiation in the red spectral range.
  • the first area of the outer surface of the doped epitaxial layer is uncovered, ie it is not a protective mask arranged on the first area. This is achieved by removing the protective mask after the roughening process. This is advantageous as no
  • the first embodiment is the one
  • Etching depths up to 1 ⁇ formed is advantageous because it allows efficient electromagnetic radiation also over the protected structures
  • Epitaxial layer sequence can be coupled out.
  • the etch depth of a maximum of 1 ⁇ ensures that no protected structures are exposed.
  • the present application gives the roughness in the middle step height, which is indicated by the etched,
  • the second embodiment is the one
  • the side surfaces of the pyramidal depressions include an angle of 35 ° to 75 °, preferably 50 ° to 70 °, with the plane of the epitaxial layer sequence. The respective angle is determined by the crystal direction and the chemical removal.
  • the combination of etch depth in the ⁇ range with angle between 35 ° and 75 ° is particularly advantageous, since a particularly large proportion of electromagnetic radiation from the Epitaxial layer sequence can be coupled out. This is because the larger the etch depths, the larger the size of pyramids. The larger the pyramids are, the more light can be extracted. This relationship applies only if the emitted
  • Epitaxial layer sequence has a smaller wavelength than the diameter of the base of the pyramid measures.
  • the epitaxial layer sequence may be based on a GaN system.
  • the epitaxial layer sequence may be based on a GaN system.
  • the doped epitaxial layer can be energized without the active zone of the
  • Epitaxial layer sequence emitted light is shaded. This is because on the outer surface of the doped epitaxial layer no electrical
  • the doped epitaxial layer is an n-doped layer.
  • the n-doped layer is formed by electrically conductive contact openings with a n-contact of the optoelectronic
  • the peripheral edge has a clearly defined shape, a good structural integrity and a minimum length.
  • the protected peripheral edge of the epitaxial layer sequence is also when etching the mesa edge with phosphoric acid
  • a passivation of S1O 2 can be doped
  • the main purpose of the passivation is to cover the mesa edge to avoid a short circuit.
  • the protection of the peripheral edge makes the phosphoric acid less able to undercut or undercreep the S1O 2 passivation. Subsequently
  • Epitaxial layer Advantageously, the entire epitaxial layer sequence at the edge with phosphoric acid
  • Various embodiments have a method for producing an optoelectronic semiconductor chip.
  • an epitaxial layer sequence is provided.
  • the epitaxial layer sequence was grown on a substrate, in particular silicon carbide (SiC), silicon (Si) or sapphire (Al 2 O 3 ).
  • the remote from the substrate Surface of Epitaxial Layers The film was bonded to a support, in particular comprising germanium.
  • the epitaxial layer sequence has a doped epitaxial layer having an outer surface. Subsequently, a structured protective mask is applied to the outer surface. Subsequently, the doped epitaxial layer is etched. As etchant can
  • KOH Potassium hydroxide
  • a first area with a first roughness remains on the area of the outer layer covered by the protective mask. This is advantageous because in the first area
  • Epitaxial layer sequence is not thinned. On the one hand this is an unwanted exposure of protected
  • Epitaxial layer sequence be designed to be thinner before etching. Although the etching of thinner epitaxial layer sequences generally results in less deep pyramids. However, this reduces the necessary amount of expensive
  • the protective mask on the outer surface over a plurality of
  • the protective mask is applied to the peripheral edge of the epitaxial layer sequence. This is advantageous since it protects the mesa edge during etching of the mesa edge with phosphoric acid.
  • the protective mask is removed from the first region. This is advantageous because it allows the first area of the outer surface to be re-etched. This increases the coupling-out efficiency for the epitaxial layer sequence generated
  • FIG. 1 a shows a sectional view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip
  • FIG. 1b shows a roughly schematic plan view of this
  • FIG. 2 shows a flowchart for producing an optoelectronic semiconductor chip
  • Figure 2a, 2b show sections in a sectional view of
  • FIGS. 1c, 2d and 2e show sections of
  • FIG. 3 shows a sectional view of an embodiment of an optoelectronic semiconductor chip
  • FIG. 4 a shows a plan view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip
  • FIG. 4b shows a sectional view of an embodiment of an optoelectronic semiconductor chip
  • Figure 5 shows pyramids in the doped
  • FIG. 6a shows the angular range in which light can leave a medium
  • FIG. 6b shows a pyramid structure from the light
  • FIG. 1 a shows a sectional view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip 100 without
  • An epitaxial layer sequence 102 with a doped epitaxial layer 104, with an active zone 110 and with a further doped epitaxial layer 112 is arranged on a current spreading layer 122.
  • the current spreading layer 122 comprises a mirror with silver and an encapsulation of the silver mirror.
  • the encapsulant has gold.
  • Current spreading layer 122 is disposed on an electrically insulating passivation 114. This is followed by an electrically conductive material 124 comprising silver. This is followed by an electrically conductive support 126, for example germanium. On the side facing away from the Epitaxie Anlagenen sequence of the carrier 126, a first contact 128 is applied.
  • Epitaxial layer sequence 102 contact openings 106 are arranged. Through the contact openings 106, the electrical connection of the first contact 128 with the doped epitaxial layer 104 is realized. For this purpose, the contact openings 106 are filled with the electrically conductive material 124 and isolated by the passivation 114 against the further doped epitaxial layer 112. A second contact 130 provides electrical contact to the further doped epitaxial layer 112 over the
  • Epitaxial layer 104 has pyramidal depressions, which extend to the contact openings 106. This results in exposed areas 107 of the electrically conductive material 124 on the contact openings 106. As a result, the electrically conductive material 124 comprising silver is at least partially open in the contact openings 106. The exposed silver can make electromigration. This will be the
  • peripheral edge 108 of the epitaxial layer sequence 102 also has recesses that do not make the optoelectronic semiconductor chip 100 unusable, but the automatic
  • FIG. 1b shows a roughly schematic plan view of this
  • Embodiment of Figure la The contact openings 106 are recognizable.
  • the electrically conductive material 124 is exposed.
  • the optoelectronic semiconductor chip 100 is therefore useless.
  • the peripheral edge 108 of the epitaxial layer sequence 102 has a fringed structure. This results in a very extensive edge 108 of the optoelectronic semiconductor chip 100. This increases the probability of failure of the optoelectronic
  • FIG. 2 shows a flow chart of two alternative production methods A and B for one
  • Manufacturing process can be divided into steps Sl to S5. Steps S4 and S5 are optional.
  • step S1 an epitaxial layer sequence 102 is provided.
  • Figure 2a shows the result of step Sl.
  • the doped epitaxial layer 104 having an outer surface 119 is followed by the active region 110.
  • the active region 110 is followed by the further doped one
  • a contact via 106 completely passes through the further doped epitaxial layer 112 and the active zone 110 and ends in the doped one
  • Epitaxial layer 104 The contact opening 106 is filled with electrically conductive material 124. Between the contact opening 106 and the epitaxial layer sequence 102, an insulating passivation 114 is arranged. The outer surface 119 of the doped epitaxial layer 104 has a first roughness that is not graphic
  • the first roughness is through
  • the first roughness may alternatively or additionally also be indicated by defects and surface defects on the outer surface 119 of the doped
  • Epitaxial layer 104 may be formed. This first roughness is hardly relevant for the extraction of light because of its small depth. Therefore, the first roughness is not shown in FIG. 2a.
  • a protective mask 120 is applied.
  • FIG. 2 shows two alternative paths, S2a and S2b, for carrying out method step S2. Both routes lead to the same intermediate product shown in FIG. 2b.
  • the alternative S2a is divided into the following
  • Sub-steps In sub-step S2a.l becomes a
  • doped epitaxial layer 104 so over the peripheral edge 108 and over the contact openings 106th
  • step S2a.3 the non-photoresist-covered areas of the protective layer are removed.
  • step S2a.4 the photoresist is removed.
  • FIG. 2b shows a section of the intermediate product in sectional view after completion of step S2. Over the protected structure 106, 108 is on the outer
  • the protective mask 120 may comprise SiN or S1O 2 .
  • step S3 the doped epitaxial layer 104 is etched. On the outer surface 119 of the doped epitaxial layer 104 covered by the protective mask 120
  • a first region 116 remains with a first one
  • Epitaxial layer 104 a second region 118 is generated with a second roughness.
  • FIG. 2 c shows a detail of a sectional view of the optoelectronic semiconductor chip 100 after termination of step S3.
  • the second region 118 of the outer surface 119 has a second roughness with pyramidal depressions. There are etching depths between 0.5 ⁇ to 4 ⁇ formed. The etch depths are shown as step heights 121 of the second region 118.
  • the protected structure has an electrically conductive contact opening 106.
  • the contact opening 106 establishes electrical contact with the doped epitaxial layer 104.
  • the doped epitaxial layer 104 may be n-doped.
  • the protected structure also has one
  • the protective mask 120 becomes
  • FIG. 2d shows a detail of a sectional view of the optoelectronic semiconductor chip 100 after the conclusion of step S4.
  • FIG. 2d differs from FIG. 2c only in that the protective mask 120 is removed.
  • doped epitaxial layer 104 is now exposed.
  • step S5 after removing the protective mask 120, the first region 116 of the doped epitaxial layer 104 is etched with KOH.
  • FIG. 2 e shows a detail of a sectional view of the optoelectronic semiconductor chip 100 after completion of the Step S5.
  • Epitaxial layer 104 has pyramidal depressions with etch depths of up to 1 ⁇ . As a result, light can also be coupled out of regions of the doped epitaxial layer 104, which are arranged above the contact opening 106 and / or over the peripheral edge 108 of the epitaxial layer sequence 102, efficiently.
  • the etch depths are shown as a step height 117 of the first region 116 and as a step height 121 of the second region 118.
  • the step height are shown as a step height 117 of the first region 116 and as a step height 121 of the second region 118.
  • Etching depth is up to 1 ⁇ .
  • the step height 121 of the second region 118 in other words the etch depth, is between about 0.5 ⁇ and about 4 ⁇ .
  • FIG. 3 shows a sectional view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip 100. The entire optoelectronic semiconductor chip 100 is shown, which is based on the epitaxial layer sequence 102 that was shown in FIG. 2d. The contact openings 106 and the peripheral edge 108 of the epitaxial layer sequence 102 are completely covered by the doped epitaxial layer 104. The first area 116 of the outer
  • Surface 119 has a first roughness with depressions up to 0.5 ⁇ . For the sake of clarity, the first roughness is not shown graphically.
  • Area 118 of outer surface 119 has a second roughness with depressions in the form of pyramids 140.
  • the pyramids 140 have a height of up to 4 ⁇ .
  • a first contact 128 contacts via a carrier 126 electrically conductive material 124.
  • the electrically conductive material 124 is placed over the Contact openings 106 the electrical connection to the doped epitaxial layer 104 ago.
  • Another doped epitaxial layer 112 is electrically connected to a second contact 130 via a current spreading layer 122.
  • FIG. 4a shows a plan view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip. The peripheral edge 108 of the epitaxial layer sequence 102 and the regions of the doped epitaxial layer 104 that form the
  • a section line 134 is shown along which the embodiment from FIG. 4b is shown.
  • FIG. 4b shows a sectional view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip.
  • Embodiment of Figure 4b differs from the embodiment of Figure 3 only in that the protective mask 120, the first portion 116 of the outer
  • Figure 5 shows a partially roughened doped
  • Epitaxial layer 104 It is an example
  • a pyramid 140 of the plurality of pyramids of the partially roughened doped epitaxial layer 104 is shown by way of example.
  • Epitaxial layer 104 forms the interface between the optically denser medium of the optoelectronic Semiconductor chip 100 in particular comprising GaN and the optically thinner medium air. Through the pyramidal depressions, the proportion of electromagnetic
  • the side surfaces 146 of the pyramidal depressions include an angle of 35 ° to 75 °, preferably 50 ° to 70 °, with the plane of the epitaxial layer sequence 102.
  • the concrete angle 144 is predetermined by the crystal direction of the doped epitaxial layer 104 and the chemical removal. At an etching depth in the ⁇ range and at angles 144 from the above range of values arise pyramids, which are used for the decoupling of electromagnetic radiation in the
  • the diameter 142 of the base of a pyramid 140 is also in the ⁇ range. The diameter 142 is thus significantly larger than the wavelength of
  • electromagnetic radiation having a wavelength of about 450 nm in air has one
  • the ratio of 2 to 10 between the diameter 142 of the base of the pyramid 140 and the wavelength of the electromagnetic radiation in the medium is the mandatory prerequisite for the fact that electromagnetic radiation from the doped
  • Epitaxial layer 104 can couple into a pyramid 140.
  • the base of the pyramid 140 has a hexagonal shape in GaN.
  • Figure 6a shows the angular range in the no
  • Medium 156 of air with a refractive index of 1 results in a critical angle 148 of about 25 °.
  • the angular range in which the light is the optically denser medium 154
  • Figure 6b shows the outer surface 119 of the doped epitaxial layer 104, which forms the optically denser medium 154, with a structure of pyramids 140.
  • the first light beam 150 now strikes within the limit angle 148 for Total reflection on the outer surface 119.
  • the first light beam 150 is no longer totally reflected and emerges from the doped epitaxial layer 104 and thus from the optoelectronic semiconductor chip 100.

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Abstract

Ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) mit einer Epitaxieschichtenfolge (102) umfasst eine dotierte Epitaxieschicht (104) mit einem ersten Bereich (116) und einem zweiten Bereich (118) und eine geschützte Struktur (108, 106). Der erste Bereich (116) der dotierten Epitaxieschicht (104) überdeckt die geschützte Struktur (108, 106) vollständig. Die äußere Oberfläche (119) der dotierten Epitaxieschicht (104) weist im ersten Bereich (116) eine erste Rauheit und im zweiten Bereich (118) eine zweite Rauheit auf.

Description

OPTOELEKTRONISCHER HALBLEITERCHIP UND
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERCHIP
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
optoelektronischen Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips.
Optoelektronische Halbleiterchips können
elektromagnetische Strahlung emittieren.
Optoelektronische Halbleiterchips weisen eine
Epitaxieschichtenfolge auf. Die Epitaxieschichtenfolge kann eine dotierte Epitaxieschicht aufweisen. Die
elektromagnetische Strahlung kann über eine äußere
Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht aus dem
optoelektronischen Halbleiterchip ausgekoppelt werden. Die äußere Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht kann aufgeraut sein. Die aufgeraute Oberfläche kann eine
Pyramidenstruktur aufweisen. Die Pyramidenstruktur ist notwendig bzw. vorteilhaft, um die Auskoppeleffizienz für elektromagnetische Strahlung aus dem optoelektronischen Halbleiterchip zu erhöhen. Die dotierte Epitaxieschicht der Epitaxieschichtenfolge kann durch sogenannte
Kontaktdurchbrüche elektrisch kontaktiert werden. Für die elektrische Leitfähigkeit weisen die Kontaktdurchbrüche beispielsweise Silber auf. Die Kontaktdurchbrüche
durchqueren zumindest teilweise die
Epitaxieschichtenfolge von der dotierten Epitaxieschicht abgewandten Seite der Epitaxieschichtenfolge. Durch das notwendige Aufrauen der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht wird die dotierte Epitaxieschicht
gedünnt. Über den Kontaktdurchbrüchen kann die dotierte Epitaxieschicht so stark abgedünnt sein, dass die
Kontaktdurchbrüche zumindest teilweise freiliegen. Damit liegt auch das Silber frei. Durch freiliegende
Kontaktdurchbrüche wird der optoelektronische
Halbleiterchip unbrauchbar. Das freiliegende Silber der Kontaktdurchbrüche ist bei der allgemeinen optischen Kontrolle des Halbleiterchips erkennbar. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen
optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, bei dem Strukturen wie die Kontaktdurchbrüche auch nach dem
Aufrauen geschützt sind und gleichzeitig
elektromagnetische Strahlung effizient auskoppelbar ist. Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen
Halbleiterchip gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines
optoelektronischen Halbleiterchips gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des optoelektronischen Halbleiterchips und des Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterchips sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beispielhafte Ausführungs formen Verschiedene Aus führungs formen eines optoelektronischen Halbleiterchips weisen eine Epitaxieschichtenfolge auf. Die Epitaxieschichtenfolge umfasst eine dotierte
Epitaxieschicht auf. Die dotierte Epitaxieschicht umfasst einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich. Die Epitaxieschichtenfolge weist eine geschützte Struktur auf. Der erste Bereich der dotierten Epitaxieschicht überdeckt die geschützte Struktur vollständig. Eine äußere Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht weist im ersten Bereich eine erste Rauheit und im zweiten Bereich eine zweite Rauheit auf. Diese Anordnung gewährleistet, dass geschützte Strukturen nicht freiliegen und dass gleichzeitig eine hohe Auskoppeleffizienz für die in der Epitaxieschichtenfolge erzeugte elektromagnetische
Strahlung erreicht wird.
Die Epitaxieschichtenfolge kann auf einem GaN- oder
InGaN-Schichtsystem basieren. In der
Epitaxieschichtenfolge ist eine aktive Zone vorgesehen. Die aktive Zone emittiert elektromagnetische Strahlung, die aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt werden kann. Das Emissionsspektrum liegt vorzugsweise im grünen bis ultravioletten, besonders bevorzugt im blauen
Spektralbereich. Das Emissionsspektrum kann jedoch auch im roten bis gelben Spektralbereich liegen. Die Dicke der Epitaxieschichtenfolge liegt typischerweise zwischen 1 μπι und 20 μπι.
Rauheit ist ein Begriff der Oberflächenphysik und
bezeichnet die Unebenheit der Oberflächenhöhe. Die
Oberflächenrauheit kann beispielsweise durch Polieren, Schleifen, Ätzen oder durch Korrosion beeinflusst werden. Es gibt mehrere Rauheitsangaben, die alle in der Einheit μπι angegeben werden.
Die erste Rauheit der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht kann durch insbesondere lochförmige
Vertiefungen mit Tiefen von weniger als 0,5 μπι gebildet sein. Diese Strukturen können beispielsweise bei einem Laser Lift Off entstehen. Beim Laser Lift Off kann durch Einstrahlung eines Lasers ein Substrat von der
Epitaxieschichtenfolge, die zuvor auf das Substrat aufgewachsen worden war, abgetrennt werden. Zudem oder alternativ kann die erste Rauheit auch durch Fehlstellen und Oberflächendefekte auf der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht gebildet sein. Strukturen wie lochförmige Vertiefungen, Fehlstellen oder
Oberflächendefekte sind für die Auskopplung von Licht nur wenig relevant.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist der erste
Bereich der äußeren Oberfläche der dotierten
Epitaxieschicht von einer Schutzmaske bedeckt. Die
Schutzmaske soll Bereiche der dotierten Epitaxieschicht bedecken, die bei einem Aufrauprozess nicht weiter aufgeraut werden sollen. Die Schutzmaske kann in einer bevorzugten Aus führungs form nach dem Aufrauprozess auf der dotierten Epitaxieschicht verbleiben. Die Schutzmaske kann Silizium-Nitrid (SiN) oder Silizium-Dioxid (Si02) aufweisen. Besonders vorteilhaft ist Silizium-Dioxid. Silizium-Dioxid absorbiert im Gegensatz zu Silizium- Nitrid kaum elektromagnetische Strahlung im blauen und grünen Spektralbereich. Im roten Spektralbereich hingegen sind sowohl Silizium-Nitrid als auch Silizium-Dioxid nur schwach absorbierend, weshalb bei aktiven Zonen, die elektromagnetische Strahlung im roten Spektralbereich emittieren, beide Materialien zum Einsatz kommen.
In einer alternativen, vorteilhaften Aus führungs form ist der erste Bereich der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht unbedeckt, d.h. es ist keine Schutzmaske auf dem ersten Bereich angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass die Schutzmaske nach dem Aufrauprozess entfernt wird. Dies ist vorteilhaft, da keine
Chemikalien, die für das Aufrauen der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht verwendet wurden,
Rückstände an der Schutzmaske bilden können. Zudem wird das Problem der Lichtabsorption in der Schutzmaske vermieden .
In einer bevorzugten Aus führungs form ist die erste
Rauheit des ersten Bereichs, der die Kontaktdurchbrüche bedeckt, durch pyramidenförmige Vertiefungen mit
Ätztiefen bis zu 1 μπι gebildet. Dies ist vorteilhaft, da dadurch elektromagnetische Strahlung auch über den geschützten Strukturen effizient aus der
Epitaxieschichtenfolge ausgekoppelt werden kann. Die Ätztiefe von maximal 1 μπι gewährleistet, dass keine geschützten Strukturen freigelegt werden. In der
vorliegenden Anmeldung ist die Rauheit in der mittleren Stufenhöhe angegeben, die durch die geätzten,
pyramidenförmigen Vertiefungen erzeugt wird.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist die zweite
Rauheit auf dem zweiten Bereich durch pyramidenförmige Vertiefungen mit Ätztiefen von 0,5 μπι bis 4 μπι gebildet. Die Seitenflächen der pyramidenförmigen Vertiefungen schließen mit der Ebene der Epitaxieschichtenfolge einen Winkel von 35° bis 75°, vorzugsweise von 50° bis 70°, ein. Der jeweilige Winkel wird durch die Kristallrichtung und den chemischen Abtrag vorgegeben. Die Kombination aus Ätztiefe im μπι-Bereich mit Winkel zwischen 35° und 75° ist besonders vorteilhaft, da dadurch ein besonders großer Anteil an elektromagnetische Strahlung aus der Epitaxieschichtenfolge ausgekoppelt werden kann. Dies rührt daher, dass je größer die Ätztiefen sind, desto größere Pyramiden erzeugt werden. Je größer die Pyramiden sind, desto mehr Licht kann ausgekoppelt werden. Dieser Zusammenhang gilt nur, wenn die emittierte
elektromagnetische Strahlung im Medium der
Epitaxieschichtenfolge eine kleinere Wellenlänge aufweist als der Durchmesser der Basis der Pyramiden misst.
Beispielsweise kann die Epitaxieschichtenfolge auf einem GaN-System basieren. Bei einer Wellenlänge der
elektromagnetischen Strahlung von etwa 0,4 μπι beträgt der Brechungsindex von GaN etwa 2,5. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Medium liegt folglich bei etwa 0,16 μπι. Pyramiden mit einem Durchmesser der Basis von mehr als etwa 0,16 μπι können die
elektromagnetische Strahlung auskoppeln.
In einer bevorzugten Aus führungs form weisen die
geschützten Strukturen eine Mehrzahl von
Kontaktdurchbrüchen auf. Die Kontaktdurchbrüche
durchqueren die Epitaxieschichtenfolge parallel zu deren Wachstumsrichtung und stellen den elektrischen Kontakt zur dotierten Epitaxieschicht her. Dies ist vorteilhaft, da die dotierte Epitaxieschicht bestromt werden kann, ohne dass aus der aktiven Zone der
Epitaxieschichtenfolge emitiertes Licht abgeschattet wird. Dies rührt daher, dass auf der äußeren Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht keine elektrischen
Kontaktstrukturen mehr notwendig sind.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist die dotierte Epitaxieschicht eine n-dotierte Schicht. Die n-dotierte Schicht wird durch elektrisch leitende Kontaktdurchbrüche mit einem n-Kontakt des optoelektronischen
Halbleiterchips verbunden.
In einer bevorzugten Aus führungs form weisen die
geschützten Strukturen den umlaufenden Rand der
Epitaxieschichtenfolge auf. Dies ist besonders
vorteilhaft, da der umlaufende Rand vor den
Ätzchemikalien, die für die Aufrauung eingesetzt werden, geschützt wird. In der Folge weist der umlaufende Rand eine klar definierte Form, eine gute Strukturtreue und eine minimale Länge auf. Für den Prozessschritt der automatischen Kontrolle des optoelektronischen
Halbleiterchips ist ein glatter Rand wesentlich. Der geschützte umlaufende Rand der Epitaxieschichtenfolge ist auch beim Ätzen der Mesakante mit Phosphorsäure
hilfreich. Eine Passivierung aus S1O2 kann die dotierte
Epitaxieschicht bedecken. Der Hauptzweck der Passivierung ist es, die Mesakante zu bedecken, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Der Schutz des umlaufenden Randes bewirkt, dass die Phosphorsäure weniger die S1O2 Passivierung unterätzen oder unterkriechen kann. In der Folge
entstehen weniger Löcher in der dotierten
Epitaxieschicht. In vorteilhafter Weise kann die gesamte Epitaxieschichtenfolge am Rand mit Phosphorsäure
durchgeätzt werden, ohne die dotierte Epitaxieschicht anzugreifen.
Verschiedene Aus führungs formen weisen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips auf. Zunächst wird eine Epitaxieschichtenfolge bereitgestellt. Die Epitaxieschichtenfolge wurde auf ein Substrat, insbesondere Siliziumkarbid (SiC) , Silizium (Si) oder Saphir (AI2O3) gewachsen. Die vom Substrat abgewandte Fläche der Epitaxieschichten!olge wurde auf einen Träger, insbesondere aufweisend Germanium, gebondet. Die
Epitaxieschichtenfolge wurde anschließend durch
Einstrahlung von Laserstrahlung vom Substrat getrennt (Laser Lift Off) . Die Epitaxieschichtenfolge weist eine dotierte Epitaxieschicht mit einer äußeren Oberfläche auf. Anschließend wird eine strukturierte Schutzmaske auf die äußere Oberfläche aufgebracht. Anschließend wird die dotierte Epitaxieschicht geätzt. Als Ätzmittel kann
Kaliumhydroxid (KOH) verwendet werden. Dabei verbleibt auf dem von der Schutzmaske bedeckten Bereich der äußeren Schicht ein erster Bereich mit einer ersten Rauheit. Dies ist vorteilhaft, da in dem ersten Bereich die
Epitaxieschichtenfolge nicht gedünnt wird. Zum einen wird dadurch ein unerwünschtes Freilegen von geschützten
Strukturen verhindert. Zum anderen kann die
Epitaxieschichtenfolge vor dem Ätzen dünner ausgelegt sein. Das Ätzen von dünneren Epitaxieschichtenfolgen ergibt zwar im Allgemeinen weniger tiefe Pyramiden. Dies reduziert jedoch die notwendige Menge an teurem
Epitaxieschichtenmaterial. Auf dem von der Schutzmaske unbedeckten Bereich der äußeren Oberfläche wird ein zweiter Bereich mit einer zweiten Rauheit erzeugt. Dies ist vorteilhaft, da in dem zweiten Bereich Ätztiefen im μπι - Bereich erzeugt werden. Diese Ätztiefen sind
Vorraussetzung für die Bildung von Pyramiden, die ein effizientes Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es, dass die
Aufrauzeiten gegenüber Verfahren, die ohne Schutzmaske ätzen, deutlich größer sind. Dadurch sind größere
Ätztiefen und damit größere Pyramiden erreichbar. Dies ist vorteilhaft, da dadurch mehr Licht durch die
Pyramiden ausgekoppelt werden kann.
In einer bevorzugten Aus führungs form wird die Schutzmaske auf der äußeren Oberfläche über einer Mehrzahl von
Kontaktdurchbrüchen aufgebracht. Wie oben genannt, ist dies vorteilhaft, da beim Ätzschritt die
Kontaktdurchbrüche nicht ungewollt freigelegt werden.
In einer bevorzugten Aus führungs form wird die Schutzmaske auf dem umlaufenden Rand der Epitaxieschichtenfolge aufgebracht. Dies ist vorteilhaft, da dadurch beim Ätzen der Mesakante mit Phosphorsäure, die Mesakante geschützt ist .
In einer bevorzugten Aus führungs form wird nach dem Ätzen der dotierten Epitaxieschicht mit KOH die Schutzmaske vom ersten Bereich entfernt. Dies ist vorteilhaft, da dadurch der erste Bereich der äußeren Oberfläche nachgeätzt werden kann. Dadurch erhöht sich die Auskoppeleffizienz für die in der Epitaxieschichtenfolge erzeugte
elektromagnetische Strahlung.
KU RZ E B E S C H R E I B U N G D E R Z E I C H N U N G E N Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
Figur la zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips;
Figur lb zeigt in Draufsicht grob schematisch das
Ausführungsbeispiel aus Figur la;
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips ;
Figur 2a, 2b zeigen Ausschnitte in Schnittansicht von
Zwischenprodukten des Herstellungsverfahrens eines optoelektronischen Halbleiterchips;
Figuren 2c, 2d und 2e zeigen Ausschnitte von
Schnittansichten von optoelektronischen
Halbleiterchips ;
Figur 3 zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips;
Figur 4a zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips;
Figur 4b zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips;
Figur 5 zeigt Pyramiden in der dotierten
Epitaxieschicht der Epitaxieschichtenfolge;
Figur 6a zeigt den Winkelbereich in dem Licht ein Medium verlassen kann; Figur 6b zeigt eine Pyramidenstruktur aus der Licht
austritt . AU S F Ü H RU N G S B E I S P I E L E
Figur la zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 100 ohne
geschützte Bereiche. Eine Epitaxieschichtenfolge 102 mit einer dotierten Epitaxieschicht 104, mit einer aktiven Zone 110 und mit einer weiteren dotierten Epitaxieschicht 112 ist auf einer Stromaufweitungsschicht 122 angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht 122 weist einen Spiegel mit Silber und eine Verkapselung des Silberspiegels auf. Das Verkapselungsmaterial weist Gold auf. Die
Stromaufweitungsschicht 122 ist auf einer elektrisch isolierenden Passivierung 114 angeordnet. Darauf folgt ein elektrisch leitfähiges Material 124, das Silber aufweist. Daraufhin folgt ein elektrisch leitfähiger Träger 126, beispielsweise aus Germanium. Auf der von der Epitaxieschichtenfolge abgewandten Seite des Trägers 126 ist ein erster Kontakt 128 aufgebracht. Durch die
Epitaxieschichtenfolge 102 sind Kontaktdurchbrüche 106 angeordnet. Durch die Kontaktdurchbrüche 106 wird die elektrische Verbindung des ersten Kontakts 128 mit der dotierten Epitaxieschicht 104 realisiert. Hierzu sind die Kontaktdurchbrüche 106 mit dem elektrisch leitfähigen Material 124 gefüllt und durch die Passivierung 114 gegen die weitere dotierte Epitaxieschicht 112 isoliert. Ein zweiter Kontakt 130 stellt den elektrischen Kontakt zur weiteren dotierten Epitaxieschicht 112 über die
Stromaufweitungsschicht 122 her. Die dotierte
Epitaxieschicht 104 weist pyramidenförmige Vertiefungen auf, die bis auf die Kontaktdurchbrüche 106 reichen. Es ergeben sich freiliegende Bereiche 107 des elektrisch leitfähigen Materials 124 auf den Kontaktdurchbrüchen 106. Dadurch liegt das elektrisch leitfähige Material 124, das Silber aufweist, in den Kontaktdurchbrüchen 106 zumindest teilweise offen. Das freiliegende Silber kann Elektromigration machen. Dadurch wird der
optoelektronische Halbleiterchip 100 für weitere
Prozessschritte unbrauchbar. Der umlaufende Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 weist ebenfalls Vertiefungen auf, die den optoelektronischen Halbleiterchip 100 zwar nicht unbrauchbar machen, jedoch die automatische
Kontrolle des optoelektronischen Halbleiterchips 100 erschweren. Zudem ist die Mesakante des
optoelektronischen Halbleiterchips kaum geschützt, was die Ausfallwahrscheinlichkeit des Halbleiterchips erhöht.
Figur lb zeigt in Draufsicht grob schematisch das
Ausführungsbeispiel aus Figur la. Die Kontaktdurchbrüche 106 sind erkennbar. Das elektrische leitfähige Material 124 liegt frei. Der optoelektronische Halbleiterchip 100 ist deshalb unbrauchbar. Zudem weist der umlaufende Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 eine fransige Struktur auf. Dadurch entsteht ein sehr ausgedehnter Rand 108 des optoelektronischen Halbleiterchips 100. Dies erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit des optoelektronischen
Halbleiterchips 100.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zweier alternativer Herstellungsverfahren A bzw. B für einen
optoelektronischen Halbleiterchip. Der
Herstellungsprozess lässt sich in die Schritte Sl bis S5 aufgliedern. Die Schritte S4 und S5 sind optional.
Im Schritt Sl wird eine Epitaxieschichtenfolge 102 bereitgestellt. Figur 2a zeigt das Ergebnis von Schritt Sl. Auf die dotierte Epitaxieschicht 104 mit einer äußeren Oberfläche 119 folgt die aktive Zone 110. Auf die aktive Zone 110 folgt die weitere dotierte
Epitaxieschicht 112. Ein Kontaktdurchbruch 106 durchquert die weitere dotierte Epitaxieschicht 112 und die aktive Zone 110 vollständig und endet in der dotierten
Epitaxieschicht 104. Der Kontaktdurchbruch 106 ist mit elektrisch leitfähigem Material 124 gefüllt. Zwischen dem Kontaktdurchbruch 106 und der Epitaxieschichtenfolge 102 ist eine isolierende Passivierung 114 angeordnet. Die äußere Oberfläche 119 der dotierten Epitaxieschicht 104 weist eine erste Rauheit auf, die nicht grafisch
dargestellt ist. Die erste Rauheit wird durch
insbesondere lochförmige Vertiefungen mit Tiefen bis etwa 0,5 μπι gebildet. Diese Strukturen können beim Laser Lift Off entstehen, bei dem durch Einstrahlung eines Lasers das Aufwachssubstrat von der Epitaxieschichtenfolge 102 abgetrennt wird. Die erste Rauheit kann alternativ oder zusätzlich auch durch Fehlstellen und Oberflächendefekte auf der äußeren Oberfläche 119 der dotierten
Epitaxieschicht 104 gebildet sein. Diese erste Rauheit ist wegen ihrer geringen Tiefe für die Auskopplung von Licht kaum relevant. Deshalb ist die erste Rauheit in Figur 2a nicht dargestellt. Im Schritt S2 wird eine Schutzmaske 120 aufgebracht. In Figur 2 werden zwei alternative Wege, S2a und S2b, zur Ausführung des Verfahrensschrittes S2 gezeigt. Beide Wege führen zum gleichen Zwischenprodukt gezeigt in Figur 2b.
Die Alternative S2a gliedert sich in die folgenden
Teilschritte: Im Teilschritt S2a.l wird eine
Schutzschicht ganzflächig auf die dotierte Epitaxieschicht 104 aufgebracht. Im Teilschritt S2a.2 wird Fotolack auf die zu schützenden Bereiche der
dotierten Epitaxieschicht 104, also über dem umlaufenden Rand 108 und über den Kontaktdurchbrüchen 106
aufgebracht. Im Teilschritt S2a.3 werden die nicht von Fotolack bedeckten Bereiche der Schutzschicht entfernt. Im Teilschritt S2a.4 wird der Fotolack entfernt.
Die Alternative S2b gliedert sich in die folgenden
Teilschritte: Im Teilschritt S2b.l wird Fotolack
strukturiert auf die dotierte Epitaxieschicht 104 unter Aussparung der zu schützenden Bereiche aufgebracht. Im Teilschritt S2b.2 wird eine Schutzschicht ganzflächig auf dotierte Epitaxieschicht 104 aufgebracht. Im Teilschritt S2b.3 wird der Fotolack abgehoben. Figur 2b zeigt einen Ausschnitt des Zwischenprodukts in Schnittansicht nach Abschluss des Schrittes S2. Über der geschützten Struktur 106, 108 ist auf der äußeren
Oberfläche 119 der dotierten Epitaxieschicht 104 die Schutzmaske 120 aufgebracht. Die Schutzmaske kann SiN oder S1O2 aufweisen.
Im Schritt S3 wird die dotierte Epitaxieschicht 104 geätzt. Auf der von der Schutzmaske 120 bedeckten äußeren Oberfläche 119 der dotierten Epitaxieschicht 104
verbleibt ein erster Bereich 116 mit einer ersten
Rauheit. Auf dem von der Schutzmaske 120 unbedeckten Bereich der äußeren Oberfläche 119 der dotierten
Epitaxieschicht 104 wird ein zweiter Bereich 118 mit einer zweiten Rauheit erzeugt.
Figur 2c zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansichten des optoelektronischen Halbleiterchips 100 nach Abschluss des Schrittes S3. Der erste Bereich 116 der äußeren
Oberfläche 119 ist von einer Schutzmaske 120 bedeckt. Der zweite Bereich 118 der äußeren Oberfläche 119 weist eine zweite Rauheit mit pyramidenförmigen Vertiefungen auf. Es werden Ätztiefen zwischen 0,5 μπι bis 4 μπι gebildet. Die Ätztiefen sind als Stufenhöhen 121 des zweiten Bereichs 118 dargestellt. Die geschützte Struktur weist einen elektrisch leitenden Kontaktdurchbruch 106 auf. Der
Kontaktdurchbruch 106 durchquert die
Epitaxieschichtenfolge 102 parallel zu deren
Wachstumsrichtung. Der Kontaktdurchbruch 106 stellt den elektrischen Kontakt zur dotierten Epitaxieschicht 104 her. Die dotierte Epitaxieschicht 104 kann n-dotiert sein. Die geschützte Struktur weist zudem einen
umlaufenden Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 auf.
Im optionalen Schritt S4 wird die Schutzmaske 120
entfernt. Die Schutzmaske 120 aus S1O2 oder SiN kann durch einen Ätzvorgang mit Flußsäure (HF) oder Amoniak gepufferter Flußsäure (BOE) entfernt werden. Figur 2d zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht des optoelektronischen Halbleiterchips 100 nach Äbschluss des Schrittes S4. Figur 2d unterscheidet sich nur dadurch von Figur 2c, dass die Schutzmaske 120 entfernt ist. Der erste Bereich 116 der äußeren Oberfläche 119 der
dotierten Epitaxieschicht 104 ist nun freiliegend.
Im Schritt S5 wird nach dem Entfernen der Schutzmaske 120 der erste Bereich 116 der dotierten Epitaxieschicht 104 mit KOH nachgeätzt.
Figur 2e zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht des optoelektronischen Halbleiterchips 100 nach Äbschluss des Schrittes S5. Die erste Rauheit auf dem ersten Bereich
116 der äußeren Oberfläche 119 der dotierten
Epitaxieschicht 104 weist pyramidenförmige Vertiefungen mit Ätztiefen bis zu 1 μπι auf. Dadurch kann Licht auch aus Bereichen der dotierten Epitaxieschicht 104, die über dem Kontaktdurchbruch 106 und/oder über dem umlaufenden Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 angeordnet sind, effizient ausgekoppelt werden. Die Ätztiefen sind als Stufenhöhe 117 des ersten Bereichs 116 und als Stufenhöhe 121 des zweiten Bereichs 118 dargestellt. Die Stufenhöhe
117 des ersten Bereichs 116, mit anderen Worten die
Ätztiefe, beträgt bis zu 1 μπι. Die Stufenhöhe 121 des zweiten Bereichs 118, mit anderen Worten die Ätztiefe, beträgt zwischen etwa 0,5 μπι und etwa 4 μπι. Figur 3 zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 100. Es ist der ganze optoelektronische Halbleiterchip 100 dargestellt, der auf der Epitaxieschichtenfolge 102 basiert, die in Figur 2d dargestellt wurde. Die Kontaktdurchbrüche 106 und der umlaufende Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 sind vollständig von der dotierten Epitaxieschicht 104 überdeckt. Der erste Bereich 116 der äußeren
Oberfläche 119 weist eine erste Rauheit mit Vertiefungen bis zu 0,5 μπι auf. Der Übersichtlichkeit halber ist die erste Rauheit grafisch nicht dargestellt. Der zweite
Bereich 118 der äußeren Oberfläche 119 weist eine zweite Rauheit mit Vertiefungen in Form von Pyramiden 140 auf. Die Pyramiden 140 weisen eine Höhe von bis zu 4 μπι auf. Ein erster Kontakt 128 kontaktiert über einen Träger 126 elektrisch leitfähiges Material 124. Das elektrisch leitfähige Material 124 stellt über die Kontaktdurchbrüche 106 die elektrische Verbindung zur dotierten Epitaxieschicht 104 her. Eine weitere dotierte Epitaxieschicht 112 ist über eine Stromaufweitungsschicht 122 mit einem zweiten Kontakt 130 elektrisch verbunden. Figur 4a zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips. Der umlaufende Rand 108 der Epitaxieschichtenfolge 102 und die Bereiche der dotierten Epitaxieschicht 104, die die
Kontaktdurchbrüche 106 vollständig überdecken, sind mit einer Schutzmaske 120 überdeckt. Es ist eine Schnittlinie 134 eingezeichnet entlang der das Ausführungsbeispiel aus Figur 4b dargestellt wird.
Figur 4b zeigt in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips. Das
Ausführungsbeispiel aus Figur 4b unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel aus Figur 3 allein dadurch, dass die Schutzmaske 120 den ersten Bereich 116 der äußeren
Oberfläche 119 bedeckt.
Figur 5 zeigt eine teilweise aufgeraute dotierte
Epitaxieschicht 104. Es ist exemplarisch ein
Kontaktdurchbruch 106, ein nahezu nicht aufgerauter erster Bereich 116 der äußeren Oberfläche 119 über dem Kontaktdurchbruch 106 und ein aufgerauter zweiter Bereich 118 der äußeren Oberfläche 119 gezeigt. Im zweiten
Bereich 118 der äußeren Oberfläche 119 ist exemplarisch eine Pyramide 140 aus der Vielzahl von Pyramiden der teilweise aufgerauten dotierten Epitaxieschicht 104 gezeigt. Die äußere Oberfläche 119 der dotierten
Epitaxieschicht 104 bildet die Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren Medium des optoelektronischen Halbleiterchip 100 insbesondere aufweisend GaN und dem optisch dünneren Medium Luft. Durch die pyramidenförmigen Vertiefungen wird der Anteil an elektromagnetischer
Strahlung der an der äußeren Oberfläche 119 total
reflektiert wird verringert. Die Seitenflächen 146 der pyramidenförmigen Vertiefungen schließen mit der Ebene der Epitaxieschichtenfolge 102 einen Winkel von 35° bis 75°, vorzugsweise von 50° bis 70°, ein. Der konkrete Winkel 144 ist durch die Kristallrichtung der dotierten Epitaxieschicht 104 und den chemischen Abtrag vorgegeben. Bei einer Ätztiefe im μπι-Bereich und bei Winkeln 144 aus obigem Wertebereich entstehen Pyramiden, die für die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung im
sichtbaren Wellenlängenbereich, also bei Wellenlängen zwischen etwa 0,3 μπι und etwa 0,8 μπι, besonders geeignet sind. Der Durchmesser 142 der Basis einer Pyramide 140 liegt ebenfalls im μπι-Bereich. Der Durchmesser 142 ist damit deutlich größer als die Wellenlänge der
elektromagnetischen Strahlung im Halbleitermedium.
Beispielsweise hat elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge von etwa 450 nm in Luft aufweist eine
Wellenlänge von etwa 200 nm in einem Medium aus GaN mit einem Brechungsindex von etwa 2,4. Das Verhältnis von 2 bis 10 zwischen Durchmesser 142 der Basis der Pyramide 140 und Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Medium ist die zwingende Voraussetzung dafür, dass elektromagnetische Strahlung aus der dotierten
Epitaxieschicht 104 in eine Pyramide 140 einkoppeln kann. Die Basis der Pyramide 140 weist bei GaN eine hexagonale Form auf. Figur 6a zeigt den Winkelbereich in dem keine
Totalreflexion von Lichtstrahlen 152 an einer äußeren Oberfläche 119 auftritt. Lichtstrahlen 152, die mit einem kleineren Winkel als der Grenzwinkel 148 auf die äußere Oberfläche 119 der dotierten Epitaxieschicht 104
auftreffen, werden am Übergang vom optisch dichteren Medium 154 zum optisch dünneren Medium 156 gebrochen. Diese Lichtstrahlen 152 können das optisch dichtere
Medium 154 verlassen. Lichtstrahlen 150, die mit einem Winkel der größer ist als der Grenzwinkel 148 auf die äußere Oberfläche 119 auftreffen, werden hingegen total reflektiert .
Bei einer dotierten Epitaxieschicht 104 als optisch dichterem Medium 154 aus einem GaN-System mit einem
Brechungsindex von etwa 2,4 und einem optisch dünneren
Medium 156 aus Luft mit einem Brechungsindex von 1 ergibt sich ein Grenzwinkel 148 von etwa 25°. Der Winkelbereich in dem das Licht das optisch dichtere Medium 154
verlassen kann wird „escape cone" genannt. Figur 6b zeigt die äußere Oberfläche 119 der dotierten Epitaxieschicht 104, die das optisch dichtere Medium 154 bildet, mit einer Struktur aus Pyramiden 140. Durch die Pyramidenstruktur trifft der erste Lichtstrahl 150 nun innerhalb des Grenzwinkels 148 für Totalreflexion auf die äußere Oberfläche 119 auf. Der erste Lichtstrahl 150 wird nicht mehr total reflektiert und tritt aus der dotierten Epitaxieschicht 104 und damit aus dem optoelektronischen Halbleiterchip 100 aus. Insgesamt tritt mehr Licht aus der pyramidenförmig aufgerauten äußeren Oberfläche 119 aus, als wenn die äußere Oberfläche 119 näherungsweise plan wäre. Bezugs zeichenliste
100 Halbleiterchip
102 Epitaxieschichtenfolge 104 dotierte Epitaxieschicht
106 Kontaktdurchbruch
107 freiliegender Bereich des elektrisch
leitfähigen Materials im Kontaktdurchbruch
108 umlaufender Rand der Epitaxieschichtenfolge 110 aktive Zone
112 weitere dotierte Epitaxieschicht
114 Passivierung
116 erster Bereich der äußeren Oberfläche
117 Stufenhöhe im ersten Bereich 118 zweiter Bereich der äußeren Oberfläche
119 äußere Oberfläche der dotierten Epitaxieschicht
120 Schutzmaske
121 Stufenhöhe im zweiten Bereich
122 Stromaufweitungsschicht 124 elektrisch leitfähiges Material
126 Träger 128 erster Kontakt
130 zweiter Kontakt
132 Bonddraht
134 Schnittlinie 140 Pyramide
142 Durchmesser der Basis einer Pyramide
144 Winkel den die Seitenfläche einer Pyramide mit der Ebene der Epitaxieschichtenfolge
einschließt 146 Seitenfläche einer Pyramide
148 Grenzwinkel für die Totalreflexion
150 erster Lichtstrahl
152 zweiter Lichtstrahl
154 optisch dichteres Medium 156 optisch dünneres Medium

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
1. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) mit
- einer Epitaxieschichtenfolge (102) umfassend eine dotierte Epitaxieschicht (104) mit einem ersten Bereich (116) und einem zweiten Bereich (118) und eine
geschützte Struktur (108, 106),
wobei der erste Bereich (116) der dotierten
Epitaxieschicht (104) die geschützte Struktur (108, 106) vollständig überdeckt und
wobei eine äußere Oberfläche (119) der dotierten
Epitaxieschicht (104) im ersten Bereich (116) eine erste Rauheit und im zweiten Bereich (118) eine zweite Rauheit aufweist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 1, wobei die erste Rauheit durch, insbesondere
lochförmige, Vertiefungen mit Tiefen von weniger als etwa 0,5 μπι, Fehlstellen und Oberflächendefekte gebildet ist.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 1, wobei die erste Rauheit durch pyramidenförmige
Vertiefungen mit Ätztiefen bis zu etwa 1 μπι gebildet ist .
4. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die zweite Rauheit durch pyramidenförmige Vertiefungen mit Ätztiefen von etwa 0,5 μπι bis etwa 4 μπι gebildet ist.
5. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Seitenflächen der pyramidenförmigen Vertiefungen mit der Ebene der Epitaxieschichtenfolge
(102) einen Winkel von 35° bis 75°, vorzugsweise von 50° bis 70°, einschließen.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die geschützte Struktur mindestens einen Kontaktdurchbruch (106) aufweist, der die Epitaxieschichtenfolge (102) parallel zu deren Wachstumsrichtung durchquert und den elektrischen
Kontakt zur dotierten Epitaxieschicht (104) herstellt.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die geschützte Struktur einen umlaufenden Rand (108) der Epitaxieschichtenfolge (102) aufweist.
8. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die dotierte Epitaxieschicht (104) n-dotiert ist.
9. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der erste Bereich (116) von einer Schutzmaske (120) bedeckt ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines
optoelektronischen Halbleiterchip (100) mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Epitaxieschichtenfolge (102) aufweisend eine dotierte Epitaxieschicht (104) mit einer äußeren Oberfläche (119) ;
- Aufbringen einer strukturierten Schutzmaske (120) auf die äußere Oberfläche (119) ; - Ätzen der dotierten Epitaxieschicht (104), wobei auf der von der Schutzmaske (120) bedeckten äußeren
Oberfläche (119) ein erster Bereich (116) mit einer ersten Rauheit verbleibt und wobei auf dem von der Schutzmaske (120) unbedeckten Bereich der äußeren
Oberfläche (119) ein zweiter Bereich (118) mit einer zweiten Rauheit erzeugt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die
Schutzmaske (120) auf der äußeren Oberfläche (119) über dem mindestens einen Kontaktdurchbruch (106)
aufgebracht wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Schutzmaske (120) auf der äußeren Oberfläche (119) über dem umlaufenden Rand (108) der Epitaxieschichtenfolge (102) aufgebracht wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei nach dem Ätzen der dotierten Epitaxieschicht (104) die Schutzmaske (120) entfernt wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei nach dem Entfernen der Schutzmaske (120) der erste Bereich (116) der dotierten Epitaxieschicht (104) nachgeätzt wird.
PCT/EP2012/050713 2011-02-07 2012-01-18 Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchip WO2012107261A1 (de)

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DE102011003684A DE102011003684A1 (de) 2011-02-07 2011-02-07 Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchip

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