WO2020164826A1 - Verfahren zur herstellung eines bauelements und bauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Bauelement (100) mit einem Halbleiterchip (1), einem Verbindungselement (2) und einem Träger (3) angegeben, wobei der Halbleiterchip über das Verbindungselement mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbunden ist. Das Verbindungselement weist eine zusammenhängende metallische Verbindungsschicht (22) und eine Mehrzahl von metallischen Durchkontaktierungen (23) auf, die sich vertikal durch die Verbindungsschicht hindurch erstrecken und durch Isolationsbereiche (24) von der Verbindungsschicht lateral beabstandet sind. Die Isolationsbereiche sind mit einem gasförmigen Medium gefüllt und hermetisch abgeschlossen, wobei das gasförmige Medium ein Isoliergas enthält, das im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist, oder in den hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen ein Gasdruck (P) herrscht, der kleiner als 1 mbar ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements angegeben.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUELEMENTS UND
BAUELEMENT
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, insbesondere eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Darüber hinaus wird ein Bauelement, insbesondere ein
optoelektronisches Bauelement angegeben.
Zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen
Verbindung zwischen einem zum Beispiel pixelierten
Halbleiterchip und einem zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips eingerichteten Träger etwa in Form eines Aktivmatrixelements kann ein Verbindungselement mit einer Vielzahl von Durchkontaktierungen Anwendung finden. Die
Dichte der Durchkontaktierungen hängt in der Regel von der Pixelgröße sowie von den lateralen Abständen zwischen den benachbarten Pixeln ab. Bei einer besonders hohen Pixeldichte stellt die elektrische Isolierung der Durchkontaktierungen eine besondere technische Herausforderung dar.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein besonders
kostengünstiges und vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines kompakten Bauelements anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein kompaktes Bauelement mit besonders zuverlässigen elektrischen Verbindungen anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren und das Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere
Ausgestaltungen des Bauelements oder des Verfahrens sind Gegenstand der weiteren Ansprüche. Gemäß zumindest einer Aus führungs form eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements werden ein Halbleiterchip, ein Verbindungselement und ein Träger bereitgestellt. Der Träger ist insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des
Halbleiterchips eingerichtet. Das Verbindungselement kann zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger angebracht werden und somit eine mechanische und elektrische Verbindung
zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger hersteilen.
Insbesondere wird das Verbindungselement direkt an den
Halbleiterchip und direkt an den Träger angebracht, sodass das Bauelement frei von zusätzlichen Schichten, insbesondere frei von weiteren Haftungsschichten ist, die in vertikaler Richtung zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger
angeordnet sind. Zum Beispiel weist das Verbindungselement Haftvermittleroberflächen auf, die nach dem Befestigen des Verbindungselements am Halbleiterchip und/oder am Träger unmittelbar an den Halbleiterchip und/oder an den Träger angrenzen. Die Haftvermittleroberfläche des
Verbindungselements ist insbesondere durch Oberfläche einer Haftvermittlerschicht aus einem Haftvermittlermaterial, zum Beispiel aus einem Lotmaterial gebildet.
Unter einer vertikalen Richtung wird allgemein eine Richtung verstanden, die quer insbesondere senkrecht, zu einer
Haupterstreckungsfläche des Verbindungselements gerichtet ist. Unter einer lateralen Richtung wird demgegenüber eine Richtung verstanden, die entlang, insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Verbindungselements verläuft. Die vertikale Richtung und die laterale Richtung sind
senkrecht zueinander.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterchips weist dieser eine Mehrzahl von aktiven Bereichen, insbesondere von individuell ansteuerbaren aktiven Bereichen auf. Die aktiven Bereiche können als Bildpunkte ausgeführt sein. Zum Beispiel ist der Halbleiterchip in eine Mehrzahl von in lateraler Richtung nebeneinander angeordneten, einzeln und unabhängig ansteuerbaren Bildpunkten (Englisch: pixels) untergliedert. Der Halbleiterchip kann ein pixelierter und/oder segmentierter Halbleiterchip sein. Über eine
Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips, die
beispielsweise eine parallel zur lateralen Richtung
verlaufende Hauptseite des Halbleiterchips bildet, kann im Betrieb vom Halbleiterchip erzeugte Strahlung aus dem
Halbleiterchip emittiert werden, wobei jeder Bildpunkt einen Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche darstellen kann.
Die Strahlungsaustrittsfläche bildet zum Beispiel ein
Display. Alternativ ist es möglich, dass die aktiven Bereiche zur Detektion von elektromagnetischen Strahlungen
eingerichtet sind.
Der Halbleiterchip kann ein funktionelles Halbleiterplättchen mit integrierter Kontaktstruktur aus Kontakten und/oder
Schaltungen sein. Bevorzugt ist ein Halbleiterchip ein eigenes und separat handhabbares Modul, das auf einen Träger aufgesteckt oder aufgelötet oder aufgeklebt werden kann und auf diese Weise elektrisch kontaktiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist dieser eine erste Halbleiterschicht eines ersten
Ladungsträgertyps, eine zweite Halbleiterschicht eines von dem ersten Ladungsträger verschiedenen zweiten
Ladungsträgertyps und eine dazwischenliegende, zur
Strahlungserzeugung oder zur Strahlungsdetektion
eingerichtete aktive Schicht auf. Die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht können eine n-leitende Halbleiterschicht beziehungsweise eine p-leitende
Halbleiterschicht sein, oder umgekehrt. Die aktive Schicht bildet zum Beispiel eine pn-Übergangszone . Die
Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III- V- oder I I-VI-Verbindungshalbleitermaterial . Die aktive
Schicht ist beispielsweise dazu eingerichtet, im Betrieb des Halbleiterchips oder des Bauelements elektromagnetische
Strahlung im UV-Bereich, im sichtbaren Spektralbereich, etwa im blauen Spektralbereich, und/oder im Infrarotbereich zu emittieren oder in elektrische Signale umzuwandeln.
Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge als Ganze entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips zusammenhängend ausgeführt. Es ist möglich, dass zumindest eine Schicht aus der Gruppe aus der ersten Halbleiterschicht, der zweiten Halbleiterschicht und der aktiven Schicht oder alle Schichten dieser Gruppe zusammenhängend ausgeführt ist/sind. Die Halbleiterschichtenfolge wird weiterhin als zusammenhängend angesehen, wenn zumindest eine der oben genannten Schichten zusammenhängend ausgeführt ist, während die anderen Schichten der oben genannten Gruppe etwa durch Trenngräben in eine Mehrzahl von einander lateral
beabstandeten Teilschichten unterteilt sind.
Zum Beispiel erstrecken sich die Trenngräben durch die erste oder zweite Halbleiterschicht hindurch in die aktive Schicht hinein. Auch ist es möglich, dass sich die Trenngräben durch die aktive Schicht hindurch erstrecken und die aktive Schicht in eine Mehrzahl von lateral beabstandeten aktiven
Teilschichten zertrennen. Durch die Trenngräben können die Teilschichten, insbesondere die aktiven Teilschichten, voneinander unabhängig elektrisch kontaktiert und angesteuert werden. Auch in Abwesenheit der Trenngräben ist es allerdings aufgrund der relativ geringen elektrischen Querleitfähigkeit der Halbleiterschichten, insbesondere der p-leitenden
Halbleiterschicht, möglich, lokale Regionen der aktiven
Schicht gezielt zu aktivieren. Dies erfolgt insbesondere durch Anbringen einer strukturierten Kontaktschicht mit räumlich beabstandeten Kontaktelementen, die jeweils zur elektrischen Kontaktierung unterschiedlicher Teilbereiche einer Halbleiterschicht oder der aktiven Schicht eingerichtet sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verbindungselement eine zusammenhängende metallische Verbindungsschicht, die von einer Mehrzahl von in lateraler Richtung nebeneinander angeordneten metallischen
Durchkontaktierungen vollständig durchdrungen ist. Die
Durchkontaktierungen können in Form metallischer und
elektrisch leitfähiger Stifte ausgeführt sein, die sich insbesondere durch die Verbindungsschicht hindurch
erstrecken. „Metallisch" kann hier und im Folgenden bedeuten, dass das entsprechende metallische Element zu zumindest 70 Massen-%, 90 Massen-% oder 99 Massen-% aus Metall besteht.
Die Verbindungsschicht ist insbesondere zusammenhängend aber nicht einfach zusammenhängend ausgebildet und weist
lochartige Durchbrüche auf. In Draufsicht auf eine Oberseite der Verbindungsschicht sind die Durchkontaktierungen dann lateral vollständig von der Verbindungsschicht umgeben.
Beispielsweise ist in jedem Durchbruch nur eine einzige
Durchkontaktierung angeordnet. Es ist jedoch möglich, dass in jedem Durchbruch genau zwei Durchkontaktierungen angeordnet sind, welche zur elektrischen Kontaktierung eines gemeinsamen aktiven Bereichs, insbesondere eines gemeinsamen Bildpunkts vorgesehen sind. Die zwei Durchkontaktierungen in dem gemeinsamen Durchbruch sind insbesondere verschiedenen elektrischen Polaritäten zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Durchkontaktierungen durch Isolationsbereiche von der
Verbindungsschicht elektrisch isoliert und beabstandet. Die Isolationsbereiche verhindern dabei, dass es zu einem
direkten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen der Verbindungsschicht und den Durchkontaktierungen oder zwischen den Durchkontaktierungen in einem gemeinsamen Durchbruch kommt. Die Isolationsbereiche sind insbesondere als Hohlräume zwischen den Durchkontaktierungen und der Verbindungsschicht ausgeführt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Träger ein Aktivmatrixelement. Das Aktivmatrixelement kann auf einem Halbleitermaterial, etwa auf Si oder Ge, oder auf einem Halbleiterverbundmaterial GaN oder GaAs basieren.
Bevorzugt ist der Träger dabei selbsttragend ausgeführt und bildet beispielsweise für das optoelektronische Bauelement die mechanisch stabilisierende Komponente.
Ferner kann das Aktivmatrixelement eine Mehrzahl von
Schaltern aufweisen. Jeder Schalter kann dabei beispielsweise ein Transistor wie ein Dünnfilmtransistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, sein. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Aktivmatrixelement um ein Metall-Oxid-Halbleiter- Bauelement, bekannt als CMOS-Bauelement .
Jeder Schalter kann über eine der Durchkontaktierungen des Verbindungselements eindeutig oder eineindeutig einem aktiven Bereich, insbesondere mit einem Bildpunkt des Halbleiterchips zugeordnet und elektrisch leitend mit diesem aktiven Bereich verbunden sein. Jede Durchkontaktierung ist insbesondere mit einem elektrischen Kontaktelement des Halbleiterchips, insbesondere des zugeordneten aktiven Bereichs, und/oder mit einem elektrischen Kontaktelement des Trägers, insbesondere des zugeordneten Schalters, elektrisch leitend verbunden.
Über die zugeordnete Durchkontaktierung kann also der
entsprechende aktive Bereich elektrisch kontaktiert werden.
Im Betrieb des Bauelements ist es insbesondere möglich, über die Schalter die aktiven Bereiche einzeln und unabhängig voneinander oder gruppenweise mit elektrischem Strom zu versorgen und somit elektrisch anzusteuern.
In mindestens einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements werden ein Halbleiterchip, ein Verbindungselement und ein Träger bereitgestellt. Das
Verbindungselement weist eine zusammenhängende metallische Verbindungsschicht und eine Mehrzahl von metallischen
Durchkontaktierungen auf, wobei die Durchkontaktierungen durch Isolationsbereiche von der Verbindungsschicht lateral beabstandet sind. Zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger wird das Verbindungselement umgeschmolzen, wobei die Isolationsbereiche mit einem gasförmigen Medium gefüllt und hermetisch abgeschlossen werden. Die Aufheizung des
Verbindungselements wird insbesondere in einer Heizkammer bei einem ersten Gasdruck durchgeführt. Zur Erzielung einer verbesserten Durchschlagfestigkeit der Isolationsbereiche kann das gasförmige Medium ein Isoliergas enthalten, das im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist. Alternativ oder ergänzend kann der erste Gasdruck vor der hermetischen Abdichtung der Isolationsbereiche gesenkt werden, sodass in den darauffolgenden hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen ein Gasdruck herrscht, der kleiner als der erste Gasdruck ist. Insbesondere ist der Gasdruck in den abgeschlossenen Isolationsbereichen kleiner als 1 mbar.
Zum Beispiel wird der erste Gasdruck, der insbesondere für eine effiziente thermische Ankopplung benötigt wird,
unmittelbar vor der hermetischen Abdichtung der
Isolationsbereiche reduziert, etwa unmittelbar nach dem
Erreichen der Schmelztemperatur oder der Solidustemperatur des Materials der Verbindungsschicht und/oder der
Durchkontaktierungen. Werden die Isolationsbereiche bei einem reduzierten Gasdruck hermetisch abgedichtet, herrscht in den darauffolgenden hermetisch abgeschlossenen
Isolationsbereichen der reduzierte Gasdruck, der kleiner als der ursprüngliche erste Gasdruck ist.
Es wurde festgestellt, dass die kritische elektrische
Feldstärke für dielektrischen Durchbruch für eine vorgegebene Geometrie der Isolationsbereiche im Wesentlichen von der Gasfüllung der Isolationsbereiche und von dem darin
herrschenden Druck abhängt. In sehr geringen Druckbereichen steigt die Durchbruchfeldstärke der Gasfüllung mit der
Reduzierung des Gasdrucks. Zudem hängt die
Durchbruchfeldstärke direkt von der Zusammensetzung der
Gasfüllung ab. Insbesondere wird die Durchbruchfeldstärke der Gasfüllung stark erhöht, wenn diese ein Gasgemisch ist, das ein Isoliergas wie SF6 oder C5F10O oder ein anderes
fluoriertes Gas aufweist oder im Wesentlichen aus einem solchen Isoliergas besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Halbleiterchip eine Mehrzahl von aktiven Bereichen, etwa in Form von individuell ansteuerbaren Bildpunkten auf. Der Träger umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von Schaltern, die zur Ansteuerung der aktiven Bereiche vorgesehen sind. Die aktiven Bereiche können über die Durchkontaktierungen mit den
Schaltern elektrisch leitend verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Umschmelzen des Verbindungselements in einer Heizkammer durchgeführt, wobei die thermische Ankopplung eines
Heizblocks der Heizkammer an das Verbindungselement bei dem ersten Gasdruck stattfindet, der zwischen einschließlich 1 mbar und 2000 mbar ist, zum Beispiel zwischen einschließlich 100 mbar und 2000 mbar, 150 mbar und 1500 mbar, 200 mbar und 1200 mbar oder zwischen einschließlich 300 mbar und 1000 mbar .
Für die thermische Ankopplung kann ein Trägergas wie H2 oder N2 in die Heizkammer zugeführt werden. Es ist möglich, dass das Isoliergas, etwa ein fluoriertes Gas wie SF6 oder C5F10O, bereits mit dem Trägergas oder erst während des
Umschmelzprozesses nachträglich in die Heizkammer
beziehungsweise in die Isolationsbereiche zugeführt wird, zum Beispiel unmittelbar vor der hermetischen Abdichtung der Isolationsbereiche. Insbesondere nach einem Reinigungsprozeß und etwa kurz vor dem Erreichen der Schmelztemperatur oder der Solidustemperatur des Materials der Verbindungsschicht und/oder der Durchkontaktierungen wird die Heizkammer mit dem Isoliergas geflutet, welches im Vergleich zur Umgebungsluft oder zum Sauerstoff oder Stickstoff eine höhere
Durchbruchfeldstärke aufweist. Im Zweifel werden zum
Vergleich die Durchbruchfeldstärken bei Normalbedingung oder bei dem in den Isolationsbereichen tatsächlich herrschenden Gasdruck etwa bei einer Temperatur von 20 °C bestimmt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das gasförmige Medium, das bevorzugt das Isoliergas enthält, in den Isolationsbereichen eingeschlossen, sodass in den
hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen der erste Gasdruck herrscht. Der erste Gasdruck ist im Wesentlichen der Gasdruck, der für die thermische Ankopplung des Heizblocks der Heizkammer an das Verbindungselement eingerichtet ist. Insbesondere wird die Schmelztemperatur oder die
Solidustemperatur der Verbindungsschicht beziehungsweise der Durchkontaktierungen bei dem ersten Gasdruck erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Gasdruck gesenkt, insbesondere auf den Gasdruck, der in in Isolationsbereichen eingeschlossen wird. Der Gasdruck in den Isolationsbereichen ist beispielsweise zwischen
einschließlich 1 mbar und 107 mbar. Mit anderen Worten wird der erste Gasdruck insbesondere unmittelbar vor der
hermetischen Abdichtung auf den in den darauffolgenden in den Isolationsbereichen eingeschlossenen Gasdruck reduziert. Zum Beispiel ist der Gasdruck in den Isolationsbereichen zwischen einschließlich 1 mbar und ICH5 mbar, zwischen einschließlich 1 mbar und ICH3 mbar oder zwischen einschließlich 0,1 mbar und 105 mbar, zum Beispiel zwischen einschließlich 0,01 mbar und 105 mbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Aufheizung des Verbindungselements ein Trägergas
verwendet, wobei vor der hermetischen Abdichtung der
Isolationsbereiche das Isoliergas, welches verschieden von dem Trägergas ist, in die Isolationsbereiche zugeführt wird. Das in den Isolationsbereichen eingeschlossenes gasförmiges Medium kann ein Gasgemisch aus dem Trägergas und dem Isoliergas sein. Insbesondere kann das Gasgemisch zum Teil Umgebungsluft aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Halbleiterchip ein Aufwachssubstrat auf, das vor dem Verbinden des Halbleiterchips mit dem Verbindungselement als mechanisch stabilisierendes Substrat des Halbleiterchips dient. Nach der Befestigung des Halbleiterchips an dem
Verbindungselement wird das Aufwachssubstrat bevorzugt gedünnt, strukturiert oder von dem Halbleiterchip entfernt. Die Bearbeitung des Aufwachssubstrats kann vor oder nach der Befestigung des Verbindungselements an dem Träger
durchgeführt werden. Das Verbindungselement dient somit als mechanisch stabilisierender Zwischenträger des Bauelements. Auf einen weiteren Hilfsträger, der die
Halbleiterschichtenfolge bei der Strukturierung oder
Entfernung des Aufwachssubstrats mechanisch stabilisiert, kann verzichtet werden.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips kann durch ein Epitaxie-Verfahren auf dem Aufwachssubstrat aufgebracht sein. Zum Beispiel ist die n-leitende Halbleiterschicht zwischen dem Aufwachssubstrat und der aktiven Schicht
angeordnet. Wird das Aufwachssubstrat gedünnt, strukturiert oder vom Halbleiterchip abgelöst, lassen sich besonders gute Hell-Dunkel-Kontraste zwischen benachbarten Bildpunkten sowie eine hohe Effizienz des Halbleiterchips verwirklichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Verbindungselement bereits bei der Bereitstellung an dem Halbleiterchip oder an dem Träger befestigt. Zum Beispiel wurde das Verbindungselement zuvor direkt auf den
Halbleiterchip oder auf den Träger strukturiert aufgebracht. Es ist auch denkbar, dass das Verbindungselement durch flächiges Aufbringen einer Schicht und durch teilweises
Entfernen dieser Schicht gebildet wird. Außerdem ist es möglich, dass das Verbindungselement zuvor mit dem
Halbleiterchip oder mit dem Träger befestigt wurde. Es ist auch denkbar, dass das Verbindungselement bei der
Bereitstellung zwei getrennte Teilbereiche aufweist, wobei ein Teilbereich an dem Halbleiterchip befestigt oder direkt auf dem Halbleiterchip gebildet ist, und wobei der andere Teilbereich an dem Träger befestigt oder direkt auf dem
Träger gebildet ist. Jeder der Teilbereiche kann eine
Teilverbindungsschicht und mehrere Teildurchkontaktierungen aufweisen. Das Umschmelzen des Verbindungselements führt insbesondere dazu, dass die getrennten Teilbereiche
zusammengeführt werden, wodurch eine mechanische und
elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger hergestellt wird.
Es wird ein Bauelement mit einem Halbleiterchip, einem
Verbindungselement und einem Träger angegeben. Die oben beschriebenen Verfahren sind zur Herstellung eines hier beschriebenen Bauelements besonders geeignet. Die im
Zusammenhang mit dem Bauelement beschriebenen Merkmale können daher für die Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform eines Bauelements umfasst dieses einen Halbleiterchip, ein Verbindungselement und einen Träger, wobei der Halbleiterchip über das Verbindungselement, insbesondere direkt über das Verbindungselement, mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbunden ist. Das
Verbindungselement weist eine zusammenhängende metallische Verbindungsschicht und eine Mehrzahl von metallischen
Durchkontaktierungen auf, die sich vertikal durch die Verbindungsschicht hindurch erstrecken und durch
Isolationsbereiche von der Verbindungsschicht lateral beabstandet sind. Die Isolationsbereiche sind mit einem gasförmigen Medium gefüllt und hermetisch abgeschlossen, wobei das gasförmige Medium ein Isoliergas enthält, das im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist. Alternativ oder ergänzend kann das Bauelement derart ausgeführt sein, dass in den hermetisch
abgeschlossenen Isolationsbereichen ein Gasdruck herrscht, der kleiner als 1 mbar ist. Der Halbleiterchip weist zum Beispiel eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren aktiven Bereichen in Form von Bildpunkten auf. Der Träger enthält eine Mehrzahl von Schaltern, die zur Ansteuerung der aktiven Bereiche eingerichtet sind, wobei wobei die aktiven Bereiche über die Durchkontaktierungen mit den Schaltern elektrisch leitend verbunden sind.
Sind die Isolationsbereiche mit einem solchen Isoliergas gefüllt und/oder herrscht in den hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen lediglich ein solcher geringer Gasdruck, weisen die Isolationsbereiche ausreichend große
Durchbruchfeldstärke auf, sodass ein minimaler lateraler Abstand zwischen den Durchkontaktierungen oder zwischen der Verbindungsschicht und den Durchkontaktierungen besonders klein gewählt werden kann. Bis auf Herstellungstoleranzen wird der kleinste zulässige Isolationsabstand durch das Befüllen mit dem Isoliergas und/oder durch den geringen
Gasdruck signifikant reduziert, sodass eine höhere Dichte an Durchkontaktierungen ohne erhöhtes Risiko bezüglich eines möglichen elektrischen Kurzschlusses erzielt werden kann. Anders ausgedrückt kann zum Beispiel bei einer 3D-Integration eines Halbleiterchips mit einem Aktivmatrixelement ein gesondert gefertigtes Verbindungselement verwendet werden, wobei ein Isolationsabstand zwischen einer nicht einfach zusammenhängenden Verbindungsschicht des Verbindungselements und einer Mehrzahl von Durchkontaktierungen des
Verbindungselements signifikant verringert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist jede der Durchkontaktierungen in lateralen Richtungen von dem gasförmigen Medium vollständig umgeben. Das gasförmige Medium bewirkt die elektrische Isolation zwischen den
Durchkontaktierungen und zwischen der Verbindungsschicht und den Durchkontaktierungen. Zwischen den Durchkontaktierungen und/oder zwischen der Verbindungsschicht und den
Durchkontaktierungen ist das Bauelement insbesondere frei von einem Material in festem oder flüssigem Aggregatzustand etwa frei von einem Kunststoff, einem Polymer oder frei von einem Siliziumoxid wie S1O2 oder von einem Siliziumnitrid wie SiN. Insbesondere kann das Verbindungselement zu zumindest 50 Vol ts, 60 Vol-% oder 75 Vol-% oder 85 Vol-% aus einem Metall bestehen. Der restliche Anteil des Verbindungselements kann mindestens 15 Vol-%, 25 Vol-%, 30 Vol-% oder mindestens 40 Vol-% und beispielsweise durch die Isolationsbereiche gebildet sein. Es ist möglich, dass das Verbindungselement ausschließlich aus metallischen Materialien und den mit dem gasförmigen Medium gefüllten Isolationsbereichen besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens ist das Isoliergas ein fluoriertes Gas, zum Beispiel Schwefelhexafluorid SF6 und/oder
Perfluorovalerylfluorid C5F10O oder ein anderes im Hinblick auf die Durchbruchfeldstärke zumindest gleichwertiges
Isoliergas. Aus Umweltschutzgesichtspunkten ist C5F10O gegenüber SF6 bevorzugt. Weitere fluorierte Gase sind zum Beispiel CF3I oder C-C4F8, Perfluoroketone (PFK) , z.B. C5-PFK oder CF3COCF (CF3) 2 und Perfluornitrilen (PFN) , z.B. C4-PFN oder (CF3) CFCN), Chlorotrifluoroethan (CF3CHC12) ,
1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-Heptafluoro-3-Trifluoromethyl-2-Butanon
( (CF3) 2CFC (0) CF3) oder 2, 3, 3, 3-Tetrafluoro-2-Trifluoromethyl- Propanenitril ( (CF3)2CFCN) .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements ist das gasförmige Medium ein Gasgemisch, wobei das Isoliergas einen Stoffmengenanteil insbesondere zwischen einschließlich 30 Mol-% und 99 Mol-%, 50 Mol-% und 99 Mol-%, 70 Mol-% und 99 Mol-% oder zwischen einschließlich 90 Mol-% und 99 Mol-% aufweist. Die Beimengung weniger gut isolierender Gase beträgt bevorzugt weniger als 1 Mol-%, weniger als 10 Mol-% oder weniger als 50 Mol-%.
Zum Beispiel kann das Gasgemisch neben einem fluorierten Gas wie C5F10O und/oder SF6 andere Gase wie N2, C02, CF4, 02
und/oder H2 enthalten.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements enthält das gasförmige Medium das Isoliergas, welches im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist, wobei der Gasdruck in den Isolationsbereichen zwischen einschließlich 1 mbar und 2000 mbar ist.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements ist das gasförmige Medium frei von einem Isoliergas, das im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist, wobei der Gasdruck in den Isolationsbereichen zwischen einschließlich 1 mbar und 107 mbar ist.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements enthält das gasförmige Medium Stickstoff, dessen Stoffmengenanteil in den Isolationsbereichen mindestens 60 Mol-%, 70 Mol-%, 80 Mol-%, 90 Mol-% oder mindestens 95 Mol-% ist, wobei der
Gasdruck in den Isolationsbereichen zwischen einschließlich 1 mbar und 107 mbar ist. Bei einem derart geringen Gasdruck kann das gasförmige Medium, das insbesondere vorwiegend oder ausschließlich aus Stickstoff besteht, eine ausreichende Durchbruchfeldstärke aufweisen, sodass ein minimaler
lateraler Abstand zwischen den Durchkontaktierungen oder zwischen den Durchkontaktierungen und der Verbindungsschicht besonders klein gewählt werden kann.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements oder des Verfahrens weist das in den Isolationsbereichen
eingeschlossene gasförmige Medium eine mittlere
Durchbruchfeldstärke Em auf. Das Verbindungselement weist einen minimalen lateralen Abstand Dmin und einen mittleren lateralen Abstand Dm zwischen der Verbindungsschicht und den jeweiligen Durchkontaktierungen auf. Insbesondere ist das Produkt Dmin*Em zwischen einschließlich 0,5 V und 10 V, zum Beispiel zwischen einschließlich 2 V und 10 V, 3 V und 10 V,
4 V und 10 V oder zwischen einschließlich 6 V und 10 V.
Bevorzugt ist das Verhältnis Dm/Dmin zwischen einschließlich 1 und 4, zum Beispiel zwischen einschließlich 1,5 und 4 etwa zwischen einschließlich 2 und 4.
Weist das Verbindungselement zum Beispiel genau zwei oder mehrere Durchkontaktierungen in einem gemeinsamen Durchbruch auf, kann das Produkt Dmin*Em ebenfalls zwischen
einschließlich 0,5 V und 10 V und das Verhältnis Dm/Dmin zwischen einschließlich 1 und 4 sein, wobei Dmin und Dm ein minimaler lateraler Abstand beziehungsweise ein mittlerer lateraler Abstand zwischen benachbarten Durchkontaktierungen in den jeweiligen gemeinsamen Durchbrüchen sind. Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements oder des Verfahrens sind die Verbindungsschicht und die
Durchkontaktierungen aus einem Lotmaterial oder aus
Lotmaterialien gebildet. Die Verbindungsschicht und die
Durchkontaktierungen können die gleiche
Materialzusammensetzung aufweisen. Insbesondere sind sie aus dem gleichen Material oder aus gleichen Materialien gebildet.
Sind die Verbindungsschicht und die Durchkontaktierungen zumindest teilweise aus einem Haftvermittlermaterial, etwa aus einem Lotmaterial, gebildet, kann der Halbleiterchip direkt über das Verbindungselement mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbunden werden. Das Verbindungselement kann direkt an den Halbleiterchip und/oder an den Träger
angrenzen. Insbesondere ist das Bauelement frei von weiteren Schichten, etwa frei von weiteren Haftvermittlerschichten, die nicht als Bestandteile des Halbleiterchips, des
Verbindungselements und/oder des Trägers ausgeführt und zwischen dem Verbindungselement und dem Halbleiterchip und/oder zwischen dem Verbindungselement und dem Träger angeordnet sind. Mit anderen Worten kann das
Verbindungselement als einzige Schicht oder als einziger Schichtenstapel zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger ausgeführt sein. Insbesondere ist der Halbleiterchip
ausschließlich durch Bildung einer metallischen Verbindung, etwa einer Lotverbindung insbesondere aus rein eutektischen Lotsystemen, oder einer rein intermetallischen Verbindung permanent mit dem dem Träger fixiert.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Bauelements oder des Verfahrens ist jeder aktive Bereich genau einer der
Durchkontaktierungen oder genau einem Paar aus zwei
benachbarten Durchkontaktierungen eineindeutig zugeordnet. Die aktiven Bereiche sind insbesondere über die
Durchkontaktierungen mit den Schaltern elektrisch leitend verbunden und können im Betrieb des Halbleiterchips über die Schalter individuell oder gruppenweise ansteuerbar ausgeführt sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens weist der Halbleiterchip eine
Halbleiterschichtenfolge mit einer zur Strahlungserzeugung oder zur Strahlungsdetektion eingerichteten aktiven Schicht auf, wobei die aktive Schicht entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips zusammenhängend ausgeführt ist. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die
Halbleiterschichtenfolge eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine dazwischenliegende und zur Strahlungserzeugung oder zur Strahlungsdetektion
eingerichtete aktive Schicht aufweist, wobei zumindest eine dieser Schichten etwa durch Trenngräben in eine Mehrzahl von einander lateral beabstandeten Teilschichten unterteilt ist. Es ist möglich, dass nur die erste Halbleiterschicht oder nur die zweite Halbleiterschicht in eine Mehrzahl von lateral beabstandeten Teilschichten unterteilt ist. Zusätzlich ist es denkbar, die aktive Schicht zusammen mit der ersten oder zweiten Halbleiterschicht in eine Mehrzahl von einander lateral beabstandeten aktiven Teilschichten unterteilt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens ist das Bauelement als optoelektronisches Bauelement ausgeführt. Das Bauelement kann einen einzigen Halbleiterchip oder eine Mehrzahl von Halbleiterchips
aufweisen, die insbesondere auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Zur Befestigung der Halbleiterchips auf dem Träger kann ein gemeinsames Verbindungselement oder eine Mehrzahl von solchen nebeneinander angeordneten
Verbindungselementen verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist das Verbindungselement eine Oberseite und eine Unterseite auf. Insbesondere sind die Oberseite und die Unterseite durch Oberflächen der Verbindungsschicht und/oder der
Durchkontaktierungen gebildet. Die Verbindungsschicht kann in vertikaler Richtung bündig mit der Oberseite und/oder der Unterseite abschließen. Der Halbleiterchip kann in einem Auflagebereich in direktem Kontakt mit der Oberseite des Verbindungselements und mit diesem mechanisch stabil
verbunden sein. Die Durchkontaktierungen sind durch
Isolationsbereiche von der Verbindungsschicht und/oder voneinander elektrisch isoliert. Der Halbleiterchip kann durch das Verbindungselement mechanisch stabil und elektrisch leitend mit dem direkt an der Unterseite des
Verbindungselements befindlichen Träger verbunden sein. Die Verbindungschicht kann einer der elektrischen Polaritäten des Bauelements zugeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass die Verbindungsschicht von dem Halbleiterchip elektrisch isoliert ist und lediglich als stabilisierende Schicht für den Halbleiterchip und als elektrische Abschirmung für die innenliegenden Durchkontaktierungen dient. Bevorzugt liegt das Verbindungselement großflächig auf dem Halbleiterchip auf. Auf diese Weise kann das Verbindungselement gleichzeitig als Kühlelement dienen, um die im Betrieb von dem
Halbleiterchip erzeugte Wärme effektiv zum Beispiel über den Träger abzuführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens beträgt die Fläche des Auflagebereichs in Draufsicht auf den Halbleiterchip mindestens 7/12 oder 3/4 oder 5/ 6 der Fläche einer der Oberseite zugewandten
Montageseite des Halbeiterchips. Die Montageseite erstreckt sich beispielsweise über die gesamte laterale Ausdehnung des Halbleiterchips. Über einen solchen Flächenanteil wird dann der Halbleiterchip mechanisch von dem Verbindungselement getragen oder gestützt. Ein solch großflächiger
Auflagebereich, in dem festes Material des Halbleiterchips mit festem Material des Verbindungselements in direktem
Kontakt steht, sorgt insbesondere für eine effektive
Wärmeabfuhr der im Halbleiterchip erzeugten Wärme.
Insbesondere weist der Halbleiterchip vor der Befestigung auf dem Verbindungselement freizugängliche Kontaktelemente auf der Montageseite auf, wobei die Kontaktelemente nach der Befestigung des Halbleiterchips auf dem Verbindungselement unmittelbar an die Durchkontaktierungen oder an die
Verbindungsschicht angrenzen können. Die Kontaktelemente sind insbesondere als freizugängliche Bestandteile oder
freizugängliche Schichten einer Kontaktstruktur des
Halbleiterchips ausgeführt. Die Kontaktstruktur kann
unmittelbar an die Halbleiterschichtenfolge angrenzen, sodass der Halbleiterchip insbesondere frei von weiteren mechanisch selbsttragenden Schichten ist, die in der vertikalen Richtung etwa zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der
Kontaktstruktur oder zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Montageseite angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens sind die Durchkontaktierungen mit ersten
Kontaktelementen des Trägers in direktem elektrischem und mechanischem Kontakt. Insbesondere unterscheiden sich die Kontaktelemente des Halbleiterchips oder des Trägers von den Durchkontaktierungen des Verbindungselements zum Beispiel hinsichtlich der Materialzusammensetzung. Des Weiteren sind die Durchkontaktierungen entlang der vertikalen Richtung insbesondere nicht einstückig mit den Kontaktelementen des Halbleiterchips und/oder des Trägers ausgebildet, sondern grenzen lediglich an diese an. Mikroskopisch sind zum
Beispiel Grenzflächen zwischen den Durchkontaktierungen und den zugehörigen Kontaktelementen erkennbar.
Entlang der vertikalen Richtung können die Verbindungsschicht und/oder die Durchkontaktierungen jeweils einen
Mehrschichtenaufbau aus mehreren übereinanderliegenden und verschiedenen metallischen Einzelschichten aufweisen. Zum Beispiel umfasst der Mehrschichtenaufbau eine Au/AuSn-, Cr/Ni/Sn/Ti/Au-, Ti/Pt/Sn/In- oder Ti/Pt/Sn/Ti/Au- Schichtenfolge . Die Ti-Schicht ist insbesondere als temporäre Barriere eingerichtet. Die außenliegenden Schichten der
Verbindungsschicht und/oder der Durchkontaktierungen sind bevorzugt aus einem Lotmaterial gebildet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Verbindungsschicht und/oder bei den Durchkontaktierungen um Lotelemente, die in einem Lötprozess aufgeschmolzene und anschließend ausgehärtete Regionen aufweisen. Beispielsweise liegt der Schmelzpunkt der
Verbindungsschicht und/oder der Durchkontaktierungen bei mindestens 180 °C, 250 °C, 280 °C oder 350 °C bis 450 °C (Weichlot) oder bei mindestens 450 °C (Hartlot) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Verbindungsschicht elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip oder mit jedem aktiven Bereich verbunden. Die
Verbindungsschicht kann beispielsweise für alle aktiven
Bereiche einen gemeinsamen Gegenkontakt zu den
Durchkontaktierungen bilden. Im Betrieb können über die
Durchkontaktierungen und über den Gegenkontakt elektrische Ladungsträger in den Halbleiterchip injiziert werden. Über die Durchkontaktierungen können die aktiven Bereiche einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Verbindungsschicht elektrisch von dem Halbleiterchip isoliert und bildet keinen elektrischen Kontakt zu dem Halbleiterchip. Auf der Montageseite in Region der Verbindungsschicht kann der Halbleiterchip dann beispielsweise eine isolierende
Schicht aufweisen, die die Verbindungsschicht von dem
Halbleiterchip elektrisch isoliert. Die isolierende Schicht überdeckt dann in Draufsicht die Verbindungsschicht. In
Regionen der Durchkontaktierungen ist der Halbleiterchip insbesondere frei von der isolierenden Schicht. Jeder aktive Bereich kann über zwei Durchkontaktierungen elektrisch kontaktiert werden. Die zwei Durchkontaktierungen können in demselben Durchbruch oder in zwei unterschiedlichen
Durchbrüchen der Verbindungsschicht angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass manche Durchkontaktierungen am Rand des Bauelements angeordnet sind und lateral nicht vollständig von der Verbindungsschicht umgeben sind. In diesem Fall kann für die Isolierung der randseitigen Durchkontaktierungen ein anderes Medium, etwa ein festes isolierendes Medium,
verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der laterale Abstand von den randseitigen
Durchkontaktierungen zu der Verbindungsschicht vergrößert wird. Sind zwei Durchkontaktierungen in demselben Durchbruch angeordnet, sind diese insbesondere durch das gasförmige Medium voneinander elektrisch isoliert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements oder des Verfahrens weist das Verbindungselement eine vertikale Schichtdicke von zumindest 0,5 gm, 3 gm, 5 gm oder 10 gm auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Schichtdicke des Verbindungselements höchstens 100 gm, 50 gm, 40 gm oder 30 gm sein. Die Schichtdicke wird dabei zwischen der Oberseite und der Unterseite gemessen. Die Durchkontaktierungen können jeweils eine laterale Ausdehnung von zumindest 1 gm oder 5 gm oder 10 gm oder 20 gm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich beträgt die laterale Ausdehnung der Durchkontaktierungen jeweils höchstens 80 gm, 70 gm, 60 gm, 30 gm, 10 gm oder 5 gm. Der laterale Abstand zwischen den benachbarten
Durchkontaktierungen in einem gemeinsamen Durchbruch und/oder zwischen der Verbindungsschicht und den Durchkontaktierungen kann zumindest 0,5 gm oder 2 gm oder 5 gm oder 10 gm sein. Alternativ oder zusätzlich ist der Abstand höchstens 50 gm,
40 gm, 30 gm, 20 gm, 10 gm, 5 gm oder 3 gm. Dieser Abstand entspricht der Dicke der Isolationsbereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist der Halbleiterchip frei von einem Aufwachssubstrat. Frei von einem Aufwachssubstrat bedeutet hier insbesondere, dass das Aufwachssubstrat vollständig entfernt ist oder dass durchaus noch Reste eines Aufwachssubstrats auf der
Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein können, diese aber nicht ausreichen, um alleine den Halbleiterchip zu
stabilisieren. Insbesondere können die Reste des
Aufwachssubstrats eine Auskoppelstruktur auf der
Strahlungsaustrittsfläche oder Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterchips bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist der Halbleiterchip mechanisch nicht selbsttragend. Das heißt, ohne zusätzliche Trägerelemente wie das Verbindungselement und/oder den Träger des Bauelements würde der Halbleiterchip brechen oder bis zur Unbrauchbarkeit verformen. Vorliegend wird der Halbleiterchip zum Beispiel durch den Träger und/oder das Verbindungselement stabilisiert und mechanisch getragen. Das Bauelement ist insbesondere frei von weiteren Trägerelementen. Insbesondere ist der Halbleiterchip selbst frei von einem stabilisierenden Substrat.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und
Weiterbildungen des Bauelements oder des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1A bis 4B erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Figur 1A ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur
Herstellung eines Bauelements in schematischer
Schnittansicht ;
Figuren 1B und IC verschiedene Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements;
Figur ID schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Verbindungselements; und
Figuren 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 3D, 4A und 4B schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele eines Bauelements jeweils in Schnittansicht oder in Draufsicht.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur
Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein. Gemäß Figur 1A werden in einem Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 100 ein Träger 3, ein Verbindungselement 2 und ein Halbleiterchip 1 bereitgestellt.
Der Halbleiterchip 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 11 auf, die insbesondere auf einem Aufwachssubstrat 140
epitaktisch aufgewachsen ist. Zum Beispiel ist der
Halbleiterchip 1 ein pixelierter Halbleiterchip 1 mit einer auf AlGalnN basierenden Halbleiterschichtenfolge 11 und einem Aufwachssubstrat 140 insbesondere aus Saphir.
Der Halbleiterchip 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 11 zwischen einer Montageseite 18 und einer der Montageseite 18 gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche 14 oder
Strahlungseintrittsfläche 14 auf. Die
Halbleiterschichtenfolge 11 umfasst eine erste
Halbleiterschicht 16 und eine zweite Halbleiterschicht 17.
Die erste Halbleiterschicht 16 ist beispielsweise eine p- leitende Schicht, wobei die zweite Halbleiterschicht 17 zum Beispiel eine n-leitende Schicht ist, oder umgekehrt.
Zwischen der ersten Halbleiterschicht 16 und der zweiten Halbleiterschicht 17 ist eine aktive Schicht 12,
beispielsweise in Form eines pn-Übergangs , angeordnet.
Insbesondere weist der Halbleiterchip 1 oder die
Halbleiterschichtenfolge 11 eine Mehrzahl von aktiven
Bereichen 10 insbesondere in Form von Bildpunkten 10 auf. Der Halbleiterchip kann mindestens 10, 50, 100, 200 oder 1000 solche Bildpunkte umfassen. Die lateralen Abmessungen eines Bildpunkts 10 betragen beispielsweise zwischen einschließlich 3 gm und 300 gm, zum Beispiel zwischen einschließlich 30 pm und 300 pm. Die Strahlungsaustrittsfläche 14 des
Halbleiterchips 1 hat beispielsweise eine Fläche zwischen einschließlich 1 mm2 und 50 mm2. Es ist möglich, dass der Halbleiterchip 1 ein hochauflösendes Display, zum Beispiel für Full HD Anwendungen, bildet. In diesem Fall können die Bildpunkte 10 auch lateraler Abmessungen einschließlich 1 gm und 10 gm, etwa zwischen einschließlich 1 pm und 5 pm
aufweisen. Auch ist es möglich, dass der Halbleiterchip 1 als pixelierte Lichtquelle in Scheinwerfervorrichtungen,
insbesondere für Fahrzeuge, ausgebildet ist. Anwendungen des Halbleiterchips 1 in Außen- oder Innenraumbeleuchtungen sind ebenfalls denkbar.
Jeder der aktiven Bereiche 10 weist Teilbereiche der ersten Halbleiterschicht 17, der zweiten Halbleiterschicht 16 und der aktiven Schicht 12 auf. In lateralen Richtungen befinden sich Trennbereiche 10T zwischen benachbarten aktiven
Bereichen 10. Die Trennbereiche 10T können Bestandteile der Halbleiterschichtenfolge 11 sein. Aufgrund der geringen
Querleitfähigkeit der Halbleiterschichten 16 und/oder 17 können die aktiven Bereiche 10 im Wesentlichen unabhängig voneinander angesteuert werden. Abweichend von Figur 1A ist es möglich, dass die Trennbereiche 10T als Trenngräben ausgeführt sind. Die Trenngräben können in Form von Öffnungen in der Halbleiterschichtenfolge 11 ausgebildet sein. Es ist denkbar, dass die Trenngräben mit einem elektrisch
isolierenden Material gefüllt sind.
Jedem aktiven Bereich 10 sind ein erstes Kontaktelement 13 und ein zweites Kontaktelement 15 des Halbleiterchips 1 zugeordnet. Die Kontaktelemente 13 und 15 sind insbesondere auf der Montageseite 18 zumindest bereichsweise frei
zugänglich. Das erste Kontaktelement 13 ist zur elektrischen Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 16 eingerichtet. Der Halbleiterchip 1 kann eine Mehrzahl solcher ersten Kontaktelemente 13 aufweisen, die in der lateralen Richtung voneinander räumlich beabstandet sind. Insbesondere sind die ersten Kontaktelemente 13 in Draufsicht durch die
Trennbereiche 10T voneinander beabstandet. Insbesondere bestimmen die lateralen Ausdehnungen der ersten
Kontaktelemente 13 die lateralen Abmessungen eines aktiven Bereichs 10. Jedem aktiven Bereich 10 kann ein erstes
Kontaktelement 13 eineindeutig zugeordnet sein. Das heißt, jedem aktiven Bereich 10 kann ein erstes Kontaktelement 13 eindeutig zugeordnet sein, und umgekehrt.
Das zweite Kontaktelement 15 ist zur elektrischen
Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 16 eingerichtet. Das zweite Kontaktelement 15 kann eine Anschlussschicht 11H aufweisen, die insbesondere strahlungsreflektierend
ausgeführt ist. Die Anschlussschicht 11H kann auf der
Montageseite 18 vollständig oder zumindest teilweise frei zugänglich sein. Das zweite Kontaktelement 15 weist außerdem zumindest einen Durchkontakt HD auf, der mit der
Anschlussschicht 11H elektrisch leitend verbunden ist. Der Durchkontakt 11D erstreckt sich entlang der vertikalen
Richtung insbesondere durch das erste Kontaktelement 13, die erste Halbleiterchicht 16 und die aktive Schicht 12 hindurch in die zweite Halbleiterschicht 17 hinein.
Gemäß Figur 1A weist der Halbleiterchip 1 eine Mehrzahl solcher Durchkontakte 11D auf, wobei jedem aktiven Bereich 10 ein Durchkontakt 11D oder mehrere Durchkontakte 11D
zugeordnet sein kann/können. Es ist möglich, dass die
Anschlussschicht HH zusammenhängend ausgeführt ist und alle Durchkontakte 11D mit der Anschlussschicht HH elektrisch leitend verbunden sind. Auch ist es möglich, dass die
Anschlussschicht HH mehrere voneinander lateral beabstandete Teilschichten aufweist, die jeweils mit genau einem
Durchkontakt HD oder mit mehreren Durchkontakten 11D elektrisch leitend verbunden sind.
Der Halbleiterchip 1 weist eine Isolierungsstruktur 111 auf. Durch die Isolierungsstruktur 111 ist das erste
Kontaktelement 13 von dem zweiten Kontaktelement 15
elektrisch isoliert. Verschiedene erste Kontaktelemente 13 können durch die Isolierungsstruktur 111 voneinander
elektrisch isoliert sein. In lateralen Richtungen können die Durchkontakte 11D von der Isolierungsstruktur 111 umschlossen sein. Bevorzugt befinden sich ausschließlich die
Isolierungsstruktur HI, die ersten Kontaktelemente 13 und das zweite Kontaktelement 15 oder mehrere zweite
Kontaktelemente 15 in vertikaler Richtung zwischen der
Montageseite 18 und der Halbleiterschichtenfolge 11.
Abweichend von der Figur 1A ist es möglich, dass die
Isolierungsstruktur 111 eine Isolierungsschicht 19 aufweist, die das zweite Kontaktelement 15 auf der Montageseite 18 zumindest teilweise abdeckt (Figur 3A) .
Figur 1A zeigt, wie das Verbindungelement 2 insbesondere in Form einer strukturierten Metallschicht auf die Montageseite 18 des Halbleiterchips 1 aufgebracht werden kann. Das
Verbindungselement 2 ist aus einer Verbindungsschicht 22, Durchkontaktierungen 23 und Isolationsbereichen 24 gebildet. Das Verbindungelement 2 weist eine Oberseite 20 und eine der Oberseite 20 gegenüberliegende Unterseite 21 auf, wobei die Oberseite 20 und die Unterseite 21 durch Oberflächen der Verbindungsschicht 22 und der Durchkontaktierungen 23 gebildet sind. Die Verbindungsschicht 22 und die
Durchkontaktierungen 23 können zumindest teilweise oder ausschließlich aus einem Lotmaterial gebildet sein. Die
Isolationsbereiche 24 sind insbesondere Hohlräume.
Das Verbindungelement 2 kann einen Hilfsträger 29 aufweisen, auf dem die Durchkontaktierungen 23 und die
Verbindungsschicht 22 angeordnet sind. Der Hilfsträger 29 kann eine haftvermittelnde Oberfläche, etwa eine klebende Oberfläche aufweisen. Nach dem Befestigen des Halbleiterchips
1 auf dem Verbindungselement 2 kann der Hilfsträger 29 nachträglich entfernt werden, wodurch die Unterseite 21 freigelegt wird. Es ist denkbar, dass das Verbindungselement
2 auf der Oberseite 20 ebenfalls einen solchen Hilfsträger aufweisen, der etwa vor dem Befestigen des Halbleiterchips 1 auf dem Verbindungselement 2 entfernt wird.
Alternativ ist es möglich, dass das Verbindungselement 2 direkt auf dem Halbleiterchip 1 oder auf dem Träger 3
gebildet ist, beispielsweise mit Hilfe einer strukturierten Maske und/oder eines Galvanisierungsprozesses. Auch ist es denkbar, dass das Verbindungselement 2 zwei analoge getrennte Teilbereiche aufweist, wobei jeder Teilbereich den gleichen in der Figur 1A dargestellten Aufbau des Verbindungselements
2 aufweisen kann und am Halbleiterchip 1 oder auf dem Träger
3 befestigt ist. In solchen Fällen kann auf den Hilfsträger 29 verzichtet werden.
Es werden somit der Halbleiterchip 1, das Verbindungselement 2 und der Träger 3 bereitgestellt, wobei das
Verbindungselement 2 bei der Bereitstellung bereits an dem Halbleiterchip 1 und/oder an dem Träger 3 befestigt ist.
Dabei sind der Halbleiterchip 1 und der Träger 3 weiterhin voneinander getrennt. Erst durch das Umschmelzen des
Verbindungselements 2 oder der Teilbereiche des Verbindungselements 2 erfolgt die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Träger 3. Abhängig davon, wie das Verbindungselement 2 bereitgestellt wird, das heißt als Teil des Halbleiterchips 1, als Teil des Trägers 3 oder sowohl als Teil des Halbleiterchips 1 als auch als Teil des Trägers 3, befindet sich eine Umschmelzlinie U in Querschnittansicht oder die Umschmelzebene U unmittelbar an der Oberseite 20 oder unmittelbar an der Unterseite 21 oder zwischen in vertikale Richtung zwischen der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Verbindungselements 2 (Figur 2A) .
Die Umschmelzlinie U in Querschnittansicht und die
Umschmelzebene U sind dabei die beim Umschmelzen des
Verbindungselements 2 entstehende Verbindungslinie U
beziehungsweise Verbindungsebene U. Mikroskopisch können die Verbindungslinie U und die Verbindungsebene U im
fertiggestellten Bauelement 100 eventuell daran erkannt werden, dass das Bauelement 100 an diesen Stellen
insbesondere aufgrund von Herstellungstoleranzen innere abgerundete Sprünge oder abgerundete Stufen oder andere verfahrenstypische Spuren aufweist. Die abgerundeten Sprünge oder die Stufen sind insbesondere Folgen des Lotverfahrens, bei dem sich die Durchkontaktierungen 23 und die
Verbindungsschicht 22 zeitweise im flüssigen Zustand
befinden. In den Isolationsbereichen 24 können die
Durchkontaktierungen 23 und die Verbindungsschicht 22
Seitenflanken aufweisen, die insbesondere stetig ausgebildet sind. Die Seitenflanken weisen insbesondere keine
waagerechten Konturen auf. Vielmehr können die Seitenflanken bereichsweise konkave und/oder konvexe Krümmungen aufweisen. Zum Beispiel können mit Hilfe einer Ionenfeinstrahlanlage die Position der Umschmelzlinie U oder der Umschmelzebene U und verfahrenstypische Spuren etwa anhand eines geringen Versatzes in den Isolationsbereichen 24 festgestellt werden.
Der Träger 3 kann als Aktivmatrixelement mit einer Vielzahl von Schaltern 30 und einer Vielzahl von Kontaktelementen 33 und 35 ausgeführt sein. Die Kontaktelemente 33 und 35 können auf einer Oberfläche des Trägers 3 zumindest bereichsweise frei zugänglich sein. Zum Beispiel ist der Träger 3
bereichsweise mit einer Ti/Pt/Au-Schicht beschichtet. Jeder Schalter 30 kann über ein erstes Kontaktelement 33 des
Trägers 3 eineindeutig mit einer der Durchkontaktierungen 23 und mit einem aktiven Bereich 10 verbunden sein. Die Schalter 30 sind beispielsweise Transistoren. Über die Schalter 30 kann jeder der aktiven Bereiche 10 einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden.
In den Figuren 1B und IC werden anhand verschiedener
Diagramme unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines
Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements 100 schematisch dargestellt, bei dem das Verbindungselement 2 zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Träger 3 befestigt wird.
In den Figuren 1B und IC sind Diagramme für Druck p und
Temperatur T als Funktion der Zeit t dargestellt. Nach einer ersten Aufheizphase und einer Reinigungsphase C zum Beispiel mit Ameisensäure erfolgt die Auffüllphase F. Während dieser Phasen steigt die Temperatur in der Heizkammer oder die
Temperatur des Verbindungselements 2 im Wesentlichen monoton bis zu einer kritischen Temperatur Tc an, die insbesondere durch die Schmelztemperatur oder die Solidustemperatur des Materials des Verbindungselements 2 angegeben ist. Für eine effiziente thermische Ankopplung der Heizkammer an das
Verbindungselement 2 erfolgen/erfolgt die Aufheizphase, die Reinigungsphase und/oder die Auffüllphase bei einem Gasdruck PI. Wie in den Figuren 1B und IC dargestellt, kann der
Gasdruck insbesondere zwischen den Phasen kurzzeitig
reduziert werden, etwa wenn gasförmiges Medium aus der
Heizkammer abgepumpt oder in die Heizkammer zugeführt wird. Die thermische Ankopplung der einzelnen Komponenten, also des Halbleiterchips 1, des Verbindungselements 2 und des Trägers 3, wird durch den in der Heizkammer herrschenden Gasdruck insbesondere eines Trägergases sichergestellt. Beim
Umschmelzen kann die Heizkammer mit einem Isoliergas, zum Beispiel mit N2, SF6, C5F10O oder einer gleichwertigen
Alternative geflutet werden. Vor oder nach dem Umschmelzen kann das in der Heizkammer befindliche Gas abgepumpt werden. Bei Bedarf kann das Gas wiedergewonnen und für spätere
Prozeßschritte wiederverwendet werden.
Es ist denkbar, dass vor dem hermetischen Abschließen der Isolationsbereiche 24 das Verbindungselement 2 zunächst temporär mit dem Träger 3 und/oder mit dem Halbleiterchip 1 verbunden wird. Hierfür kann ein Reibschweißverfahren, insbesondere ein Ultraschallreibschweißen Anwendung finden. Nach dem Auffüllen der Isolationsbereiche 24 mit dem
gasförmigen Medium können die Isolationsbereiche 24
hermetisch abgeschlossen werden, etwa mittels eines
Lotverfahrens .
Die in den Figuren 1B und IC dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich hauptsächlich in der letzten Aufheizphase insbesondere in der Anwesenheit des gasförmigen Mediums, das in den Isolationsbereichen 24 eingeschlossen werden sollte. Die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums wird insbesondere in der Auffüllphase F bestimmt. Während der Auffüllphase F kann die Heizkammer mit einem Isoliergas wie Stickstoff, SF6 und/oder C F O geflutet werden. In der letzten Aufheizphase, in der die kritische Temperatur Tc erreicht wird, bleibt der Gasdruck p bevorzugt unmittelbar vor dem Erreichen, beim Erreichen und kurz nach dem Erreichen der kritischen
Temperatur Tc im Wesentlichen konstant bei PI. In den
hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen 24 herrscht dann der erste Gasdruck PI . Insbesondere enthält das
gasförmige Medium in diesem Fall das Isoliergas, welches im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist. Das Isoliergas ist zum Beispiel ein fluoriertes Gas wie SF oder C5F10O.
Im Unterschied zur Figur 1B wird der Gasdruck PI gemäß Figur IC in der letzten Aufheizphase, insbesondere unmittelbar vor dem Erreichen der kritischen Temperatur Tc, auf den Gasdruck P reduziert, der in den Isolationsbereichen 24 eingeschlossen werden sollte. In diesem Fall kann das in den
Isolationsbereichen 24 eingeschlossene gasförmige Medium hauptsächlich oder ausschließlich Gase aufweisen, die im Vergleich zu einem fluorierten Gas wie SF und/oder C F O eine geringe Durchbruchfeldstärke aufweisen. Zum Beispiel ist das gasförmige Medium eine Stickstofffüllung . Alternativ ist es möglich, dass das gasförmige Medium zumindest ein
Isoliergas enthält, welches im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist. Anders als bei einer Vakuumisolation besteht hier kein wesentliches Risiko, im Laufe der Zeit die Isolationswirkung durch Leckage zu
verlieren, zumal große Moleküle vernachlässigbare Permeation durch das Material des Verbindungselements 2, insbesondere durch das Lotmaterial, zeigen.
Zur Durchführung der beiden Ausführungsformen nach Figuren 1B und IC kann außerdem ähnliches bewährtes Montageverfahren im Wesentlichen beibehalten werden, da zum Beispiel keine zusätzliche Montageanlage zur Bestückung der einzelnen
Komponente benötigt wird.
Figur ID zeigt eine photoähnliche Darstellung eines
Ausschnitts des Verbindungselements 2. Das hier dargestellte Ergebnis einer Rasterelektronenmikrographie zeigt die
Durchkontaktierung 23 in Form einer Lotinsel, die in
lateralen Richtungen von der Verbindungsschicht 22 in Form einer Lotsee umgeben ist. Die Durchkontaktierung 23 ist allseitig durch den Isolationsbereich 24 in Form eines
Trennrings von der Verbindungsschicht 22 räumlich
beabstandet. Der Isolationsbereich 24 ist mit einem
gasförmigen Medium gefüllt, das zum Beispiel Stickstoff und/oder bevorzugt ein fluoriertes Gas wie SF oder C F O enthält .
Nach dem dauerhaften Befestigen des Halbleiterchips 1 auf dem Verbindungselement 2 kann das Aufwachssubstrat 140 zum
Beispiel mittels eines Laser-Liftoff-Prozesses von dem
Halbleiterchip 1 abgelöst werden. Auch kann das
Aufwachssubstrat 140 gedünnt oder zu Auskoppelstrukturen auf der Strahlungseintrittsfläche oder Strahlungsaustrittsfläche 14 des Halbleiterchips 1 strukturiert werden (Figur 2A) . Als eine Alternative zur Formung der Ein- oder
Auskoppelstrukturen kann die zweite Halbleiterschicht 17 selbst strukturiert sein.
Das hier beschriebene Verfahren kann im Waferverbund
stattfinden. Es ist möglich, dass mehrere Halbleiterchips 1 und/oder mehrere Träger 3 zunächst jeweils als Teil eines Wafers ausgeführt sind. Nach dem Aufbringen des
Verbindungselements 2 können die Wafer zu einzelnen Bauelementen 10 oder zu einzelnen Halbleiterchips 1 mit dem vereinzelten Verbindungselement 2 und/oder zu einzelnen
Trägern 3 mit dem vereinzelten Verbindungselement 2 zertrennt werden. Das Verbinden des Halbleiterchips 1 mit dem
zugehörigen Träger 3 kann als sogenannter Chip-to-Wafer
Prozess oder Wafer-to-Wafer Prozess ausgeführt werden.
Figur 2A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 in Schnittansicht. Das Bauelement 100 ist durch ein hier beschriebenes Verfahren, insbesondere durch das in der Figur 1A dargestellte Verfahren herstellbar. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß Figur 1A beschriebenen Merkmale können daher auch für das in der Figur 2A dargestellte
Bauelement 100 herangezogen werden, und umgekehrt.
Das Bauelement 100 umfasst einen Halbleiterchip 1, der über ein Verbindungselement 2 auf einem Träger 3 befestigt ist.
Das Verbindungselement 2 ist insbesondere in direktem Kontakt sowohl mit dem Halbleiterchip 1 und als auch mit dem Träger 3. Der Halbleiterchip 1 ist in lateraler Richtung in mehrere benachbarte aktive Bereiche 10 unterteilt. Jeder aktive
Bereich 10 kann dabei einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden, sodass die Strahlungsaustrittsfläche 14 des Halbleiterchips 1 insbesondere ein pixeliertes Display bildet. Jeder aktive Bereich in Form eines Bildpunkts 10 kann ein Pixel des Displays bilden. Es ist möglich, dass die aktiven Bereiche 10 gruppenweise angesteuert werden können.
Der Halbleiterchip 1 weist insbesondere eine gemeinsame
Elektrode aus dem zweiten Kontaktelement 15 oder aus den zweiten Kontaktelementen 15 auf. Die gemeinsame Elektrode ist über die Verbindungsschicht 22 mit einem Kontaktelement 35 des Trägers 3 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindungsschicht 22 bildet somit für alle aktiven Bereiche 10 einen gemeinsamen Gegenkontakt zu den durch die
Durchkontaktierungen 23 gebildeten Kontakten. Außerdem enthält der Halbleiterchip 1 eine Mehrzahl von ersten
individuellen Kontaktelementen 13, die jeweils für die elektrische Kontaktierung eines aktiven Bereichs 10
eingerichtet sind. Die Kontaktelemente 13 sind jeweils über eine der Durchkontaktierungen 23 mit einem der ersten
Kontaktelemente 33 und somit mit einem der Schalter 30 des Trägers 3 elektrisch leitend verbunden. Die
Durchkontaktierungen 23 sind in lateraler Richtung so
angeordnet, dass sie mit den ersten Kontaktelementen 13 des Halbleiterchips 1 überlappen und in direktem elektrischem und mechanischem Kontakt zu den ersten Kontaktelementen 13 stehen .
Gemäß Figur 2A erfolgt die Kontaktierung der zweiten
Halbleiterschicht 17 der Halbleiterschichtenfolge 1 über die Verbindungsschicht 22. Die Kontaktierung der ersten
Halbleiterschicht 16 oder die Kontaktierung der Teilbereiche der ersten Halbleiterschicht 16 erfolgt dagegen über die Durchkontaktierungen 23.
In Figur 2B ist eine Draufsicht auf das Verbindungselement 2 entlang der Schnittebene AA' der Figur 2A gezeigt, während die Figur 2A eine Schnittansicht durch das Bauelement 100 entlang der gestrichelten Ebene BB ' der Figur 2B zeigt. Zu erkennen ist hier, dass jedem der aktiven Bereiche 10, angedeutet durch die gestrichelten Rechtecke, eine
Durchkontaktierung 23 zugeordnet ist, die ringsum vollständig von dem Isolationsbereich 24 und der Verbindungsschicht 22 umgeben ist. Das in der Figur 3A dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 2A dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100. Im Unterschied hierzu weist das Bauelement 100 eine Isolationsschicht 19 auf, die den Halbleiterchip 1 von der Verbindungsschicht 22 elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht 19 kann
zusammenhängend ausgeführt sein. Insbesondere weist die
Isolationsschicht 19 eine Mehrzahl von Öffnungen auf, durch die die Durchkontaktierungen 23 hindurch erstrecken. Die Isolationsschicht 19 kann als strukturierte Maske zur
Aufbringung der Durchkontaktierungen 23 auf den
Halbleiterchip 1, insbesondere auf die Kontaktelemente 15 beziehungsweise auf die Anschlussschicht 15 dienen, wobei die Maske nach dem Ausbilden der Durchkontaktierungen 23 am
Halbleiterchip 1 verbleibt.
Zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktelements 15 oder der Anschlussschicht 15 weist das Verbindungselement 2 zumindest eine weitere Durchkontaktierung 25 auf, die das Kontaktelement 15 mit dem Träger 3, insbesondere mit einem Kontaktelement 35 des Trägers 3, elektrisch verbindet. Auch die weitere Durchkontaktierung 25 kann in lateralen
Richtungen von einem Isolationsbereich 24 und/oder von der Verbindungsschicht 22 vollständig umgeben sein, wobei die weitere Durchkontaktierung 25 von der Verbindungsschicht 22 lateral beabstandet und von dieser elektrisch isoliert ist. Die Verbindungsschicht 22 kann somit von dem Halbleiterchip 1 und/oder vom Träger 3 elektrisch isoliert sein.
In Figur 3B ist eine Draufsicht auf das Verbindungselement 2 entlang der Schnittebene AA' der Figur 3A gezeigt, während die Figur 3A eine Schnittansicht durch das Bauelement 100 entlang der gestrichelten Ebene BB ' der Figur 3B zeigt. Zu erkennen ist hier, dass das Verbindungselement 2 eine Mehrzahl von weiteren Durchkontaktierungen 25 aufweist. Die weiteren Durchkontaktierungen 25 befinden sich insbesondere an einem Rand des Verbindungselements 2, können allerdings von der Verbindungsschicht 22 in lateralen Richtungen vollständig umgeben sein.
Das in der Figur 3C dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3B dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100. In Figur 3B sind die Querschnittsflächen der weiteren Durchkontaktierungen 25 aus Halbkreisen oder Kreissegmenten und Rechtecken
zusammengesetzt. Im Unterschied hierzu weisen die weiteren Durchkontaktierungen 25 gemäß Figur 3C jeweils einen
dreieckigen Querschnitt auf. Die Durchkontaktierung 23 und die weiteren Durchkontaktierungen 25 können auch andere Querschnittsflächen aufweisen, etwa kreisförmige, viereckige oder elliptische Querschnittflächen aufweisen.
Das in der Figur 3D dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3B oder 3C dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100. Im Unterschied hierzu weist das Verbindungselement 2 eine einzige weitere Durchkontaktierung 25 auf, die sich entlang einer lateralen Richtung über einen Großteil der Ausdehnung des Verbindungselements 2 erstreckt.
Das in der Figur 4A dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3A dargestellten Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100. Um Unterschied hierzu befindet sich nicht nur eine einzige
Durchkontaktierung 23 in einer Öffnung oder in einem
Durchbruch der Verbindungsschicht 22. Vielmehr existiert zu jeder Durchkontaktierung 23 eine daneben angeordnete weitere Durchkontaktierung 25.
Die Durchkontaktierung 23 und die weitere Durchkontaktierung 25 bilden ein Durchkontaktierungspaar insbesondere zur elektrischen Kontaktierung eines aktiven Bereichs 10 und sind in einer gemeinsamen Öffnung der Verbindungsschicht 22 angeordnet. Untereinander sind die Durchkontaktierung 23 und die weitere Durchkontaktierung 25 nicht durch die
Verbindungsschicht 22 sondern lediglich durch den
Isolationsbereich 24 getrennt. An dem Träger 3 ist jeder Durchkontaktierung 23 und jeder weiteren Durchkontaktierung 25 ein eigener Schalter 30 zugeordnet, sodass sowohl über die Durchkontaktierungen 23 als auch über die weiteren
Durchkontaktierungen 25 die aktiven Bereiche 10 einzeln und unabhängig voneinander bestromt werden können. Die weiteren Durchkontaktierungen 25 sind jeweils mit einem der zweiten Kontaktelementen 15 des Halbleiterchips elektrisch leitend verbunden, wobei die zweiten Kontaktelemente 15 in lateralen Richtungen voneinander räumlich getrennt sein können.
In Figur 4B ist eine Draufsicht auf das Verbindungselement 2 entlang der Schnittebene AA' der Figur 4A gezeigt, während die Figur 4A eine Schnittansicht durch das Bauelement 100 entlang der gestrichelten Ebene BB ' der Figur 4B zeigt. In der Draufsicht der Figur 4B ist zu erkennen, dass in jeder Öffnung der Verbindungsschicht 22 eine Durchkontaktierung 23 und eine Durchkontaktierung 25 angeordnet sind, die
untereinander durch den Isolationsbereich 24 getrennt sind.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2019 103 761.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterchip
2 Verbindungselement
3 Träger/ Aktivmatrixelement
10 aktiver Bereich/ Bildpunkt/ Pixel
10T Trennbereich, Trenngraben
11 Halbleiterschichtenfolge
HD Durchkontakt
111 Isolationsstruktur
11H Anschlussschicht
12 aktive Schicht
13 erstes Kontaktelement des Halbleiterchips
14 Strahlungsaustrittsfläche/
Strahlungsaustrittsfläche
15 zweites Kontaktelement des Halbleiterchips
16 erste Halbleiterschicht
17 zweite Halbleiterschicht
18 Montageseite des Halbleiterchips
19 Isolationsschicht
20 Oberseite des Verbindungselements
21 Unterseite des Verbindungselements
22 Verbindungsschicht
23 Durchkontaktierung
24 Isolationsbereich
25 weitere Durchkontaktierung
29 Hilfsträger
30 Schalter
33 erstes Kontaktelement des Trägers
35 zweites Kontaktelement des Trägers 100 optoelektronisches Bauelement
140 Aufwachssubstrat
C Reinigungsphase
F Auffüllphase
P Druck
P, PI Gasdruck
U Umschmelz-, Verbindungslinie,
Umschmelz-, Verbindungsebene t Zeit
T Temperatur
Tc kritische Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (100) mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterchips (1), eines
Verbindungselements (2) und eines Trägers (3), wobei das Verbindungselement eine zusammenhängende metallische
Verbindungsschicht (22) und eine Mehrzahl von metallischen Durchkontaktierungen (23) aufweist, die durch
Isolationsbereiche (24) von der Verbindungsschicht lateral beabstandet sind; und
- Umschmelzen des Verbindungselements zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger, wobei die
Isolationsbereiche mit einem gasförmigen Medium gefüllt und hermetisch abgeschlossen werden, und wobei die
Aufheizung des Verbindungselements bei einem ersten
Gasdruck (PI) durchgeführt wird und zur Erzielung einer verbesserten Durchschlagfestigkeit der Isolationsbereiche
- das gasförmige Medium ein Isoliergas enthält, das im
Vergleich zum Stickstoff eine höhere
Durchbruchfeldstärke aufweist, oder
- der erste Gasdruck vor der hermetischen Abdichtung der Isolationsbereiche gesenkt wird, sodass in den
darauffolgenden hermetisch abgeschlossenen
Isolationsbereichen ein Gasdruck (P) herrscht, der kleiner als der erste Gasdruck ist und kleiner als 1 mbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem das Umschmelzen des Verbindungselements (2) in einer Heizkammer durchgeführt wird, wobei die thermische Ankopplung eines Heizblocks der Heizkammer an das Verbindungselement bei dem ersten Gasdruck (PI) stattfindet, der zwischen
einschließlich 1 mbar und 2000 mbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den Isolationsbereichen (24) das gasförmige Medium mit dem Isoliergas eingeschlossen wird und in den hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen der erste Gasdruck (PI) herrscht .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
bei dem erste Gasdruck (PI) gesenkt wird und der Gasdruck (P) in den Isolationsbereichen (24) zwischen einschließlich 1 mbar und 107 mbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Aufheizung des Verbindungselements (2) ein Trägergas verwendet wird und vor der hermetischen Abdichtung der Isolationsbereiche (24) das Isoliergas, welches
verschieden von dem Trägergas ist, in die Isolationsbereiche zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) ein Aufwachssubstrat (140) aufweist, das vor dem Verbinden des Halbleiterchips mit dem Verbindungselement (2) als mechanisch stabilisierendes
Substrat des Halbleiterchips dient und nach der Befestigung des Halbleiterchips an dem Verbindungselement gedünnt, strukturiert oder von dem Halbleiterchip entfernt wird.
7. Bauelement (100) mit einem Halbleiterchip (1), einem Verbindungselement (2) und einem Träger (3), wobei
- der Halbleiterchip über das Verbindungselement mit dem
Träger mechanisch und elektrisch verbunden ist, - das Verbindungselement eine zusammenhängende metallische Verbindungsschicht (22) und eine Mehrzahl von metallischen Durchkontaktierungen (23) aufweist, die sich vertikal durch die Verbindungsschicht hindurch erstrecken und durch Isolationsbereiche (24) von der Verbindungsschicht lateral beabstandet sind,
- die Isolationsbereiche mit einem gasförmigen Medium
gefüllt und hermetisch abgeschlossen sind, wobei
- das gasförmige Medium ein Isoliergas enthält, das im
Vergleich zum Stickstoff eine höhere
Durchbruchfeldstärke aufweist, oder
- in den hermetisch abgeschlossenen Isolationsbereichen ein Gasdruck (P) herrscht, der kleiner als 1 mbar ist.
8. Bauelement (100) nach Anspruch 7,
bei dem
- der Halbleiterchip eine Mehrzahl von aktiven Bereichen
(10) aufweist, und
- der Träger eine Mehrzahl von Schaltern (30) enthält, die zur Ansteuerung der aktiven Bereiche eingerichtet sind, wobei die aktiven Bereiche über die Durchkontaktierungen (23) mit den Schaltern elektrisch leitend verbunden sind.
9. Bauelement (100) nach Anspruch 7 oder 8,
wobei das Isoliergas ein fluoriertes Gas ist.
10. Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das gasförmige Medium ein Gasgemisch ist und das
Isoliergas einen Stoffmengenanteil zwischen einschließlich 30 Mol-% und 99 Mol-% aufweist.
11. Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das gasförmige Medium das Isoliergas enthält, welches im Vergleich zum Stickstoff eine höhere Durchbruchfeldstärke aufweist, wobei der Gasdruck (P) in den Isolationsbereichen (24) zwischen einschließlich 1 mbar und 2000 mbar ist.
12. Bauelement (100) nach Anspruch 7,
bei dem das gasförmige Medium frei von einem Isoliergas ist, das im Vergleich zum Stickstoff eine höhere
Durchbruchfeldstärke aufweist, wobei der Gasdruck (P) in den Isolationsbereichen (24) zwischen einschließlich 1 mbar und 10-7 mbar ist.
13. Bauelement (100) nach Anspruch 7,
bei dem das gasförmige Medium Stickstoff enthält, dessen Stoffmengenanteil in den Isolationsbereichen (24) mindestens 60 Mol-% ist, wobei der Gasdruck (P) in den
Isolationsbereichen zwischen einschließlich 1 mbar und 107 mbar ist.
14. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- das in den Isolationsbereichen (24) eingeschlossene
gasförmige Medium eine mittlere Durchbruchfeldstärke Em aufweist, und
- das Verbindungselement (2) einen minimalen lateralen
Abstand Dmin und einen mittleren lateralen Abstand Dm zwischen der Verbindungsschicht (22) und den jeweiligen Durchkontaktierungen (23) aufweist,
wobei
- das Produkt Dmin*Em zwischen einschließlich 0,5 V und 10 V ist, und
- das Verhältnis Dm/Dmin zwischen einschließlich 1 und 4 ist.
15. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsschicht (22) und die Durchkontaktierungen (23) aus einem Lotmaterial oder aus Lotmaterialien gebildet sind.
16. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsschicht (22) und die Durchkontaktierungen (23) die gleiche
MaterialZusammensetzung aufweisen .
17. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- der Halbleiterchip (2) eine Mehrzahl von individuell
ansteuerbaren Bildpunkten (10) aufweist,
- der Träger (3) eine Mehrzahl von Schaltern (30) enthält, die zur Ansteuerung der Bildpunkte eingerichtet sind,
- jeder Bildpunkt (10) genau einer der Durchkontaktierungen (23) oder genau einem Paar aus zwei benachbarten
Durchkontaktierungen eineindeutig zugeordnet ist, und
- die Bildpunkte (10) über die Durchkontaktierungen mit den Schaltern (30) elektrisch leitend verbunden sind und im Betrieb des Halbleiterchips (1) über die Schalter (30) individuell oder gruppenweise ansteuerbar ausgeführt sind.
18. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (11) mit einer zur
Strahlungserzeugung oder zur Strahlungsdetektion
eingerichteten aktiven Schicht (12) aufweist, wobei die aktive Schicht entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips zusammenhängend ausgeführt ist.
19. Bauelement (100) oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der Halbleiterchip (1) eine
Halbleiterschichtenfolge (11) enthält, die eine erste
Halbleiterschicht (17) eines ersten Ladungsträgertyps, eine zweite Halbleiterschicht (16) eines zweiten Ladungsträgertyps und eine dazwischenliegende, zur Strahlungserzeugung oder zur Strahlungsdetektion eingerichtete aktive Schicht (12) aufweist, wobei zumindest eine dieser Schichten durch
Trenngräben in eine Mehrzahl von einander lateral
beabstandeten Teilschichten unterteilt ist.
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