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DE10026254A1 - Lumineszenzdiodenchip mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge - Google Patents

Lumineszenzdiodenchip mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge

Info

Publication number
DE10026254A1
DE10026254A1 DE10026254A DE10026254A DE10026254A1 DE 10026254 A1 DE10026254 A1 DE 10026254A1 DE 10026254 A DE10026254 A DE 10026254A DE 10026254 A DE10026254 A DE 10026254A DE 10026254 A1 DE10026254 A1 DE 10026254A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
chip
reflective
radiation
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10026254A
Other languages
English (en)
Inventor
Manfred Mundbrod-Vangerow
Berthold Hahn
Ulrich Jacob
Hans Juergen Lugauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE20009283U external-priority patent/DE20009283U1/de
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to DE10026254A priority Critical patent/DE10026254A1/de
Priority to TW090112492A priority patent/TWI292227B/zh
Priority to TW094143365A priority patent/TWI289944B/zh
Priority to EP01953777A priority patent/EP1284026A1/de
Priority to US10/296,596 priority patent/US7265392B2/en
Priority to CNB2006101003144A priority patent/CN100426544C/zh
Priority to JP2001587491A priority patent/JP2003534668A/ja
Priority to CNB018129153A priority patent/CN1252838C/zh
Priority to PCT/DE2001/002010 priority patent/WO2001091195A1/de
Priority to CNB200510051675XA priority patent/CN100411205C/zh
Publication of DE10026254A1 publication Critical patent/DE10026254A1/de
Priority to US11/755,284 priority patent/US7939844B2/en
Priority to US13/079,235 priority patent/US8436393B2/en
Priority to JP2011247777A priority patent/JP2012028828A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Lumineszenzdiodenchip (1) mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge (3), die eine aktive Zone (19), eine n-dotierte (4) und eine p-dotierte Schicht (4) aufweist. Die p-dotierte Schicht (5) ist auf der von der aktiven Zone (19) abgewandten Hauptfläche (9) mit einer auf Ag basierenden reflektierenden Kontaktmetallisierung (6) versehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lumineszenzdiodenchip nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein Lumi­ neszenzdiodenbauelement mit einem derartigen Lumineszenz­ diodenchip.
Unter "auf GaN basierend" fallen im Folgenden insbesondere alle ternären und quaternären auf GaN basierdenden Mischkri­ stalle, wie AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN und AlInGaN und auf Galliumnitrid selbst.
Bei der Herstellung von Lumineszenzdiodenchips auf der Basis von GaN besteht das grundlegende Problem, daß die maximal er­ zielbare elektrische Leitfähigkeit von p-dotierten Schichten, insbesondere von p-dotierten GaN- oder AlGaN-Schichten, nicht ausreicht, um mit einer herkömmlichen Vorderseiten-Kontaktme­ tallisierung, die von Lumineszenzdiodenchips anderer Materi­ alsystemen bekannt ist (eine solche überdeckt zwecks mög­ lichst hoher Strahlungsauskopplung nur einen Bruchteil der Vorderseite), eine Stromaufweitung über den gesamten latera­ len Querschnitt des Chips zu erzielen.
Ein Aufwachsen der p-leitenden Schicht auf ein elektrisch leitendes Substrat, wodurch eine Stromeinprägung über den ge­ samten lateralen Querschnitt der p-leitenden Schicht möglich wäre, führt zu keinem wirtschaftlich vertretbaren Ergebnis. Die Gründe hierfür lassen sich folgendermaßen darstellen. Er­ stens ist die Herstellung von elektrisch leitenden gitteran­ gepaßten Substraten (z. B. GaN-Substraten) für das Aufwachsen von GaN-basierten Schichten mit hohem technischen Aufwand verbunden; zweitens führt das Aufwachsen von p-dotierten GaN- basierten Schichten auf für undotierte und n-dotierte GaN- Verbindungen geeignete nicht gitterangepaßten Substrate zu keiner für eine Lumineszenzdiode hinreichenden Kristallquali­ tät.
Bei einem bekannten Ansatz zur Bekämpfung des oben genannten Problems wird auf die vom Substrat abgewandte Seite der p- leitenden Schicht ganzflächig eine für die Strahlung durch­ lässige Kontaktschicht oder eine zusätzliche elektrisch gut leitfähige Schicht zur Stromaufweitung aufgebracht, die mit einem Bondkontakt versehen ist.
Der erstgenannte Vorschlag ist jedoch mit dem Nachteil ver­ bunden, daß ein erheblicher Teil der Strahlung in der Kon­ taktschicht absorbiert wird. Beim zweitgenannten Vorschlag ist ein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich, der den Fertigungsaufwand wesentlich erhöht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht zunächst darin, einen Lumi­ neszenzdiodenchip der eingangs genannten Art mit einer ver­ besserten Stromaufweitung zu entwickeln, dessen zusätzlicher Herstellungsaufwand gering gehalten ist. Weiterhin soll ein Lumineszenzdiodenbauelement mit einem derartigen Chip zur Verfügung gestellt werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit einem Lumineszendiodenbau­ element mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 12. Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Lumines­ zenzdiodenbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
Bei einer Lumineszenzdiode gemäß der Erfindung ist die p-do­ tierte Schicht auf der von der aktiven Schicht abgewandten Hauptfläche mit einer auf Ag basierenden reflektierenden Kon­ takmetallisierung versehen ist. Unter "auf Ag basierend" fal­ len alle Metalle, die zum größten Teil Ag aufweisen und deren elektrische und optische Eigenschaften wesentlich von Ag be­ stimmt sind. Diese Kontaktmetallisierung bewirkt vorteilhaf­ terweise einerseits einen guten ohmschen Kontakt mit einem geringen elektrischen Übergangswiderstand zur Epitaxieschich­ tenfolge. Andererseits weist sie vorteilhafterweise ein hohes Reflexionsvermögen und geringe Absorption im genannten Spek­ tralbereich auf. Daraus ergibt sich eine hohe Rückreflexion der auf sie treffenden elektromagnetischen Strahlung in den Chip. Diese rückreflektierte Strahlung kann dann über freie Seitenflächen des Chips aus diesem ausgekoppelt werden. Die reflektierende Kontaktmetallisierung besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform zumindest teilweise aus einer PtAg- und/oder PdAg-Legierung.
Die reflektierende Kontaktmetallisierung überdeckt vorzugs­ weise mehr als 50%, besonders bevorzugt 100% der von der ak­ tiven Schicht abgewandten Hauptfläche der p-dotierten Schicht. Dadurch wird eine Stromversorgung des gesamten late­ ralen Querschnitts der aktiven Zone erreicht.
Um die Haftfestigkeit der reflektierenden Kontaktmetallisie­ rung auf der p-dotierten Schicht zu fördern, ist vorzugsweise zwischen diesen beiden Schichten eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht vorgesehen, die beispielsweise im Wesentlichen mindestens ein Metall aus der Gruppe Pt, Pd, Cr aufweist.
Dadurch kann die reflektierende Kontaktmetallisierung auf einfache Weise sowohl hinsichtlich ihrer elektrischen Eigen­ schaften als auch ihrer Reflexionseigenschaften optimiert werden.
Die Dicke einer Kontaktschicht der oben genannten Art ist vorteilhafterweise kleiner oder gleich l0 nm. Die optischen Verluste in dieser Schicht können dadurch vorteilhafterweise besonders gering gehalten werden.
Besonders bevorzugt weist die Kontaktschicht eine nicht ge­ schlossene, insbesondere inselartige und/oder netzartige Struktur auf. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, daß die auf Ag basierende reflektierende Schicht zumindest teil­ weise unmittelbar Kontakt mit der p-dotierten Schicht auf­ weist, wodurch die elektrischen und optischen Eigenschaften positiv beeinflußt werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht die Kontaktschicht im Wesentlichen aus Indium-Zinn-Oxid (ITO- Indium Tin Oxide) und/oder ZnO und weist vorzugsweise ein Dicke ≧ 10 nm auf. Mit einer solchen Kontaktschicht kann vor­ teilhafterweise eine sehr gute Stromaufweitung bei gleichzei­ tig sehr geringer Strahlungsabsorption erreicht werden. Weiterhin bevorzugt befindet sich auf der reflektierenden Schicht eine bondfähige Schicht, die insbesondere im Wesent­ lichen aus einer Diffusionssperre aus Ti/Pt oder TiWN und aus Au oder A1 besteht, wodurch eine Verbesserung der Bondbarkeit der reflektierenden Kontaktmetallisierung erzielt wird.
Bei einem weiteren Lumineszenzdiodenchip gemäß der Erfindung weist der Chip ausschließlich Epitaxieschichten auf, deren Gesamtdicke zusammen kleiner oder gleich 30 µm ist. Dazu ist ein Aufwachssubstrat nach dem epitaktischen Aufwachsen der Epitaxieschichtenfolge entfernt. Die p-dotierte Epitaxie­ schicht ist auf ihrer von der n-dotierten Epitaxieschicht ab­ gewandten Hauptfläche im Wesentlichen ganzflächig mit der re­ flektierenden Kontaktmetallisierung versehen. Auf der von der p-dotierten Epitaxieschicht abgewandten Hauptfläche der n-do­ tierten Epitaxieschicht befindet sich eine n-Kontaktmetalli­ sierung, die nur einen Teil dieser Hauptfläche bedeckt. Die Lichtauskopplung aus dem Chip erfolgt über den freien Bereich der Hauptfläche der n-leitenden Epitaxieschicht und über die Chipflanken.
Das Aufwachssubstrat kann bei dieser Art von Lumineszenz­ diodenchip sowohl elektrisch isolierend als auch strahlungs­ undurchlässig sein und demzufolge vorteilhafterweise allein hinsichtlich optimaler Aufwachsbedingungen ausgewählt werden.
Der besondere Vorteil eines derartigen sogenannten Dünnfilm- Lumineszenzdiodenchips besteht darin, daß keine Lichtverluste in einem Substrat auftreten und eine verbesserte Strahlungs­ auskopplung erzielt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Lumineszenzdiodenchip ist der wei­ tere Vorteil verbunden, daß die Möglichkeit besteht, die strahlungsemittierende aktive Zone, in der im Betrieb ein Großteil der in den Chip geleiteten elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, sehr nah an eine Wärmesenke zu bringen; die Epitaxieschichtenfolge ist praktisch unmittelbar - nur die p-dotierte Epitaxieschicht ist zwischengelagert - an eine Wärmesenke thermisch ankoppelbar. Dadurch kann der Chip sehr effektiv gekühlt werden, wodurch die Stabilität der Wellenlänge der ausgesandten Strahlung erhöht ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Lumineszenzdiodenchip ist aufgrund der ganzflächigen Kontaktierung vorteilhafterweise die Fluß­ spannung reduziert.
Bei dem erfindungsgemäßen Lumineszenzdiodenbauelement mit ei­ nem Lumineszenzdiodenchip gemäß der Erfindung wird der Chip mit der p-Seite, das heißt mit der reflektierenden Kontaktme­ tallisierung auf einer Chipmontagefläche eines LED-Gehäuses, insbesondere eines elektrischen Leiterrahmens oder einer Lei­ terbahn des LED-Gehäuses aufliegend montiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Fig. 1a bis 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein erstes Ausführungsbeispiel;
Fig. 1b eine schematische Darstellung einer bevorzugten reflektierenden Kontaktmetallisierung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein zweites Ausführungsbeispiel.
In den Figuren der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit densel­ ben Bezugszeichen versehen.
Bei dem Lumineszenzdiodenchip 1 von Fig. 1a ist auf einem SiC-Substrat 2 eine strahlungsemittierende Epitaxieschichten­ folge 3 aufgebracht. Diese besteht aus einer einer n-leitend dotierten GaN- oder AlGaN-Epitaxieschicht 4 und einer p-lei­ tend dotierten GaN- oder AlGaN-Epitaxieschicht 5. Ebenso kann beispielsweise eine auf GaN basierende Epitaxieschichtenfolge 3 mit einer Doppelheterostruktur, einer Einfach-Quanten­ well(SQW)-Struktur oder einer Multi-Quantenwell(MQW)-Struktur mit einer bzw. mehreren undotierten Schicht(en) 19, bei­ spielsweise aus InGaN oder InGaAIN, vorgeshen sein.
Das SiC-Substrat 2 ist elektrisch leitfähig und für die von einer aktiven Zone 19 der Epitaxieschichtenfolge 3 ausge­ sandte Strahlung durchlässig.
Auf ihrer vom SiC-Substrat 2 abgewandten p-Seite 9 ist auf die Epitaxieschichtenfolge 3 im Wesentlichen ganzflächig eine reflektierende, bondfähige auf Ag basierende Kontaktmetalli­ sierung 6 aufgebracht. Diese besteht beispielsweise im We­ sentlichen aus Ag, aus einer PtAg- und/oder einer PdAg-Legie­ rung.
Die Kontaktmetallisierung 6 kann aber auch, wie in Fig. 1b schematisch dargestellt, ausgehend von der Epitaxieschichten­ folge 3 aus einer strahlungsdurchlässigen ersten Schicht 15 und einer reflektierenden zweiten Schicht 16 zusammengesetzt sein.
Die erste Schicht 15 besteht beispielsweise im Wesentlichen aus Pt, Pd und/oder Cr und weist eine Dicke von kleiner oder gleich l0 nm auf, um die Strahlungsabsorption gering zu hal­ ten. Sie kann alternativ aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder ZnO bestehen. Vorzugsweise weist sie dann eine Dicke von grö­ ßer oder gleich l0 nm auf, weil diese Materialien nur sehr ge­ ringe Strahlungsabsorption zeigen. Die größere Dicke ist vor­ teilhaft für die Stromaufweitung.
Die zweite Schicht 16 besteht beispielsweise im Wesentlichen aus Ag, aus einer PtAg- und/oder einer PdAg-Legierung.
Zur Verbesserung der Bondbarkeit wird auf die auf Ag basie­ rende Schicht eine weitere Metallschicht 20 aufgebracht. Diese besteht beispielsweise aus Au oder Al. Als Diffusions­ sperre 24 zwischen der zweiten Schicht 16 und der weiteren Metallschicht 20 kann eine Schicht aus Ti/Pt oder TiWN vorge­ sehen sein.
An seiner von der Epitaxieschichtenfolge 3 abgewandten Hauptfläche 10 ist das SiC-Substrat 2 mit einer Kontaktmetal­ lisierung 7 versehen, die nur einen Teil dieser Hauptfläche 10 bedeckt und als Bondpad zum Drahtbonden ausgebildet ist. Die Kontaktmetallisierung 7 besteht beispielsweise aus einer auf das SiC-Substrat 2 aufgebrachten Ni-Schicht, gefolgt von einer Au-Schicht.
Der Chip 1 ist mittels Die-Bonden mit seiner p-Seite, das heißt mit der reflektierenden Kontaktmetallisierung 6 auf eine Chipmontagefläche 12 eines elektrischen Anschlußrahmens 11 (Leadframe) eines Leuchtdioden(LED)-Gehäuses montiert. Die n-Kontaktmetallisierung 7 ist über einen Bonddraht 17 mit ei­ nem Anschlußteil 18 des Anschlußrahmens 11 verbunden.
Die Lichtauskopplung aus dem Chip 1 erfolgt über den freien Bereich der Hauptfläche 10 des SiC-Substrats 2 und über die Chipflanken 14.
Optional weist der Chip 1 ein nach dem Aufwachsen der Epita­ xieschichtenfolge 3 gedünntes SiC-Substrat 2 auf, um die Dicke des Substrats 2 hinsichtlich Strahlungsabsorption und Strahlungsauskopplung zu optimieren.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig. 1a zum einen dadurch, daß der Chip 1 ausschließlich Epitaxieschichten, also die Epitaxieschichten­ folge 3 und keine Substratschicht aufweist. Letztere wurde nach dem Aufwachsen der Epitaxieschichten beispielsweise mit­ tels Ätzen und/oder Schleifen entfernt. Die Chip-Höhe beträgt ca. 25 µm.
Hinsichtlich der Vorteile eines derartigen sogenannten Dünn­ film-LED-Chips wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen. Zum anderen weist die Epitaxieschichtenfolge 3 eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantenwell(SQW)- Struktur oder eine Multi-Quantenwell(MQW)-Struktur mit einer bzw. mehreren undotierten Schicht(en) 19, beispielsweise aus InGaN oder InGaAlN auf.
Der Chip 1 ist mittels Die-Bonden mit seiner p-Seite, das heißt mit der reflektierenden Kontaktmetallisierung 6 auf eine Chipmontagefläche 12 einer Leiterbahn 22 eines Leucht­ dioden(LED)-Gehäuses 21 montiert. Die n-Kontaktmetallisierung 7 ist über einen Bonddraht 17 mit einer weiteren Leiterbahn 23 verbunden.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der obigen Ausführungs­ beispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung auf diese zu verstehen. Die Erfindung ist vielmehr insbesondere bei allen Lumineszenzdiodenchips nutzbar, bei denen die von einem Aufwachssubstrat entfernt liegende Epitaxieschicht eine unzureichende elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Claims (13)

1. Lumineszenzdiodenchip (1) mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge (3), die eine aktive Zone (19), eine n-dotierte (4) und eine p-dotierte Schicht (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die p-dotierte Schicht (5) auf der von der aktiven Zone (19) abgewandten Hauptfläche (9) mit einer auf Ag basierenden re­ flektierenden Kontaktmetallisierung (6) versehen ist.
2. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) zumindest teil­ weise aus einer PtAg- und/oder PdAg-Legierung besteht.
3. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) mehr als 50% der von der aktiven Zone (19) abgewandten Hauptfläche (9) der p­ dotierten Schicht (5) überdeckt.
4. Lumineszenzdiodenchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) die gesamte von der aktiven Zone (19) abgewandte Hauptfläche (9) der p-do­ tierten Schicht (5) überdeckt.
5. Lumineszenzdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) eine strahlungs­ durchlässige Kontaktschicht (15) und eine reflektierende Schicht (16) aufweist und die strahlungsdurchlässige Kontakt­ schicht (15) zwischen der p-dotierten Schicht (5) und der re­ flektierenden Schicht (16) angeordnet ist.
6. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (15) im Wesentlichen mindestens eines der Metalle Pt, Pd und Cr aufweist.
7. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kontaktschicht (15) kleiner oder gleich l0 nm ist.
8. Lumineszenzdiodenchip nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (15) eine nicht geschlossene Schicht ist, die insbesondere eine inselartige und/oder netzartige Struk­ tur aufweist.
9. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (15) im Wesentlichen Indium-Zinn-Oxid (ITO) und/oder ZnO aufweist.
10. Lumineszenzdiodenchip (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kontaktschicht (15) größer oder gleich l0 nm ist.
11. Lumineszenzdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) auf ihrer von der strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge (3) abge­ wandten Seite eine weitere Metallschicht (20) aufweist, die insbesondere im Wesentlichen Au oder A1 aufweist.
12. Lumineszenzdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (1) ausschließlich Epitaxieschichten aufweist, die n-dotierte Schicht (4) auf ihrer von der p-leitenden Schicht (5) abgewandten Hauptfläche (8) mit einer n-Kontakt­ schicht (7) versehen ist, die nur einen Teil dieser Hauptflä­ che bedeckt, und daß die Lichtauskopplung aus dem Chip (1) über den freien Bereich der Hauptfläche (8) der n-leitenden Schicht (4) und über die Chipflanken (14) erfolgt.
13. Lumineszenzdiodenbauelement mit einem Lumineszenzdioden­ chip gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 12, bei dem der Chip (1) auf einer Chipmontagefläche (12) eines LED-Gehäuses (21), insbesondere auf einem Leiterrahmen (11) oder einer Leiterbahn (22) des LED-Gehäuses, montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Kontaktmetallisierung (6) auf der Chipmon­ tagefläche (12) aufliegt.
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