DE102016112291A1

DE102016112291A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102016112291A1
Application number: DE102016112291.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kopp
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Also published as: WO2018007225A1

Abstract

Es werden ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) sowie ein korrespondierendes Herstellungsverfahren angegeben. Der Halbleiterchip (100) umfasst einen Halbleiterschichtenstapel (10); eine auf dem Halbleiterschichtenstapel (10) angeordnete metallische Kontaktschicht (21); einen auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite der Kontaktschicht (21) angeordneten metallischen Kern (25) der auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite eine Deckfläche sowie sich von der Deckfläche zu dem Halbleiterschichtenstapel (10) erstreckende Seitenflächen aufweist; und einen den Kern (25) verkapselnden metallischen Mantel (23), der Deckfläche und Seitenflächen des Kerns (25) bedeckt. Die Kontaktschicht (21), der Kern (25) und der Mantel (23) bilden einen Kontaktsteg (20) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips.
Bei optoelektronischen Halbleiterchips werden zur Kontaktierung Stromstege eingesetzt, die bespielsweise aus Gold bestehen und eine Schichtdicke von bis zu 3,25µm aufweisen können. Insbesondere bei strahlungsemittierenden Halbleiterchips können durch Absorption an einer Oberfläche des Stromstegs Effekte wie eine Verringerung der Helligkeit sowie eine Verschiebung des Farborts auftreten. Zudem stellen die Kosten eines Stromstegs einen signifikanten Beitrag zu den Gesamtkosten eines optoelektronischen Halbleiterchips dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Halbleiterchip sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips anzugeben, der bzw. das beiträgt, die vorgenannten Probleme zu umgehen. Insbesondere soll ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben werden, der kostengünstig herstellbar ist und sich durch eine verbesserte Abstrahleffizienz auszeichnet.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen optoelektronischen Halbleiterchip. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip kann es sich beispielsweise um Leuchtdiodenchips oder Fotodiodenchips handeln.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip einen Halbleiterschichtenstapel. Der Halbleiterschichtenstapel kann beispielsweise Halbleiterschichten unterschiedlichen Typs sowie eine aktive Schicht zur Erzeugung oder Detektion elektromagnetischer Strahlung aufweisen.
Die Halbleiterschichten des Halbleiterchips basieren bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-xAs handeln mit 0 ≤ x ≤ 1. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge weist insbesondere eine Haupterstreckungsrichtung auf, die im Folgenden auch als laterale Richtung bezeichnet wird. Eine Richtung schräg oder senkrecht zu der lateralen Richtung wird im Folgenden auch als vertikale Richtung bezeichnet. Die Schichten der Halbleiterschichtenfolge sind insbesondere in der vertikalen Richtung übereinander angeordnet.
Dass eine Schicht auf oder über einer anderen Schicht angeordnet ist bezeichnet hier und im Folgenden, dass die Schicht unmittelbar oder mittelbar in elektrischem und/oder mechanischem Kontakt zu der anderen Schicht angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem Kontakt zumindest bereichsweise zwischen den besagten Schichten weitere Schichten oder weitere Elemente angeordnet sein.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine auf dem Halbleiterschichtenstapel angeordnete metallische Kontaktschicht.
Die metallische Kontaktschicht ist vorteilhaft zur elektrischen Kontaktierung einer p-dotierten oder n-dotierten Halbleiterschicht eingerichtet. Insbesondere ist die metallische Kontaktschicht elektrisch leitfähig ausgebildet und mit einer ersten Halbleiterschicht des Halbleiterschichtenstapels unmittelbar gekoppelt, das heißt in direktem Kontakt zu dieser angeordnet. Alternativ ist die metallische Kontaktschicht mittelbar mit der ersten Halbleiterschicht gekoppelt. Die metallische Kontaktschicht ist beispielsweise zur n-Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips ausgebildet, wobei die metallische Kontaktschicht die n-dotierte Halbleiterschicht vorteilhaft direkt kontaktiert. Die metallische Kontaktschicht ist alternativ beispielsweise zur p-Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips ausgebildet, wobei zwischen der metallischen Kontaktschicht und der p-dotierten Halbleiterschicht vorteilhaft eine Stromaufweitungsschicht angeordnet ist.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip einen auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite der metallischen Kontaktschicht angeordneten metallischen Kern. Der metallische Kern weist auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite eine Deckfläche auf, sowie sich von der Deckfläche hin zu dem Halbleiterschichtenstapel erstreckende Seitenflächen.
Der metallische Kern ist vorteilhaft elektrisch leitfähig ausgebildet und mit der metallischen Kontaktschicht unmittelbar oder zumindest mittelbar gekoppelt. Der metallische Kern kann insbesondere aus einem Material bestehen, das sich von einem Material der metallischen Kontaktschicht unterscheidet. Als Seitenflächen des metallischen Kerns werden diejenigen Flächen des metallischen Kerns verstanden, welche diesen in lateraler Richtung begrenzen.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip einen den metallischen Kern verkapselnden metallischen Mantel, der die Deckfläche und die Seitenflächen des metallischen Kerns bedeckt.
Der metallische Mantel ist vorteilhaft elektrisch leitfähig ausgebildet. Insbesondere ist der metallische Mantel mit dem metallischen Kern unmittelbar gekoppelt. Vorteilhaft ist der metallische Mantel ausgebildet, den metallischen Kern vor Oxidation zu schützen. Der metallische Kern besteht insbesondere aus einem Material, das sich von einem Material des metallischen Kerns unterscheidet.
Unter einer Verkapselung des metallischen Kerns wird eine oxidationshemmende Versiegelung seiner Oberflächen verstanden. Bei der Verkapselung durch den metallischen Mantel sind insbesondere mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% der Deckfläche und der Seitenflächen des metallischen Kerns bedeckt.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt bilden die metallische Kontaktschicht, der metallische Kern und der metallische Mantel einen Kontaktsteg zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels.
Der Halbleiterchip kann zum Beispiel einen oder mehrere solcher Kontaktstege aufweisen. Ein Kontaktsteg kann auch als Stromsteg bezeichnet werden.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben, der einen Halbleiterschichtenstapel, eine auf dem Halbleiterschichtenstapel angeordnete metallische Kontaktschicht und einen auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite der metallischen Kontaktschicht angeordneten metallischen Kern umfasst. Der metallische Kern weist auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite eine Deckfläche sowie sich von der Deckfläche zu dem Halbleiterschichtenstapel erstreckende Seitenflächen auf. Überdies umfasst der Halbleiterchip einen den metallischen Kern verkapselnden metallischen Mantel. Der metallische Mantel bedeckt die Deckfläche und die Seitenflächen des metallischen Kerns. Die metallische Kontaktschicht, der metallische Kern und der metallische Mantel bilden einen Kontaktsteg zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels.
In vorteilhafter Weise ermöglicht der Kontaktsteg eine gezielte Anpassung des spezifischen elektrischen Widerstands, insbesondere eine Verringerung dessen im Vergleich zu einem Kontaktsteg, welcher lediglich aus einem einzigen Material wie Gold besteht. In Folge dessen kann ein Querschnitt des Kontaktstegs in lateraler Richtung reduziert und somit vorteilhaft eine absorbierende Oberfläche des Kontaktstegs im Hinblick auf einen rein goldenen Kontaktsteg verringert werden. Alternativ kann auch bei beispielsweise gleichem Querschnitt des Kontaktstegs in lateraler Richtung im Hinblick auf einen rein goldenen Kontaktsteg ein Spannungsbeitrag gesenkt werden. Darüber hinaus kann in Folge des verringerten spezifischen elektrischen Widerstands und/oder mittels des metallischen Mantels beigetragen werden Elektromigration zu verhindern.
Der beschriebene Kontaktsteg ermöglicht im Vergleich zu einem rein goldenen Kontaktsteg ferner eine gezielte Anpassung seines Reflexions- und/oder Absorptionskoeffizienten. In vorteilhafter Weise kann damit eine Abstrahleffizienz des Halbleiterchips erhöht werden und/oder eine Verschiebung des Farborts vermieden werden.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt weist der metallische Kern Silber und/oder Kupfer auf, oder besteht daraus. Ein Halbleiterchip mit einem solchen Kern ist im Hinblick auf einen Halbleiterchip mit rein goldenem Kontaktsteg besonders kostengünstig herstellbar. Darüber hinaus kann dadurch der spezifische elektrische Widerstand des Kontaktstegs gesenkt werden. So beträgt dieser bei 20°C bei Gold etwa 2,44·10^–8Ωm, bei Silber und Kupfer hingegen lediglich 1,59·10^–8Ωm bzw. 1,68·10^–8Ωm. In Folge dessen kann bei gleicher Querschnittsfläche in lateraler Richtung der Spannungsabfall an den Stromstegen und damit die dort entstehende Verlustleistung gesenkt, oder bei gleichem Spannungsabfall die Querschnittsfläche und somit eine strahlungsabsorbierende Metalloberfläche reduziert werden. Da ferner bei Elektromigration ein Ionenfluss linear vom spezifischen elektrischen Widerstand abhängt, kann durch den Einsatz von Silber bzw. Kupfer als Material für den Kern dazu beigetragen werden, dass eine Elektromigration verringert wird.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt weist der metallische Mantel Platin und/oder Palladium und/oder Rhodium und/oder Gold auf, oder besteht daraus.
Insbesondere ist der metallische Mantel ausgebildet, eine Oxidation des Kerns zu verhindern. Beispielsweise bei einem metallischen Kern aus Silber und/oder Kupfer kann dadurch vorteilhaft verhindert werden, dass wasserlösliches Silber(I)-oxid bzw. Kupfer(II)-oxid im elektrischen Feld migriert. Beispielhaft kann bei einem metallischen Kern aus Kupfer ein aus Palladium ausgebildeter Mantel zu einer signifikanten Erhöhung der Lebensdauer des optoelektronischen Halbleiterchips beitragen.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist der metallische Mantel aus Platin, Palladium oder Rhodium ausgebildet. Im Gegensatz zu Gold, dessen Reflexionskoeffizient bei einer Wellenlänge unterhalb von 550nm massiv einbricht, weisen diese Materialien über einen Wellenlängenbereich zwischen 400nm und 750nm einen nahezu konstanten Reflexionskoeffizienten auf, wodurch ein im Wesentlichen wellenlängenunabhängiger Absorptionskoeffizient erreicht werden kann, so dass beigetragen wird, eine Verschiebung des Farborts zu vermeiden. Das insgesamt an den Seitenflächen sowie der Oberfläche des Kontaktstegs absorbierte Licht wird durch die Wellenlängenverteilung im Halbleiterchip beeinflusst, so dass ein Helligkeitsabfall bei einem beispielsweise aus Rhodium ausgebildetem metallischen Mantel, welcher einen vergleichsweise hohen Reflexionskoeffizienten aufweist, im Hinblick auf einen rein goldenen Kontaktsteg vorteilhaft verringert sein kann.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt bedeckt der metallische Mantel eine dem Halbleiterschichtenstapel zugewandte Seite des metallischen Kerns. In vorteilhafter Weise ermöglicht diese Verkapselung besonders effektiven Schutz des metallischen Kerns vor Oxidation.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine auf der dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite der metallischen Kontaktschicht angeordnete Barrierenschicht. Die Barrierenschicht ist insbesondere ausgebildet, intermetallische Vermischungen zwischen der metallischen Kontaktschicht und dem metallischen Mantel zu verhindern. Insbesondere im Falle, dass der metallische Mantel aus Gold ausgebildet ist und die metallische Kontaktschicht Aluminium aufweist oder daraus besteht können mit der Barrierenschicht intermetallische Vermischungen wie z.B. die sogenannte Purpurpest verhindert werden. Die Barrierenschicht weist beispielsweise Titan und/oder Platin auf oder besteht daraus.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt weist die metallische Kontaktschicht Titan und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Kupfer und/oder Molybdän und/oder Nickel und/oder Silber auf, oder besteht daraus. Insbesondere ein Einsatz von Aluminium oder Aluminium-Kupfer als Kontaktschicht ist hierbei sowohl bei einem Halbleiterchip mit Gold aufweisenden Mantel und Barrierenschicht denkbar, als auch im Falle eines Halbleiterchips mit goldfreiem Mantel, der keine Barrierenschicht oder lediglich eine mit vergleichsweise geringer Schichtdicke ausgebildete Barrierenschicht aufweist.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine auf einer Deckfläche des metallischen Mantels angeordnete Abschlussschicht aus Gold. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine einfache Kontaktierung des Halbleiterchips mittels Bonddrahts. Insbesondere kann die Abschlussschicht in diesem Zusammenhang eine für einen Bondprozess mit einem Golddraht geeignete Oberfläche aufweisen.
Überdies weist Gold mit Vorteil einen hohen Reflexionskoeffizienten für Wellenlängen größer 550nm auf, so dass durch die Abschlussschicht beispielsweise Licht reflektiert werden kann, welches mittels einer Konversionsschicht im Verguss des Halbleiterchips konvertiert und auf den Halbleiterchip zurückgeworfen wurde.
Unter einer Deckfläche des metallischen Mantels wird eine dem Halbleiterschichtenstapel in vertikaler Richtung abgewandte Seite des metallischen Mantels verstanden. In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Schichtdicke der Abschlussschicht zwischen 100nm und 2000nm.
Insbesondere beträgt die Schichtdicke der Abschlussschicht weniger als 3250nm, beispielsweise weniger als 2000nm, bevorzugt weniger als 1200nm, besonders bevorzugt weniger als 500nm. In vorteilhafter Weise können durch die geringe Schichtdicke Materialkosten gespart werden.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt weist der metallische Kern eine Schichtdicke auf, die größer oder gleich der Schichtdicke der Abschlussschicht des metallischen Kerns ist. Durch einen metallischen Kern mit verhältnismäßig großer Schichtdicke, insbesondere wenn dieser aus Silber und/oder Kupfer ausgebildet ist, kann der elektrische Widerstand des Kontaktstegs im Hinblick auf einen rein goldenen Kontaktsteg mit Vorteil herabgesetzt werden.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip ein Saphirsubstrat, ein SiC-Substrat oder ein GaN-Substrat. Der Halbleiterchip ist vorteilhaft ein Volumenemitter. Mit anderen Worten emittiert ein solcher Halbleiterchip Licht im Gegensatz zu einem Flächenstrahler (Dünnfilm-Bauelement) allseitig und insbesondere auch über das Substratvolumen. Zweckmäßigerweise kann das Substrat transparent sein, so dass Licht zumindest teilweise durch das transparente Substrat emittiert werden kann. Transparente Substrate sind beispielsweise SiC oder Saphir oder GaN.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht und eine zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angeordnete aktive Schicht.
Die erste Halbleiterschicht sowie die zweite Halbleiterschicht bezeichnen jeweils Halbleiterschichten unterschiedlichen Typs und können jeweils eine oder mehrere n-dotierte oder p-dotierte Halbleiterschichten umfassen. Bei dem Halbleiterschichtenstapel bildet vorteilhaft entweder die n-dotierte oder die p-dotierte Halbleiterschicht eine Abstrahlseite des Halbleiterschichtenstapels oder des Halbleiterchips.
Der Kontaktsteg des Halbleiterchips dient insbesondere der elektrischen Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht. Darüber hinaus kann der Halbleiterchip zur Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht zusätzlich ein Bondpad, eine externe Kontaktstelle oder einen oder mehrere analog ausgebildete Kontaktstege aufweisen.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist die aktive Schicht zur Erzeugung oder Detektion elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine auf einer der zweiten Halbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht angeordnete Konversionsschicht. Die Konversionsschicht kann beispielsweise eingebracht sein in eine Verkapselung bzw. einen Verguss des Halbleiterchips. Beispielsweise erzeugt die aktive Schicht blaues Licht, welches durch die erste Halbleiterschicht transmittiert und zumindest teilweise in der Verkapselung durch die Konversionsschicht konvertiert wird.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine elektrisch leitfähige Stromaufweitungsschicht. Die elektrisch leitfähige Schicht ist vorteilhaft zur elektrischen Kontaktierung einer p-dotierten oder n-dotierten Halbleiterschicht eingerichtet. Die elektrisch leitfähige Schicht kann zur Stromaufweitung einen vergleichsweise großen Anteil der entsprechenden Halbleiterschicht bedecken.
Die Stromaufweitungsschicht wird beispielsweise zur p-Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips ausgebildet, wobei sie die p-dotierte Halbleiterschicht vorteilhaft direkt kontaktiert.
Die Stromaufweitungsschicht kann transparent sein. Insbesondere ist sie für die emittierte Strahlung durchlässig. Die Stromaufweitungsschicht enthält vorzugsweise ein transparentes, leitfähiges Oxid (TCO Transparent Conductive Oxide), wie zum Beispiel ITO.
Transparente, elektrisch leitende Oxide (TCO) sind transparente, elektrisch leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid, Indiumzinnoxid (ITO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO) oder Kupferoxid. Neben binären Metallsauerstoffverbindungen wie beispielsweise ZnO, SnO2 oder In2O3 gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen wie beispielsweise Zn2SnO4, CdSnO3, ZnSnO3, MgIn2O4, GaInO3, Zn2In2O5 oder In4Sn3O12 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter, leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine auf einer der ersten Halbleiterschicht zugewandten Seite der zweiten Halbleiterschicht angeordnete Passivierungsschicht.
Die Spiegelschicht umfasst vorteilhaft ein elektrisch isolierendes Material. Überdies kann die Spiegelschicht ein reflektierendes Material umfassen, beispielsweise zur Verringerung der Auskopplung von Strahlung. Dadurch kann vorteilhaft eine Intensität der abgestrahlten Strahlung an einer dafür vorgesehenen Abstrahlfläche des Halbleiterchips gesteigert werden.
Die Spiegelschicht umfasst beispielsweise mindestens eines der Materialien Al2O3, TaO5, ZrO2, ZnO, SiNx, SiOxNy, SiO2, TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O5 oder MgF2 oder besteht daraus. Die Passivierungsschicht kann eine reflexionserhöhende Schicht sein und weist vorteilhaft eine oder mehrere dielektrische Schichten auf, die im Bereich des Emissionsspektrums der aktiven Schicht, insbesondere bei einer dominanten Wellenlänge und einem dominanten Winkel der emittierten Strahlung, eine möglichst hohe Reflexion aufweisen. Insbesondere kann die Passivierungsschicht als dielektrischer Bragg-Spiegel (DBR) ausgebildet sein.
Eine Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht mittels des Kontaktstegs kann beispielsweise durch eine Durchgangsöffnung in der Passivierungsschicht erfolgen, durch die sich Material des Kontaktstegs hindurch erstreckt. Alternativ kann sich die Passivierungsschicht beispielsweise lediglich in einem Bereich des Kontaktstegs lateral über die erste Halbleiterschicht erstrecken, wobei eine Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht dann mittels einer Stromaufweitungsschicht erfolgen kann, die zwischen dem Kontaktsteg und der Passivierungsschicht angeordnet ist und sich von dem Kontaktsteg lateral hin zu einer durch die Passivierungsschicht unbedeckte Oberfläche der ersten Halbleiterschicht erstreckt.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst der Halbleiterchip eine den Kern verkapselnde Passivierung, die die Deckfläche und die Seitenflächen des Kerns bedeckt und zwei oder mehr Dielektrika aufweist. Die Passivierung kann insbesondere auf einer Außenfläche des metallischen Mantels angeordnet sein.
Beispielsweise weist die Passivierungsschicht zwei oder mehr der Materialien Al2O3, TaO5, ZrO2, SiNx, SiOxNy, SiO2, TiO2, ZrO2, HfO2, Nb2O5 oder MgF2 auf oder besteht daraus. Insbesondere ist die Passivierungsschicht feuchtedicht ausgebildet. In vorteilhafter Weise trägt dies zu einer besonders hohen Lebensdauer des optoelektronischen Halbleiterchips bei. Insbesondere können so Fehlertoleranzen bei der Verkapselung des Kerns mittels des metallischen Mantels ausgeglichen werden. Beispielhaft weist die Passivierungsschicht eine dem Mantel zugewandte feuchtedichte Schicht aus Aluminiumoxid und eine vom Mantel abgewandte Abschlussschicht aus Siliziumoxid auf.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt bedeckt der metallische Mantel die Deckfläche und die Seitenflächen des metallischen Kerns vollständig.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips. Bei dem Verfahren wird ein Halbleiterschichtenstapel bereitgestellt und eine metallische Kontaktschicht auf dem Halbleiterschichtenstapel aufgebracht. Ferner wird ein metallischer Kern auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite der metallischen Kontaktschicht aufgebracht, der auf einer dem Halbleiterschichtenstapel abgewandten Seite eine Deckfläche sowie sich von der Deckfläche zu dem Halbleiterschichtenstapel erstreckende Seitenflächen aufweist. Schließlich wird ein den metallischen Kern verkapselnder metallischer Mantel derart aufgebracht, dass die Deckfläche und die Seitenflächen des metallischen Kerns bedeckt sind. Die metallische Kontaktschicht, der metallische Kern und der metallische Mantel bilden hierbei einen Kontaktsteg zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels.
Vorzugsweise wird der optoelektronische Halbleiterchip gemäß dem ersten Aspekt durch das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt hergestellt. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für den optoelektronischen Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird vor dem Aufbringen der metallischen Kontaktschicht eine strukturierte Maske auf die der zweiten Halbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht aufgebracht.
Beispielsweise umfasst die Maske Fotolack, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird Material der metallischen Kontaktschicht, des metallischen Kerns, des metallischen Mantels und der Abschlussschicht jeweils aufgedampft. Das Aufbringen der Schichten mittels Aufdampfen zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass diese mit einem hohen Grad an Genauigkeit strukturiert aufgebracht werden können, beispielsweise mittels eines Lithographieverfahrens.
In zumindest einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird Material des metallischen Mantels unter Einsatz von Streugas aufgedampft. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine hinreichende Verkapselung des metallischen Kerns auch von dessen Seitenflächen.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1a–1f Verfahrensschritte zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, dargestellt in schematischer Schnittansicht,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips in schematischer Schnittansicht,
3 wellenlängenabhängige Reflexionskoeffizienten unterschiedlicher Kontaktstegmaterialien,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips in schematischer Schnittansicht,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips in schematischer Schnittansicht.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
1a zeigt einen optoelektronischen Halbleiterchip 100 mit einem Halbleiterschichtenstapel 10 umfassend eine erste Halbleiterschicht 11, eine zweite Halbleiterschicht 17 und eine zwischen den Halbleiterschichten angeordnete aktive Schicht 19. Bei der ersten und zweiten Halbleiterschicht 11, 17 handelt es sich um Halbleiterschichten unterschiedlichen Typs. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der ersten Halbleiterschicht 11 um p-dotiertes GaN und bei der zweiten Halbleiterschicht 17 um n-dotiertes GaN.
Der Halbleiterschichtenstapel 10 ist vorteilhaft auf einem Substrat 40 angeordnet, wobei beispielsweise die n-dotierte zweite Halbleiterschicht 17 diesem zugewandt ist. Bei dem Substrat 40 kann es sich vorteilhaft um ein Saphirsubstrat handeln, wobei der Halbleiterchip 100 als Volumenemitter ausgebildet sein kann.
Bei Herstellung des Halbleiterchips 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird zunächst eine strukturierte Maske 50 auf die p-dotierte Halbleiterschicht 11 aufgebracht. Die strukturierte Maske 50 umfasst vorteilhaft Fotolack, beispielsweise einen Negativlack. Die Strukturierung der Maske 50 wird vorteilhaft für eine anschließende Ausbildung eines oder mehrere Kontaktstege 20 (siehe 1f) gewählt.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird eine metallische Kontaktschicht 21 mittels der strukturierten Maske 50 in einem vorgegebenen Bereich auf der ersten Halbleiterschicht 11 abgeschieden, beispielsweise durch Aufdampfen. Die Kontaktschicht 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Titan oder Chrom ausgebildet.
1b zeigt den Halbleiterchip 100 in einem anschließenden Verfahrensschritt. Zur vereinfachten Darstellung ist im Folgenden lediglich die erste Halbleiterschicht 11 der Halbleiterschichtenfolge 10 dargestellt. In dem dargestellten Verfahrensschritt wird in diesem Ausführungsbeispiel Material eines metallischen Mantels (vgl. 1d) auf der Kontaktschicht 21 abgeschieden. Beispielsweise wird eine damit entstehende Schicht 23a des Mantels durch Aufdampfen hergestellt. Die Schicht 23a ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Edelmetall wie Platin, Palladium oder Rhodium ausgebildet. Alternativ hierzu ist auch denkbar die Schicht 23a aus Gold auszubilden.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt (1c) wird ein metallischer Kern 25 auf die Schicht 23a aufgebracht. Der Kern 25 dient dem Stromtransport und ist aus Silber oder Kupfer ausgebildet.
Anschließend (1d) wird der Kern 25 mit weiterem Material des vorgenannten Mantels 23 verkapselt, so dass der Kern 25 auch an seinen Seitenflächen sowie auf seiner Oberseite vollständig bedeckt ist. Hierzu wird der Mantel 23 beispielsweise durch Aufdampfen unter Einsatz von Streugas hergestellt.
In einem optionalen, darauffolgenden Verfahrensschritt (1e) wird eine dünne Abschlussschicht 29 aus Gold auf den Mantel 23 abgeschieden, die eine für einen Bondprozess mit einem Golddraht geeignete Oberfläche bietet.
Abschließend (1f) kann die strukturierte Maske 50 entfernt werden, und der Halbleiterchip 100 beispielsweise mit einem Verguss und/oder einer Konversionsschicht versehen werden (nicht gezeigt). Die Kontaktschicht 21, der Kern 25, der Mantel 23 sowie die Abschlussschicht 29 bilden einen Kontaktsteg 20 zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 10, insbesondere der ersten Halbleiterschicht 11. In vorteilhafter Weise erfolgt bei den im Herstellungsprozess auftretenden Temperaturen keine Vermischung von Material der Abschlussschicht 29 und des Mantels 23 erfolgt.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 100, der im Wesentlich analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden kann.
Der Halbleiterchip 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Kontaktschicht 21 aus Aluminium oder Aluminium-Kupfer ausgebildet ist. Wie in 2 gezeigt kann ferner die Schicht 23a (vgl. 1b und 1c) durch eine Barrierenschicht 27 aus Titan und/oder Platin ersetzt werden. Alternativ zu der Darstellung in 2 kann die Barrierenschicht 27 auch mit reduzierter Schichtdicke ausgebildet sein oder vollständig entfallen, so dass der Kern 25 direkt auf der Kontaktschicht 21 aus Aluminium oder Aluminium-Kupfer angeordnet ist. Als Material für den Mantel 23 ist in diesem Fall insbesondere Rhodium, Platin oder Palladium geeignet.
Die Seitenflächen des Kontaktstegs 20 werden durch Material des Mantels 23 gebildet und können im blauen Wellenlängenbereich bei etwa 450nm einen höheren Reflexionskoeffizienten Γ als Gold aufweisen (vergleiche 3), was insbesondere für unter einem flachen Winkel an einer dem Kontaktsteg 20 zugewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 10 austretendes Licht L1 vorteilhaft ist. Die goldene Abschlussschicht 29 weist hingegen einen hohen Reflexionskoeffizienten Γ für Wellenlängen oberhalb von 550nm auf, was vorteilhaft für im Verguss des Halbleiterchips 100 konvertiertes und auf den Halbleiterchip 100 zurückgeworfenes Licht L2 ist.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 100. Im Gegensatz zu den beiden vorigen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der ersten Halbleiterschicht 11 um p-dotiertes GaN und bei der zweiten Halbleiterschicht um n-dotiertes GaN (nicht gezeigt). Darüber hinaus weist der Halbleiterchip 100 in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch leitfähige Stromaufweitungsschicht 13 auf, die die erste Halbleiterschicht 11 zumindest bereichsweise bedeckt. Die Stromaufweitungsschicht 13 enthält vorzugsweise ein transparentes, leitfähiges Oxid (TCO Transparent Conductive Oxide), wie zum Beispiel ITO.
Analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel kann in diesem Ausführungsbeispiel die Schicht 23a bzw. die Barrierenschicht 27 vollständig entfallen, so dass der Kern 25 direkt auf der Kontaktschicht 21 angeordnet ist. Die Kontaktschicht 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium oder Aluminium-Kupfer ausgebildet.
Darüber hinaus weist der Halbleiterchip 100 eine Spiegelschicht 15 auf, die auch als „p-blocking oxide“ bezeichnet werden kann. Diese kann als Siliziumdioxid-Schicht oder als Mehrschichter/DBR aus z.B. Siliziumdioxid und Titan(IV)-oxid ausgebildet sein. Weitere Gängige Magnesiumflorid Mg2f, Nioboxid Nb2O5. Hierdurch kann ein Reflexionskoeffizient an der der ersten Halbleiterschicht 11 zugewandten Grenzfläche der Spiegelschicht 15 gesteigert werden, wodurch ein Absorptionskoeffizient der darüberliegenden Metalle des Kontaktstegs 20 vernachlässigt werden kann. Somit kann beispielsweise die reflektierende Schicht 23a zwischen der Kontaktschicht 21 und dem Kern 25 entfallen.
4 zeigt überdies beispielhaft eine abschließend aufgebrachte Passivierung 30, die eine Siliziumdioxidschicht aufweisen kann.
Anhand der 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 100 in erweiterter Form gezeigt. Analog zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der ersten Halbleiterschicht 11 um n-dotiertes GaN und bei der zweiten Halbleiterschicht 17 um p-dotiertes GaN. Darüber hinaus weist der Halbleiterchip 100 in diesem Ausführungsbeispiel analog zu dem dritten Ausführungsbeispiel eine Spiegelschicht 15 auf, die hier auch als „n-blocking oxide“ bezeichnet werden kann. Diese kann ebenfalls als Siliziumdioxid-Schicht oder als Mehrschichter/DBR aus z.B. Siliziumdioxid und Titan(IV)-oxid ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Reflexionskoeffizient an der der ersten Halbleiterschicht 11 zugewandten Grenzfläche der Spiegelschicht 15 gesteigert werden, wodurch ein Absorptionskoeffizient der darüberliegenden Metalle des Kontaktstegs 20 vernachlässigt werden kann.
Der Kontaktsteg 20 ist beispielsweise in einem Mesagraben angeordnet. Hierbei ist vor Aufbringen der Kontaktschicht 21 eine Mesastruktur in die Halbleiterschichtenfolge 10 eingebracht und mit der Spiegelschicht 15 bedeckt worden. In einem Bereich der Mesastruktur bzw. des Kontaktstegs 20 ist die Spiegelschicht 15 beispielsweise entfernt und weist eine Durchgangsöffnung auf, so dass die Kontaktschicht 21 in direktem Kontakt zu der ersten Halbleiterschicht 11 angeordnet ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

100: Halbleiterchip
10: Halbleiterschichtenfolge
11: erste Halbleiterschicht
13: Stromaufweitungsschicht
15: Spiegelschicht
17: zweite Halbleiterschicht
19: aktive Schicht
20: Kontaktsteg
21: metallische Kontaktschicht
23: metallischer Mantel
25: metallischer Kern
27: Barrierenschicht
29: Abschlussschicht
30: Passivierung
40: Substrat
50: Maske
L1, L2: reflektiertes Licht
Γ: Reflexionskoeffizient
λ: Wellenlänge

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (100), umfassend – einen Halbleiterschichtenstapel (10), – eine auf dem Halbleiterschichtenstapel (10) angeordnete metallische Kontaktschicht (21), – einen auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite der Kontaktschicht (21) angeordneten metallischen Kern (25), der auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite eine Deckfläche sowie sich von der Deckfläche zu dem Halbleiterschichtenstapel (10) erstreckende Seitenflächen aufweist, und – einen den Kern (25) verkapselnden metallischen Mantel (23), der die Deckfläche und die Seitenflächen des Kerns (25) bedeckt, wobei die Kontaktschicht (21), der Kern (25) und der Mantel (23) einen Kontaktsteg (20) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels (10) bilden.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 1, wobei der Kern (25) Silber und/oder Kupfer aufweist oder daraus besteht.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mantel (23) zumindest eines der folgenden Materialien aufweist oder daraus besteht: Platin, Palladium, Rhodium oder Gold.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mantel (23) eine dem Halbleiterschichtenstapel (10) zugewandte Seite des Kerns (25) bedeckt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontaktschicht (21) zumindest eines der folgenden Materialien aufweist oder daraus besteht: Titan, Chrom, Aluminium, Kupfer, Molybdän, Nickel oder Silber.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine auf einer Deckfläche des Mantels (23) angeordnete Abschlussschicht (29) aus Gold.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 6, wobei eine Schichtdicke der Abschlussschicht (29) zwischen 100nm und 2000nm beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7, wobei der Kern (25) eine Schichtdicke aufweist, die größer oder gleich der Schichtdicke der Abschlussschicht (29) ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Saphirsubstrat, ein SiC-Substrat oder ein GaN-Substrat.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine erste Halbleiterschicht (11), eine zweite Halbleiterschicht (17) und eine zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht (11, 17) angeordnete aktive Schicht (19).
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 10, wobei die aktive Schicht (19) zur Erzeugung oder Detektion elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, umfassend eine auf einer der zweiten Halbleiterschicht (17) abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht (11) angeordnete Konversionsschicht.
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend eine auf einer der ersten Halbleiterschicht (11) zugewandten Seite der zweiten Halbleiterschicht (17) angeordnete Spiegelschicht (15).
Optoelektronischer Halbleiterchip (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine den Kern (25) verkapselnde Passivierung (30), die die Deckfläche und die Seitenflächen des Kerns (25) bedeckt und zwei oder mehr Dielektrika aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mantel (23) die Deckfläche und Seitenflächen des Kerns (25) vollständig bedeckt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips (100), bei dem: – ein Halbleiterschichtenstapel (10) bereitgestellt wird, – eine metallische Kontaktschicht (21) auf dem Halbleiterschichtenstapel (10) aufgebracht wird, – ein metallischer Kern (25) auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite der Kontaktschicht (21) aufgebracht wird, der auf einer dem Halbleiterschichtenstapel (10) abgewandten Seite eine Deckfläche sowie sich von der Deckfläche zu dem Halbleiterschichtenstapel (10) erstreckende Seitenflächen aufweist, und – ein den Kern (25) verkapselnder metallischer Mantel (23) derart aufgebracht wird, dass die Deckfläche und die Seitenflächen des Kerns (25) bedeckt sind, wobei die Kontaktschicht (21), der Kern (25) und der Mantel (23) einen Kontaktsteg (20) zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels (10) bilden.