DE10026254A1 - Lumineszenzdiodenchip mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden Epitaxieschichtenfolge - Google Patents
Lumineszenzdiodenchip mit einer auf GaN basierenden strahlungsemittierenden EpitaxieschichtenfolgeInfo
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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.
Priority Applications (13)
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