WO2015181005A1 - Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2015181005A1
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Wolfgang Schmid
Petrus Sundgren
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H10H20/018—Bonding of wafers

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor chip is specified.
  • this layer compared to the ⁇ tzsignal Anlagen, reduced by at least a factor of two or five or ten or one hundred. In other words, this layer is free from the signal component or has little of the signal component compared to the signal component
  • said two further layers preferably within the production tolerances have a same material composition.
  • these two further layers are each free from the signal component or the
  • Ramp layer is based on In ] __ a _ ] 3 Al ] 3 Ga a P or on
  • 0.35 -S b or 0.4 ⁇ b or 0.45 -S b and / or b -S 0.65 or b -S 0.6 or b -S 0.55 it is preferable that a -S 0.1 or a -S 0.05 or a -S 0.02 or a -S 0, 005.
  • 0.35 -S b or 0.4 ⁇ b or 0.45 -S b and / or b -S 0.65 or b -S 0.6 or b -S 0.55 0.35 -S b or 0.4 ⁇ b or 0.45 -S b and / or b -S 0.65 or b -S 0.6 or b -S 0.55.
  • the strips and the soap-shaped regions are configured to impress current in the semiconductor layer sequence. In other words there is then no layer provided for current insulation between the strips or insef-shaped regions and the semiconductor layer sequence.
  • Layer sequence 21 an active zone 22 after.
  • the active zone 22 is shown only greatly simplified and comprises
  • the etching signal layer 24 is followed by another p-layer 25.
  • the p-layer 25 is based on InAlP.
  • a thickness of the further p-type layer 25 is at least in regions preferably at least 500 nm or 1000 nm or 1500 nm and / or at most 3000 nm or 2000 nm.
  • a zone is located between the active zone 22 and the etching signal layer 24
  • Ramp layer 26 is thus, in contrast to the

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Abstract

Es umfasst der Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer n-leitenden Schichtenfolge (21) sowie einer p-leitenden Schichtenfolge (23) und einer dazwischen liegenden aktiven Zone (22) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Ferner befindet sich in der Halbleiterschichtenfolge (2) eine Ätzsignalschicht (24) in oder an der p-leitenden Schichtenfolge (23). Ferner befindet sich eine Ätzstruktur (3) an der Halbleiterschichtenfolge (3) an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Ätzsignalschicht (24). Die Ätzstruktur (3) reicht mindestens bis in die Ätzsignalschicht (24). Die Ätzsignalschicht (24) weist einen Signalbestandteil auf, der in einer in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24) angrenzenden Schicht (25) nicht vorhanden oder reduziert ist.

Description

Beschreibung
Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zu dessen Herstellung
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterchips angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen
optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine
effiziente Lichtauskopplung aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen
optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterchip um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode. Der Halbleiterchip ist dazu eingerichtet, im
Betrieb eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Beispielsweise wird im Betrieb des Halbleiterchips sichtbares
Licht oder nahinfrarote Strahlung erzeugt. Es ist
insbesondere möglich, dass der Halbleiterchip zur Erzeugung von gelbem Licht, orangenem Licht und/oder rotem Licht oder zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung im
Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 760 nm und 870 nm eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
optoelektronische Halbleiterchip mindestens eine
Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs, wobei jeweils 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und n + m ^ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine n-leitende Schichtenfolge. Die n-leitende Schichtenfolge ist durchgehend oder bereichsweise n-dotiert. Es kann die n-leitende Schichtenfolge eine oder mehrere Teilschichten aufweisen. Der Begriff Schichtenfolge bedeutet daher nicht zwangsläufig, dass mehrere Schichten in der n-leitenden Schichtenfolge vorhanden sein müssen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip eine p-leitende Schichtenfolge auf, die eine oder, bevorzugt, mehrere p-leitende Schichten umfasst. Die p- leitende Schichtenfolge ist bevorzugt p-dotiert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip mindestens eine aktive Zone auf. Die eine oder die mehreren aktiven Zone sind zwischen der n-leitenden
Schichtenfolge und der p-leitenden Schichtenfolge angebracht. Insbesondere steht die aktive Zone in direktem Kontakt mit der n-leitenden Schichtenfolge und mit der p-leitenden
Schichtenfolge. Die aktive Zone umfasst beispielsweise einen pn-Übergang, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine
Mehrfachquantentopfstruktur . Insbesondere beinhaltet die aktive Zone mehrere Quantentöpfe, die durch Barriereschichten voneinander separiert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die
Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere
Ätzsignalschichten. Die mindestens eine Ätzsignalschicht befindet sich in oder an der p-leitenden Schichtenfolge oder in der n-leitenden Schichtenfolge. Sind mehrere
Ätzsignalschichten vorhanden, so kann sich jeweils eine
Ätzsignalschicht in der p-leitenden Schichtenfolge und eine Ätzsignalschicht in der n-leitenden Schichtenfolge befinden. Auch mehrere Ätzsignalschichten in einer der Schichtenfolgen sind möglich. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip eine oder mehrere Ätzstrukturen auf. Die mindestens eine Ätzstruktur reicht dabei zumindest in
größeren Bereichen oder ganzflächig bis wenigstens in die Ätzsignalschicht. Das bedeutet, durch die Ätzstruktur ist die Ätzsignalschicht wenigstens stellenweise freigelegt und/oder beim Erzeugen der Ätzstruktur ist ein Material der
Ätzsignalschicht mindestens teilweise entfernt. Es ist auch möglich, dass die Ätzsignalschicht über größere Bereiche hinweg vollständig beim Erzeugen der Ätzstruktur entfernt ist. Beispielsweise weist die Ätzstruktur im Querschnitt gesehen eine prismatische oder trapezförmige Gestalt auf, wobei sich eine Breite der Ätzstruktur in Richtung hin zu der aktiven Zone bevorzugt verringert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Ätzsignalschicht einen Signalbestandteil auf. Bei dem
Signalbestandteil handelt es sich bevorzugt um eine
Hauptkomponente eines Halbleitermaterials, auf dem
Ätzsignalschicht basiert. Alternativ kann es sich bei dem Signalbestandteil um eine Dotierung der Ätzsignalschicht handeln . Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt die
Ätzsignalschicht, in Richtung hin zu der Ätzstruktur und in Richtung weg von der aktiven Zone, an eine Schicht an, die frei von dem Signalbestandteil ist oder nur wenig von dem Signalbestandteil aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Signalbestandteil höchstens in Form einer Verunreinigung vorliegt und/oder dass eine Konzentration des
Signalbestandteils in dieser Schicht, im Vergleich zu der Ätzsignalschicht, um mindestens einen Faktor zwei oder fünf oder zehn oder hundert reduziert ist. Mit anderen Worten ist diese Schicht frei von dem Signalbestandteil oder weist wenig von dem Signalbestandteil auf im Vergleich zu der
Ätzsignalschicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Signalbestandteil an der Ätzsignalschicht einen Atomanteil von mindestens 0,5 % oder 1 % oder 1,75 % auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Anteil bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % oder 3,5 %. Mit anderen Worten macht der
Signalbestandteil dann nur einen vergleichsweise geringen Anteil der Ätzsignalschicht aus.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine n-leitende Schichtenfolge sowie eine p-leitende Schichtenfolge und eine zwischen diesen Schichtenfolgen liegende aktive Zone zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung auf. Ferner befindet sich in der Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Ätzsignalschicht in oder an der p-leitenden Schichtenfolge und/oder in oder an der n-leitenden Schichtenfolge. Ferner befindet sich eine Ätzstruktur an der Halbleiterschichtenfolge an einer der aktiven Zone abgewandten Seite der Ätzsignalschicht. Die Ätzstruktur reicht dabei wenigstens stellenweise mindestens bis in die Ätzsignalschicht. Die Ätzsignalschicht weist einen Signalbestandteil auf, der in einer in Richtung hin zu der Ätzstruktur und/oder in Richtung weg von der aktiven Zone an die Ätzsignalschicht angrenzenden Schicht nicht vorhanden ist oder nur in einer reduzierten Konzentration vorliegt.
Insbesondere in Dünnfilm-Leuchtdioden, also in Leuchtdioden ohne Aufwachssubstrat , breitet sich in einer aktiven Zone erzeugtes Licht in einem vergleichsweise dünnen Schichtpaket in der Halbleiterschichtenfolge aus, bis das erzeugte Licht entweder ausgekoppelt oder absorbiert wird. Da wegen des hohen Brechungsindexes von Halbleitermaterialien eine
Auskoppelwahrscheinlichkeit pro Auftreffen des Lichts auf eine auskoppelnde Fläche vergleichsweise klein ist, läuft Licht relativ lange in dem Halbleiter, bis eine Auskoppelung erfolgt. Dementsprechend hängt eine Effizienz von Dünnfilm- Leuchtdioden vergleichsweise stark von Absorptionen in oder an der Halbleiterschichtenfolge ab. Eine Absorption erfolgt dabei etwa durch metallische
Kontaktflächen, da solche Kontaktflächen auf einen
elektrischen Anschluss hin und nicht auf optische
Eigenschaften hin optimiert sind. Solche metallischen Kontaktflächen befinden sich an einer oder an zwei Seiten der Halbleiterschichtenfolge. Um Licht von den elektrischen
Kontaktflächen fernzuhalten oder eine
AuftreffWahrscheinlichkeit zu reduzieren, wird speziell bei auf InGaAlP oder auf InAlGaAs basierenden Dünnfilm- Leuchtdioden auf einer diesen Kontaktflächen
gegenüberliegenden Seite eine Ätzstruktur mit so genannten Mikroprismen geätzt. Durch diese Ätzstruktur wird ein
Halbleitermaterial stellenweise entfernt.
Eine solche Ätzstruktur führt auch dazu, dass eine Strom aufweitende Schicht stellenweise fehlt oder stark gedünnt ist, sodass in diesen Bereichen keine oder nur wenige
Ladungsträger bis unter die elektrischen Kontaktflächen und von dort in die aktive Zone fließen und dort Licht erzeugen. Mit anderen Worten wird eine Lichterzeugung nahe der
metallischen Kontaktflächen vermieden. Außerdem ist das verbleibende Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge verjüngt, sodass eine AuftreffWahrscheinlichkeit von Licht auf eine Oberfläche pro zurückgelegter Strecke des Lichts erhöht ist. Hierdurch ist eine Auskoppelwahrscheinlichkeit des Lichts erhöht. Auch wird durch die Ätzstruktur und die damit verbundene mikroprismenartige Struktur eine
Auskoppelwahrscheinlichkeit erhöht, da das Licht an der
Ätzstruktur reflektiert und/oder gestreut wird. Eine solche Ätzstruktur wird dabei in der Regel durch ein Plasma- Ätzverfahren, insbesondere durch ein Ätzen mit einem induktiv gekoppelten Plasma, englisch inductive coupled plasma oder kurz ICP, erzeugt.
Bei einem solchen Ätzverfahren ist es allerdings
vergleichsweise schwierig, die richtige Ätztiefe genau zu treffen. Falls zu tief geätzt wird, wird die aktive Zone gestört, wodurch ein schlechteres Kleinstromverhalten, ein schlechterer Temperaturgang und eine anfängliche positive Alterung hervorgerufen werden können. Eine zu flache Ätzung hingegen führt zu einer schlechteren Lichtauskopplung und damit zu weniger effizienten Bauteilen. Daher ist es wichtig, reproduzierbar die passende Ätztiefe zu erzielen. Erfolgt ein Abbruch des Ätzens auf Zeit, also nach einer vorbestimmten Dauer, erschweren schwankende Ätzraten oder auch
Schichtdickenschwankungen in der Halbleiterschichtenfolge aufgrund des epitaktischen Wachsens das präzise Treffen der geeigneten Ätztiefe.
Der hier beschriebene Halbleiterchip weist die
Ätzsignalschicht auf. Wird beim Ätzen der Signalbestandteil freigesetzt, so kann dieser Signalbestandteil detektiert werden und das Ätzen der Ätzstruktur wird gestoppt, sobald der Signalbestandteil detektiert wird oder es wird das Ätzen nach einer bestimmten Zeit nach dem Auftauchen oder
Verschwinden des Signalbestandteils insbesondere im oder aus einem Ätzplasma gestoppt. Damit ist auf kontrollierbare Weise ein vergleichsweise dünner Bereich zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone an Halbleitermaterial erreichbar, sodass eine geringe Stromeinprägung in diesen Bereichen in die aktive Zone erfolgt und eine hohe Lichtauskoppeleffizienz erzielt wird. Mit anderen Worten erlaubt die Ätzsignalschicht ein frühzeitiges und exaktes Stoppen des Ätzens beim Erzeugen der Ätzstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die aktive Zone auf InAlGaP oder auf InAlGaAs. Die aktive Zone kann dabei eine oder mehrere Schichten aufweisen, die frei sind von einer oder mehreren der Hauptkomponenten des entsprechenden Halbleitermaterials. Mit anderen Worten weist die aktive Zone dann eine variierende Materialzusammensetzung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Ätzsignalschicht in der p-leitenden Schichtenfolge. Bevorzugt basiert die Ätzsignalschicht dann auf InAlGaP oder auf
InAlGaAs. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche
Ätzsignalschicht auch in der n-leitenden Schichtenfolge vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Ätzsignalschicht auf In]__x_yAlyGaxP oder auf In]__x_yAlyGaxAs . Dabei gilt: x + y < 1. Der Signalbestandteil ist dabei Ga, wobei bevorzugt x größer gleich 0,001 oder 0,005 oder 0,01 oder 0,02 ist. Alternativ oder zusätzlich ist x kleiner gleich 0,2 oder 0,15 oder 0,1 oder 0,075. Es kann gelten, dass y größer gleich 0,3 oder 0,35 oder 0,4 ist und/oder dass y kleiner gleich 0,5 oder 0,55 oder 0,6 ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Dicke der
Ätzsignalschicht bei mindestens 50 nm oder 100 nm oder 150 nm oder 200 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der Ätzsignalschicht höchstens 800 nm oder 600 nm oder 500 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Konzentration des Signalbestandteils innerhalb der Ätzsignalschicht
konstant. Konstant bedeutet insbesondere, dass eine lokal vorliegende Konzentration von einer mittleren Konzentration des Signalbestandteils um höchstens 30 % oder 20 % oder 10 % oder 5 % abweicht. Mit anderen Worten ist dann in die
Ätzsignalschicht keine gezielten Konzentrationsschwankung des Signalbestandteils eingebracht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Ätzsignalschicht unmittelbar an der aktiven Zone, in Richtung hin zu der Ätzstruktur und in Richtung weg von der aktiven Zone. Mit anderen Worten berühren sich dann die aktive Zone und die Ätzsignalschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Ätzsignalschicht von der aktiven Zone beabstandet. Das heißt, die Ätzsignalschicht liegt einerseits zwischen der aktiven Zone und der Ätzstruktur und andererseits befindet sich zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone mindestens eine weitere Schicht der Halbleiterschichtenfolge. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich
beiderseits der Ätzsignalschicht je eine weitere Schicht, wobei diese beiden weiteren Schichten bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen eine gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Insbesondere sind diese beiden weiteren Schichten jeweils frei von dem Signalbestandteil oder der
Signalbestandteil weist in diesen weiteren Schichten
höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 1 % oder 1 » oder 10"4 oder 10"5 der Konzentration in der Ätzsignalschicht auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone eine Rampenschicht. Bevorzugt ist die Rampenschicht in der p-Schichtenfolge untergebracht. Es kann die Rampenschicht unmittelbar an die aktive Zone angrenzen. Alternativ oder zusätzlich steht die Rampenschicht auch in direktem Kontakt zu der
Ätzsignalschicht. Rampenschicht bedeutet, dass sich eine Konzentration zumindest eines Bestandteils der Rampenschicht rampenförmig ändert, entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Rampenschicht auf InAlGaP oder auf InAlGaAs. Die
Rampenschicht basiert auf In]__a_]3Al]3GaaP oder auf
In]__a_]3Al]3GaaAs mit a + b < 1. Der In-Gehalt 1-a-b ist in der Rampenschicht bevorzugt konstant, im Rahmen der
Herstellungstoleranzen .
Hierbei gilt bevorzugt an einer der aktiven Zone
nächstgelegenen Seite der Rampenschicht: 0,10 -S a oder
0,15 -S a oder 0,2 < a und/oder a -S 0,3 oder a -S 0,35 oder a -S 0,4. Dieselben Werte gelten alternativ oder zusätzlich für b. Die Summe aus a und b ist bevorzugt größer gleich 0,3 oder 0,4 oder 0,5 und/oder kleiner gleich 0,65 oder 0,6 oder 0, 55.
Für eine der aktiven Zone abgewandten Seite der Rampenschicht gilt bevorzugt a -S 0,1 oder a -S 0,05 oder a -S 0,02 oder a -S 0, 005. Alternativ oder zusätzlich gilt 0,35 -S b oder 0,4 < b oder 0,45 -S b und/oder b -S 0,65 oder b -S 0,6 oder b -S 0, 55. Gemäß zumindest einer Ausführungsform steigt der
Aluminiumgehalt b in der Rampe in Richtung weg von der aktiven Zone monoton oder streng monoton an. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Aluminiumgehalt b in der aktiven Zone kontinuierlich, also ohne Sprünge, ändern. Insbesondere ändert sich der Aluminiumgehalt b in der Rampe linear oder näherungsweise linear. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Rampenschicht eine Dicke von mindestens 50 nm oder 150 nm oder 200 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 800 nm oder 600 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip eine p-Elektrode an der p-leitenden
Schichtenfolge auf. Ferner beinhaltet der Halbleiterchip eine n-Elektrode an der n-leitenden Schichtenfolge. Die beiden Elektroden können jeweils unmittelbar an die zugehörige
Schichtenfolge angrenzen. Bevorzugt sind die beiden
Elektroden jeweils metallische Elektroden, das heißt, die Elektroden sind jeweils durch eine oder mehrere Schichten aus je einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Die p- Elektrode kann andere Materialien aufweisen als die n- Elektrode .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Elektroden oder ist zumindest eine der Elektroden zu einer Vielzahl von Streifen strukturiert. Streifen bedeutet dabei insbesondere, dass in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen eine Längsausdehnung des Streifens eine Breite des Streifens um mindestens einen Faktor 10 oder 100 übersteigt. Die einzelnen Streifen können dabei durch Verbindungsstege oder weitere Elemente miteinander und/oder mit einem
Kontaktbereich zu einer externen elektrischen Kontaktierung verbunden sein. Anstelle von Streifen kann insbesondere die p-Elektrode auch zu einer Vielzahl von kleineren
inseiförmigen Bereichen oder Inseln strukturiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Streifen und die inseiförmigen Bereiche dazu eingerichtet, Strom in die Halbleiterschichtenfolge einzuprägen. Mit anderen Worten befindet sich dann zwischen den Streifen oder inseiförmigen Bereichen und der Halbleiterschichtenfolge keine zu einer Stromisolierung vorgesehene Schicht. Eine solche
Isolationsschicht kann an den elektrischen Kontaktbereichen zur externen elektrischen Kontaktierung und/oder an den
Verbindungsstegen angebracht sein, die dann entsprechend nicht zu einer Stromeinprägung vorgesehen sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdecken sich die beiden Elektroden nicht gegenseitig, in Draufsicht gesehen.
Mit anderen Worten können die inseiförmigen Bereiche zwischen den Streifen liegen oder, im Falle zweier zu Streifen
strukturierter Elektroden, können die Elektroden kammartig ineinandergreifen, wobei sich die Streifen dann nicht
gegenseitig abdecken oder abschatten, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Ätzstruktur in der p-leitenden Schichtenfolge nur zwischen benachbarten Streifen oder inseiförmigen Bereichen der p-
Elektrode, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten ist im Bereich der Streifen oder der inseiförmigen Bereiche der p- Elektrode dann keine Ätzstruktur vorhanden. Daher kann in Draufsicht gesehen unterhalb der Streifen oder der
inseiförmigen Bereiche und der p-Elektrode die
Ätzsignalschicht vollständig vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen
benachbarten Streifen an der n-Elektrode in der n-leitenden Schichtenfolge eine Aufrauung vorhanden. Es ist möglich, dass die Ätzstruktur in der p-leitenden Schichtenfolge mit der Aufrauung in der n-leitenden Schichtenfolge stellenweise überlappt, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Dünnfilm-Halbleiterchip. Das heißt, der Halbleiterchip ist dann frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Zu einer mechanischen
Stabilisierung und bevorzugt auch zu einer elektrischen
Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge ist dann ein
Träger vorhanden, der von dem Aufwachssubstrat verschieden ist. Insbesondere befindet sich der Träger an der p-leitenden Schichtenfolge und/oder an der p-Elektrode. In diesem Fall ist bevorzugt die n-leitende Schichtenfolge zu einer
Strahlungsauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge heraus vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die n-leitende Schichtenfolge und die p-leitende Schichtenfolge dotiert. Eine Dotierstoffkonzentration liegt bevorzugt bei mindestens 1 x 1016/cmJ oder 1 x 1017/crn^ oder 1 x 10l8/cm3 und/oder bei höchstens 3 x 1016/cmJ oder 3 x 1017/crn^ oder 3 x lO^/cn^ Eine p-Dotierung erfolgt dabei beispielsweise mit Magnesium. Es können auch mehrere Dotierstoffe kombiniert vorhanden sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Ätzsignalschicht und der aktiven Zone bei mindestens 100 nm oder 200 nm oder 300 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens 800 nm oder 600 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Ätzstruktur eine mittlere Tiefe von wenigstens 0,25 ym oder 0,75 ym und/oder von höchstens 5 ym oder 3,5 ym auf. Alternativ oder zusätzlich liegt eine mittlere Breite der Ätzstruktur bei mindestens 5 ym oder 10 ym oder 20 ym und/oder bei höchstens 150 ym oder 100 ym oder 40 ym. Dabei weist die Ätzstruktur bevorzugt eine im Rahmen der Herstellungstoleranzen planare Grundfläche und schräge Seitenflächen auf. Ein Winkel zwischen den Seitenflächen und einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge liegt bevorzugt bei mindestens 15° oder 30° oder 45° oder 55° und/oder bei höchstens 85° oder 75° oder 60° oder 45°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Aufrauung eine mittlere Tiefe oder mittlere Strukturgröße oder mittlere Rauheit von mindestens 200 nm oder 250 nm oder 350 nm oder 500 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wert bei höchstens 5 ym oder 2,5 ym oder 1 ym oder 0,75 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone bei mindestens 100 nm oder 200 nm oder 300 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens 750 nm oder 500 nm oder 350 nm. Dem Abstand entspricht dabei insbesondere einer minimalen Dicke eines Materials der Halbleiterschichtenfolge zwischen der Ätzstruktur und der aktiven Zone.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Mit dem
Verfahren wird insbesondere ein optoelektronischer
Halbleiterchip hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben.
Merkmale des Halbleiterchips sind daher auch für das
Verfahren offenbart und umgekehrt. In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Ätzstruktur in der Halbleiterschichtenfolge mittels
trockenchemischen Ätzens erstellt. Bei dem Ätzen handelt es sich bevorzugt um ein Ätzen mit einem induktiv gekoppeltem Plasma .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Ätzens und während des Erzeugens der Ätzstruktur der
Signalbestandteil der Ätzsignalschicht detektiert und es wird auf diesen Signalbestandteil hin gemessen, insbesondere kontinuierlich gemessen. Das Ätzen wird durch eine Auswertung des Messens des Signalbestandteils gesteuert und/oder
beendet. Beispielsweise wird das Ätzen beendet, wenn der Signalbestandteil gemessen wird. Ebenso kann das Ätzen nach einer bestimmten Zeit nach Auftreten des Signalbestandteils beendet werden. Auch ist es möglich, das Ätzen erst zu beenden, wenn ein Messsignal des Signalbestandteils kleiner wird oder verschwindet, wenn die Ätzsignalschicht also durchätzt ist.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt; vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 5 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips . In Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Aufbau einer Halbleiterschichtenfolge 2 für einen optoelektronischen Halbleiterchip 1 dargestellt. Gezeigt ist dabei ein Anteil x eines Signalbestandteils in der Halbleiterschichtenfolge 2 entlang einer Wachstumsrichtung G der
Halbleiterschichtenfolge 2. Bei dem Halbleiterchip 1 handelt es sich dabei um einen Leuchtdiodenchip zur Erzeugung von bevorzugt gelbem oder rotem Licht.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine n-leitende
Schichtenfolge 21 auf. Abweichend von der Darstellung kann die n-leitende Schichtenfolge 21 mehrere Teilschichten aufweisen. Die n-leitende Schichtenfolge 21 basiert
beispielsweise auf InAlP. Eine Dicke der n-leitenden
Schichtenfolge 21 beträgt bevorzugt mindestens 1 ym oder 2 ym oder 3 ym und/oder höchstens 10 ym oder 7 ym oder 5 ym, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der n-leitenden
Schichtenfolge 21 eine aktive Zone 22 nach. Die aktive Zone 22 ist nur stark vereinfacht dargestellt und umfasst
bevorzugt mehrere Quantentröge sowie zwischengelagerte
Barriereschichten und bevorzugt weiterhin auch
Barriereschichten für Löcher und für Elektronen. Die aktive Zone 22 basiert auf In]__x_yAlyGaxP . Je nach
Emissionswellenlänge gilt dabei für die Quantentröge in der aktiven Zone 22, dass 0,15 -S x oder 0,2 < x und/oder x < 0,5 oder x < 0,4. Für die Barriereschichten in der aktiven Zone 22 gilt, je nach Emissionswellenlänge, bevorzugt 0,15 -S x oder 0,2 < x und/oder x < 0,4 oder x < 0,35. Ein Indiumgehalt 1-x-y liegt bei ungefähr 50 % und somit bei 0,5 mit einer Toleranz von bevorzugt höchstens 0,1 oder 0,05. Eine Dicke der aktiven Zone 22 beträgt beispielsweise mindestens 300 nm oder 100 nm und/oder höchstens 1000 nm oder 2000 nm.
Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der aktiven Zone 22 eine p-leitende Schichtenfolge 23 unmittelbar nach. Eine erste Schicht der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist dabei durch eine p-dotierte Ätzsignalschicht 24 gebildet. Eine Dicke der Ätzsignalschicht 24 liegt bevorzugt bei ungefähr 300 nm. Die Ätzsignalschicht 24 basiert auf
In^x-yAlyGaxP mit x ~ 0,05 und y ~ 0,45.
Der Ga-Gehalt x der Ätzsignalschicht 24, entsprechend dem Signalbestandteil, ist derart gewählt, dass einerseits gegenüber der aktiven Zone 22 eine effektive
Ladungsträgerbarriere gebildet ist und dass andererseits bei dem Ätzen der Halbleiterschichtenfolge 2 beim Freilegen der Ätzsignalschicht 24 ein ausreichendes Messsignal hinsichtlich des Signalbestandteils resultiert. Entsprechend ist der Ga- Anteil x vergleichsweise klein, um einen ausreichenden
Ladungsträgereinfang in der aktiven Zone 22 zu erzielen.
Entlang der Wachstumsrichtung G folgt der Ätzsignalschicht 24 eine weitere p-Schicht 25 nach. Die p-Schicht 25 basiert auf InAlP. Eine Dicke der weiteren p-Schicht 25 liegt wenigstens bereichsweise bevorzugt bei mindestens 500 nm oder 1000 nm oder 1500 nm und/oder bei höchstens 3000 nm oder 2000 nm.
Die p-leitende Schichtenfolge 23 kann an einer der aktiven Zone 22 abgewandten Seite der weiteren p-Schicht 25
zusätzliche, nicht dargestellte Schichten aufweisen,
beispielsweise zu einer besseren elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 2. Diese zusätzlichen Schichten sind zu einer Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet .
An der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist eine Ätzstruktur 3 erzeugt, siehe auch die Schnittdarstellung in Figur 5A und die schematische Draufsicht in Figur 5B. Die Ätzstruktur an der p-leitenden Schichtenfolge 23 ist in Bereichen zwischen einer zu Inseln 46 strukturierten p-Elektrode 43 erzeugt. Durch die Ätzstruktur 3 und damit durch die bereichsweise Wegnahme der p-Schicht 25, die entlang der Wachstumsrichtung G der Ätzsignalschicht 24 nachfolgt, ist eine Stromaufweitung lokal verhindert und eine Strahlungsauskopplungseffizienz ist erhöht. Anstelle von Inseln 46 kann die p-Elektrode 43, anders als gezeichnet, auch zu Streifen strukturiert sein, analog zur n-Elektrode 41.
Gemäß Figur 5A ist ein Aufwachssubstrat von der
Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt. Statt dessen ist an der p-leitenden Halbleiterschichtenfolge 23 ein Träger 6 zu einer elektrischen Kontaktierung und mechanischen Stabilisierung angebracht. An der n-leitenden Schichtenfolge 21 befindet sich eine zu Stegen 44 strukturierte n-Elektrode 41 und eine elektrische Kontaktfläche 45, insbesondere zu einer
Anbringung eines nicht gezeichneten Bond-Drahtes. Optional ist an der n-leitenden Schichtenfolge 21 eine Aufrauung 5 erzeugt. Anders als dargestellt kann zum Erzeugen der
Aufrauung 5 ebenfalls eine Ätzsignalschicht vorhanden sein.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Halbleiterchips 1 dargestellt. Gemäß Figur 2 befindet sich zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 eine p-Schicht 25a derselben Zusammensetzung wie an einer der aktiven Zone 22 abgewandten Seite der Ätzsignalschicht 24. Die p-Schichten 25a, 25b weisen somit im Rahmen der
Herstellungstoleranzen eine gleiche Materialzusammensetzung auf. Aufgrund dieser zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 liegenden p-Schicht 25a kann eine volle Barrierenhöhe hin zur aktiven Zone 22 ausgeschöpft werden, wodurch ein verbesserter Ladungsträgereinfang in der aktiven Zone 22 realisierbar ist. Eine Dicke dieser p-Schicht 25a liegt beispielsweise bei mindestens 50 nm oder 100 nm
und/oder bei höchstens 500 nm oder 400 nm, bevorzugt bei ungefähr 300 nm. Der Aufbau der Halbleiterschichtenfolge 2, wie in Figur 2 illustriert, entspricht auch dem Aufbau der Halbleiterschichtenfolge, wie in Figur 5A gezeichnet.
Im Vergleich zur Halbleiterschichtenfolge 2 gemäß Figur 1 befindet sich die Ätzsignalschicht 24 also weiter von der aktiven Zone 22 entfernt. Um dennoch eine geringe
verbleibende Dicke der p-leitenden Schichtenfolge 23 in
Bereichen mit der Ätzstruktur 3 zu erzielen ist es möglich, dass das Ätzen der Ätzstruktur 3 erst zeitverzögert nach einem Auftreten des Signalbestandteils, also Ga, erfolgt oder dass das Ätzen auf ein abfallendes Signal hin des
Signalbestandteils gestoppt hin. Wird auf Zeit überätzt, so erfolgt dies dennoch mit einer vergleichsweise hohen
Präzision, da ein Anteil der Zeit des Überätzens im Vergleich zu einer Gesamtätzzeit klein ist, sodass ein Einfluss einer schwankenden Ätzrate oder einer Dickenschwankung in der
Halbleiterschichtenfolge 2 aufgrund von Epitaxietoleranzen dementsprechend verringert ist.
Somit kann, abweichend von der Darstellung in Figur 5A, Ätzstruktur 3 auch die Ätzsignalschicht 24 stellenweise durchdringen. Ebenso kann in den Bereichen zwischen den Stegen 44 der p-Elektrode 43 die Ätzsignalschicht 24
vollständig entfernt sein.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 befindet sich zwischen der aktiven Zone 22 und der Ätzsignalschicht 24 eine
Rampenschicht 26. In der Rampenschicht 26 fällt der Ga-Anteil x entlang der Wachstumsrichtung G linear ab. Ein Indiumgehalt bleibt dabei näherungsweise konstant, sodass ein
Aluminiumanteil in der Rampenschicht 26 entlang der
Wachstumsrichtung G ansteigt. Eine Dicke der Rampenschicht 26 liegt beispielsweise bei ungefähr 300 nm. In der
Rampenschicht 26 ist also, im Gegensatz zu der
Ätzsignalschicht 24, ein Anteil von Aluminium und Gallium variiert .
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 befindet sich zwischen der Rampenschicht 26 und der Ätzsignalschicht 24 die
dazwischen liegende Schicht 25a, analog zum
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2014 107 385.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
1 optoelektronischer Halbleiterchip
2 Halbleiterschichtenfolge
21 n-leitende Schichtenfolge
22 aktive Zone
23 p-leitende Schichtenfolge
24 Ätzsignalschicht
25 p-Schicht
26 Rampenschicht
3 Ätzstruktur
41 n-Elektrode
43 p-Elektrode
44 Streifen
45 elektrische Kontaktfläche
5 Aufrauung
6 Träger
G Wachstumsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer
Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die
Halbleiterschichtenfolge (2) aufweist:
- eine n-leitende Schichtenfolge (21),
- eine p-leitende Schichtenfolge (23) ,
- eine aktive Zone (22), die zwischen der n-leitenden Schichtenfolge (21) und der p-leitenden Schichtenfolge (23) liegt,
- mindestens eine Ätzsignalschicht (24) in der p- leitenden Schichtenfolge (23) und/oder in der n- leitenden Schichtenfolge (21), und
- eine Ätzstruktur (3) an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Ätzsignalschicht (24),
wobei
- die Ätzstruktur (3) mindestens bis in die
Ätzsignalschicht (24) reicht,
- die Ätzsignalschicht (24) einen Signalbestandteil aufweist, der in einer in Richtung hin zu der
Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24)
angrenzenden Schicht (25) um mindestens einen Faktor zwei reduziert ist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die aktive Zone (22) zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist und auf InAlGaP oder auf InAlGaAs basiert,
wobei
- sich die Ätzsignalschicht (24) in der p-leitenden
Schichtenfolge (23) befindet und auf In]__x_yAlyGaxP oder auf In]__x_yAlyGaxAs basiert mit x + y < 1, - der Signalbestandteil Ga ist und 0,005 ^ x ^ 0,2,
- in der in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) an die Ätzsignalschicht (24) angrenzenden Schicht (25) der Signalbestandteil nicht vorhanden ist, und
- eine Dicke der Ätzsignalschicht (24) zwischen
einschließlich 50 nm und 800 nm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine Konzentration des Signalbestandteils in der Ätzsignalschicht (24) konstant ist, mit einer
Toleranz von höchstens 20 % einer mittleren
Konzentration des Signalbestandteils in der
Ätzsignalschicht (24).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich die Ätzsignalschicht (24) unmittelbar an die aktive Zone (22) anschließt, in Richtung hin zu der Ätzstruktur (3) .
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Ätzsignalschicht (24) von der aktiven Zone (22) beabstandet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich beiderseits der Ätzsignalschicht (24) je eine weitere Schicht (25) befindet und diese weiteren Schichten (25) eine gleiche Materialzusammensetzung aufweisen,
wobei diese weiteren Schichten (25) frei von dem
Signalbestandteil sind. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
bei dem sich zwischen der Ätzsignalschicht (24) und der aktiven Zone (22) in der p-Schichtenfolge (23) eine Rampenschicht (26) befindet, die auf In]__a_]3Al]3GaaP oder auf In^^-bA^Ga^s basiert mit a + b < 1,
wobei
- in Richtung weg von der aktiven Zone (22) in der Rampenschicht (26) der Al-Gehalt y monoton oder streng monoton ansteigt und die Rampenschicht (26) direkt an die aktive Zone (22) angrenzt,
- an der aktiven Zone (22) gilt: 0,15 ^ a ^ 0,35 und 0,15 < b < 0,35 sowie 0,4 < a + b < 0,6, und
- an einer der aktiven Zone (22) abgewandten Seite der Rampenschicht (26) gilt: a -S 0,05 und 0,4 < b -S 0,6.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich in der Rampenschicht (26) der Al-Gehalt b linear ändert und der Indium-Gehalt 1-a-b konstant ist, wobei eine Dicke der Rampenschicht (26) zwischen einschließlich 50 nm und 500 nm liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
der ferner eine p-Elektrode (43) an der p-leitenden Schichtenfolge (23) und eine n-Elektrode (41) an der n- leitenden Schichtenfolge (21) aufweist,
wobei die Elektroden (41, 43) je zu einer Vielzahl von Streifen (44) oder Inseln (46) strukturiert sind und die Streifen (44) oder die Inseln (46) beider
Elektroden (41, 42) in einem Strahlungserzeugenden Bereich, in Draufsicht gesehen, überdeckungsfrei angeordnet sind, und
wobei die Ätzstruktur (3) in der p-leitenden
Schichtenfolge (23) in dem Strahlungserzeugenden
Bereich nur zwischen benachbarten Streifen (44) oder Inseln (46) der p-Elektrode (43) vorhanden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem zwischen benachbarten Streifen (44) der n- Elektrode (41) in der n-leitenden Schichtenfolge (21) eine Aufrauung (5) vorhanden ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
der frei von einem Aufwachssubstrat der
Halbleiterschichtenfolge (2) ist,
wobei eine Strahlungsauskopplung an der n-leitenden Schichtenfolge (21) erfolgt und wobei sich ein Träger (6) an der p-leitenden Schichtenfolge (23) befindet.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem
- die Ätzsignalschicht (24) auf In]__x_yAlyGaxP mit 0,35 -S y -S 0,55 und mit 0,02 < x < 0,15 basiert und eine Dicke zwischen einschließlich 150 nm und 500 nm aufweist und mit Mg mit einer Konzentration zwischen einschließlich 1 x lO^ cm~3 unc} 3 x IQ^-Q cm~3 dotiert ist,
- die an die Ätzsignalschicht (24) angrenzende p- Schicht (25) auf In1--x_yAlyGaxP mit 0,4 < y < 0,6 und mit x -S 0,001 basiert,
- ein Abstand zwischen der Ätzsignalschicht (26) und der aktiven Zone (22) zwischen einschließlich 200 nm und 600 nm beträgt,
- die Ätzstruktur (5) eine mittlere Tiefe zwischen einschließlich 250 nm und 5 ym aufweist, und
- ein Abstand zwischen der Ätzstruktur (3) und der aktiven Zone (22) zwischen einschließlich 100 nm und 500 nm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche mit den Schritten:
- Bereitstellen der Halbleiterschichtenfolge (2) mit der n-leitenden Schichtenfolge (21), der p-leitenden Schichtenfolge (23), der aktiven Zone (22) und der Ätzsignalschicht (24),
- Erzeugen der Ätzstruktur (3) mittels
trockenchemischen Ätzens der Halbleiterschichtenfolge (2 ) , und
- Fertigstellen des Halbleiterchips (1),
wobei
- während des Ätzens auf den Signalbestandteil der Ätzsignalschicht (24) hin gemessen wird, und
- das Ätzen durch eine Auswertung des Messens des Signalbestandteils beendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem das Ätzen ein Ätzen mit induktiv gekoppeltem
Plasma ist,
wobei beim Ätzen die Ätzsignalschicht (24) stellenweise vollständig durchdrungen wird.
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