DE102017107198A1

DE102017107198A1 - Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchip und optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102017107198A1
Application number: DE102017107198.9A
Authority: DE
Inventors: Isabel Otto; Christian Leirer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN110494994A; KR102328383B1; US11107944B2; US20200194612A1; KR20190132686A; WO2018184842A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) auf einem Substrat (29);
b) Ausbilden zumindest einer Ausnehmung (25), die sich durch den aktiven Bereich erstreckt;
c) Ausbilden einer metallischen Verstärkungsschicht (3) auf der Halbleiterschichtenfolge mittels galvanischer Abscheidung, wobei die metallische Verstärkungsschicht die Halbleiterschichtenfolge vollständig bedeckt und die Ausnehmung zumindest teilweise füllt; und
d) Entfernen des Substrats.
Weiterhin wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips sowie einen optoelektronischen Halbleiterchip.
Zur Herstellung von Dünnfilm-Halbleiterchips, beispielsweise Dünnfilm-Lumineszenzdiodenchips, kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge von einem Aufwachssubstrat auf einen Ersatzträger übertragen werden. Hierfür findet typischerweise ein Bond-Prozess Anwendung, bei dem der Ersatzträger und die Halbleiterschichtenfolge miteinander mechanisch stabil verbunden werden.
Eine Aufgabe ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem optoelektronische Halbleiterchips einfach und zuverlässig hergestellt werden können. Zudem soll ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben werden, der sich durch gute optoelektronische Eigenschaften und eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Verfahren bzw. einen Halbleiterchip gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronisches Halbleiterchips angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich bereitgestellt, beispielsweise auf einem Substrat. Das Substrat ist beispielsweise ein Aufwachssubstrat für eine epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge oder ein vom Aufwachssubstrat verschiedener Hilfsträger, etwa mittels MOCVD oder MBE. Die Halbleiterschichtenfolge weist beispielsweise eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und eine zweite Halbleiterschicht eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps auf, wobei der aktive Bereich zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Der aktive Bereich befindet sich also in einem pn-Übergang.
Die erste Halbleiterschicht, die zweite Halbleiterschicht und der aktive Bereich können jeweils einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Der aktive Bereich ist beispielsweise zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Ausnehmung ausgebildet wird, die sich durch den aktiven Bereich erstreckt. Beim Ausbilden der Ausnehmung wird Material der Halbleiterschichtenfolge entfernt, etwa mittels nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens. Beispielsweise erstreckt sich die zumindest eine Ausnehmung durch die zweite Halbleiterschicht und den aktiven Bereich hindurch. Zum Beispiel endet die Ausnehmung in der ersten Halbleiterschicht oder durchdringt die erste Halbleiterschicht vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine metallische Verstärkungsschicht auf der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet wird. Beispielsweise wird die metallische Verstärkungsschicht mittels galvanischer Abscheidung ausgebildet. Eine galvanische Abscheidung eignet sich insbesondere für vergleichsweise große Schichtdicken, da sich eine galvanische Abscheidung durch deutlich höhere Abscheideraten auszeichnet als beispielsweise ein Verfahren wie Aufdampfen oder Sputtern. Weiterhin kann die zumindest eine Ausnehmung mittels eines galvanischen Verfahrens zuverlässig befüllt werden.
Die metallische Verstärkungsschicht ist beispielsweise so dick, dass sie freitragend ist. Die metallische Verstärkungsschicht ist insbesondere so dick, dass sie zumindest ihr Eigengewicht und beispielsweise zusätzlich auch das Gewicht der Halbleiterschichtenfolge tragen kann.
In vertikaler Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs, beträgt eine Schichtdicke der metallischen Verstärkungsschicht zum Beispiel mindestens 3 µm, mindestens 5 µm, mindestens 10 µm oder mindestens 100 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die metallische Verstärkungsschicht die Halbleiterschichtenfolge vollständig. Die metallische Verstärkungsschicht wird also derart ausgebildet, dass die Halbleiterschichtenfolge vollflächig überdeckt wird. Eine Strukturierung der metallischen Verstärkungsschicht in lateraler Richtung ist also nicht erforderlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens füllt die metallische Verstärkungsschicht zumindest teilweise die Ausnehmung. In vertikaler Richtung gesehen, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge, erstreckt sich die metallische Verstärkungsschicht also zumindest teilweise in die Ausnehmung hinein. Insbesondere ist die Ausnehmung nach dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht vollständig mit fester Materie gefüllt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem das Substrat entfernt wird. Das Entfernen des Substrats erfolgt insbesondere nach dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht. Mittels der metallischen Verstärkungsschicht kann die Halbleiterschichtenfolge mechanisch stabilisiert werden, sodass das Substrat hierfür nicht mehr erforderlich ist und deshalb entfernt werden kann.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf einem Substrat bereitgestellt. Zumindest eine Ausnehmung, die sich durch den aktiven Bereich erstreckt, wird ausgebildet. Eine metallische Verstärkungsschicht wird auf der Halbleiterschichtenfolge mittels galvanischer Abscheidung ausgebildet, wobei die metallische Verstärkungsschicht die Halbleiterschichtenfolge vollständig bedeckt und die Ausnehmung zumindest teilweise füllt. Das Substrat wird entfernt.
Die metallische Verstärkungsschicht kann also die Funktion eines Trägers erfüllen, der die Halbleiterschichtenfolge mechanisch stabilisiert. Ein Umbonden der Halbleiterschichtenfolge auf einen Ersatzträger ist also nicht erforderlich, kann jedoch zusätzlich erfolgen. Für die metallische Verstärkungsschicht besteht eine große Auswahl hinsichtlich des Materials. Beispielsweise eignet sich für eine galvanische Abscheidung Nickel, Gold, Kupfer, Palladium, Rhodium oder Silber. Die metallische Verstärkungsschicht selbst kann auch mehrschichtig ausgebildet sein.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass bei einer galvanischen Abscheidung mittels der Prozessparameter eine Verspannung der metallischen Verstärkungsschicht gezielt einstellbar ist. Mechanischen Verspannungen im Halbleiterchip, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Träger, kann so entgegengewirkt werden. Beispielsweise erfolgt die Einstellung der Verspannung über die Bestandteile des Elektrolyts für die galvanische Abscheidung, den pH-Wert, beigegebene Additive, die Drehzahl, den Fluss, die Stromstärke, den zeitlichen Verlauf der Stromstärke, etwa in Rampenform, oder die Temperatur.
Ferner zeichnet sich eine galvanische Abscheidung durch einen geringen Materialbedarf aus, da nur so viel Material abgeschieden werden muss, wie für die metallische Verstärkungsschicht tatsächlich erforderlich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht eine Keimschicht ausgebildet. Beispielsweise wird die Keimschicht durch Aufdampfen oder Sputtern auf der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet. Die Keimschicht ist insbesondere elektrisch leitfähig. Die Keimschicht wird zum Beispiel vollflächig auf der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet.
Beispielsweise ist die Keimschicht als eine Spiegelschicht ausgebildet, die die vom aktiven Bereich zu erzeugende oder zu empfangende Strahlung reflektiert. Alternativ kann vor dem Ausbilden der Keimschicht eine Spiegelschicht auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden. In beiden Fällen beträgt eine Reflektivität der Spiegelschicht für eine Peak-Wellenlänge der im aktiven Bereich zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung beispielsweise mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 80 %.
Mittels der Spiegelschicht können im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips in Richtung der metallischen Verstärkungsschicht verlaufende Strahlungsanteile von der Spiegelschicht reflektiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt eine vertikale Ausdehnung der metallischen Verstärkungsschicht mindestens 5 µm oder mindestens 10 µm. Beispielsweise ist die vertikale Ausdehnung der metallischen Verstärkungsschicht mindestens so groß wie die vertikale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise beträgt die vertikale Ausdehnung höchstens 200µm oder höchstens 150 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens bildet die metallische Verstärkungsschicht einen Träger des Halbleiterchips, der die Halbleiterschichtenfolge mechanisch stabilisiert. Beispielsweise beträgt eine vertikale Ausdehnung der metallischen Verstärkungsschicht zwischen einschließlich 50 µm und einschließlich 200 µm, insbesondere zwischen einschließlich 100 µm und einschließlich 150 µm.
Beispielsweise beträgt die vertikale Ausdehnung der metallischen Verstärkungsschicht mindestens 60 % oder mindestens 80 % der gesamten vertikalen Ausdehnung des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der metallischen Verstärkungsschicht ein Träger befestigt. Der Träger ist beispielsweise elektrisch leitfähig. Zum Beispiel enthält der Träger ein Metall oder besteht aus einem Metall. Alternativ kann der Träger ein Halbleitermaterial enthalten oder aus einem Halbleitermaterial bestehen. Der Träger bewirkt also allein oder zumindest gemeinsam mit der metallischen Verstärkungsschicht eine mechanische Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Träger mittels einer direkten Bondverbindung an der metallischen Verstärkungsschicht befestigt. Bei einer direkten Bondverbindung erfolgt die mechanisch stabile Verbindung in der Regel durch Einwirken von Druck und/oder Wärme. Eine direkte Bondverbindung erfolgt beispielsweise mittels van-der-Waals-Bindungen oder Wasserstoffbrücken-Bindungen. Eine gesonderte Fügeschicht wie beispielsweise eine Klebeschicht oder eine Lotschicht ist für die Ausbildung einer direkten Bondverbindung nicht erforderlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die metallische Verstärkungsschicht auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eingeebnet. Beispielsweise wird die metallische Verstärkungsschicht einem chemomechanischen Polierverfahren ausgesetzt. Unebenheiten der metallischen Verstärkungsschicht, beispielsweise aufgrund der zu füllenden Ausnehmung, können so ausgeglichen werden. Insbesondere kann ein Einebnen der metallischen Verstärkungsschicht erfolgen, bevor der Träger mittels einer direkten Bondverbindung an der metallischen Verstärkungsschicht befestigt wird. Die Zuverlässigkeit der direkten Bondverbindung wird so erhöht.
Der durch das Herstellungsverfahren hergestellte Halbleiterchip weist einen Halbleiterkörper mit einem Teil der Halbleiterschichtenfolge auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die zumindest eine Ausnehmung eine innenliegende Ausnehmung, die in lateraler Richtung vollständig von Material des Halbleiterkörpers umgeben ist. Ein Halbleiterkörper kann eine oder mehrere solcher Ausnehmungen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist zumindest eine Ausnehmung eine umlaufende Ausnehmung, die den Halbleiterkörper in lateraler Richtung zumindest stellenweise umläuft.
Bei der Herstellung des Halbleiterchips kann die umlaufende Ausnehmung zwischen zwei nebeneinander herzustellenden Halbleiterchips einen Trenngraben bilden, der die einzelnen Halbleiterkörper in lateraler Richtung voneinander trennt. Mit dem beschriebenen Verfahren können für jeden Halbleiterkörper nur eine oder mehrere innenliegende Ausnehmungen, nur eine umlaufende Ausnehmung oder sowohl eine oder mehrere innenliegenden Ausnehmungen und eine umlaufende Ausnehmung ausgebildet werden. Die zumindest eine innenliegende Ausnehmung und die umlaufende Ausnehmung können in einem gemeinsamen Herstellungsschritt oder in zwei verschiedenen Herstellungsschritten gebildet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Halbleiterkörper nach dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht und nach dem Ablösen des Substrats gebildet. Beispielsweise wird die Halbleiterschichtenfolge von einer der metallischen Verstärkungsschicht abgewandten Seite her zur Ausbildung eines Trenngrabens stellenweise entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die metallische Verstärkungsschicht in der umlaufenden Ausnehmung vom Halbleiterkörper elektrisch isoliert. Im Bereich der umlaufenden Ausnehmung dient die metallische Verstärkungsschicht also nicht der elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens kontaktiert die metallische Verstärkungsschicht den Halbleiterkörper in der umlaufenden Ausnehmung elektrisch. Beispielsweise grenzt die metallische Verstärkungsschicht oder die Keimschicht an die erste Halbleiterschicht an. Die metallische Verstärkungsschicht bildet also einen rahmenförmig um den Halbleiterkörper laufenden elektrischen Anschluss zum Halbleiterkörper, insbesondere zur ersten Halbleiterschicht. Eine elektrische Kontaktierung über innenliegende Ausnehmungen kann zusätzlich erfolgen, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip weist in zumindest einer Ausführungsform einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge einen zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist. Der Halbleiterchip weist zumindest eine Ausnehmung auf, die sich durch den aktiven Bereich erstreckt. Der Halbleiterchip umfasst eine metallische Verstärkungsschicht, die die Halbleiterschichtenfolge vollständig bedeckt und die Ausnehmung zumindest teilweise füllt. Der Halbleiterchip ist frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel bildet die metallische Verstärkungsschicht einen Träger des Halbleiterchips oder auf einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der metallischen Verstärkungsschicht ist ein Träger angeordnet.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist zur Herstellung des Halbleiterchips besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Verfahren angeführte Merkmale können daher auch für den Halbleiterchip herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

die 1A bis 1F ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten in Schnittansicht (1A bis 1E) und in Draufsicht in 1F;
die 2A bis 2D ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten;
die 3A bis 3C ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; und
die 4A bis 4C ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips anhand von schematisch dargestellten Zwischenschritten in Schnittansicht (4A und 4B) sowie in Draufsicht (4C).

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den 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.
In den 1A bis 1F ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips gezeigt, wobei in 1E ein Ausschnitt eines fertiggestellten Halbleiterchips in einer Schnittansicht entlang der in 1F abgebildeten Draufsicht gezeigten Linie AA' dargestellt ist.
Zur vereinfachten Darstellung ist in den Figuren lediglich ein Ausschnitt der Halbleiterschichtenfolge 2 gezeigt, aus der während des Verfahrens ein optoelektronischer Halbleiterchip hervorgeht. Typischerweise wird eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterchips gleichzeitig in einem Verbund hergestellt. Bei der Vereinzelung des Verbunds entstehen die Halbleiterchips, wobei für jeden vereinzelten Halbleiterchip ein Halbleiterkörper aus der Halbleiterschichtenfolge 2 gebildet ist.
Eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem zur Erzeugung von Strahlung oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 wird auf einem Substrat 29 bereitgestellt (1A). Beispielsweise ist das Substrat 29 ein Aufwachssubstrat für die Herstellung der Halbleiterschichtenfolge 2 mittels eines Epitaxie-Verfahrens, etwa mittels MOCVD oder MBE.
Der aktive Bereich 20 ist zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 eines ersten Leitungstyps, beispielsweise n-leitend, und einer zweiten Halbleiterschicht 22 mit einem vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyp, beispielsweise p-leitend, angeordnet. Der aktive Bereich 20, die erste Halbleiterschicht 21 und die zweite Halbleiterschicht 22 können jeweils mehrschichtig ausgebildet sein. Details dieser Schichten sind zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
In der Halbleiterschichtenfolge 2 wird eine Ausnehmung 25 ausgebildet, die sich durch den aktiven Bereich 20 erstreckt.
Die Ausnehmung 25 durchdringt insbesondere die zweite Halbleiterschicht 22 und den aktiven Bereich 20 und endet in der ersten Halbleiterschicht 21. Beispielsweise wird die Ausnehmung durch ein nasschemisches oder trockenchemisches Ätzverfahren ausgebildet.
Zumindest die Seitenflächen der Ausnehmung 25 sind stellenweise von einer Isolationsschicht 6, etwa einer dielektrischen Oxid-Schicht oder einer Nitrid-Schicht, bedeckt. Für die spätere elektrische Kontaktierung ist in der Isolationsschicht 6 im Bereich der Ausnehmung 25 eine Öffnung ausgebildet, in der die erste Halbleiterschicht 21 freiliegt.
Davon abweichend kann die Isolationsschicht 6 auch einem anisotropen Rückätz-Prozess ausgesetzt werden, sodass die Isolationsschicht 6 an horizontalen Flächen, die im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge verlaufen, entfernt wird, während vertikal oder im Wesentlichen vertikal verlaufende Flächen, wie Seitenflächen der Ausnehmungen 25, beschichtet bleiben. Insbesondere im Vergleich zur Ausbildung einer Öffnung in der Isolationsschicht mittels eines photolithographischen Verfahrens kann so die laterale Ausdehnung der Ausnehmung 25 und damit der Flächenverlust für den aktiven Bereich 20 minimiert werden.
Auf der Halbleiterschichtenfolge 2 ist eine Anschlussschicht 4 angeordnet. Die Anschlussschicht 4 ist zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht 22 vorgesehen. Weiterhin ist auf der Halbleiterschichtenfolge 2 eine Isolationsschicht 6 angeordnet, welche die Anschlussschicht 4 vollständig bedeckt und auch die Seitenflächen der Ausnehmungen 25 zumindest auf Höhe des aktiven Bereichs 20 bedeckt.
Wie in 1B dargestellt, wird eine Keimschicht 31 auf der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet. Die Keimschicht 31 kann vollflächig ausgebildet werden, sodass eine Strukturierung der Keimschicht oder ein strukturiertes Aufbringen der Keimschicht nicht erforderlich ist. In der Ausnehmung 25 grenzt die Keimschicht 31 an die erste Halbleiterschicht 21 an. Die Keimschicht 31 ist beispielsweise als eine Spiegelschicht für die im aktiven Bereich 20 im Betrieb zu erzeugende oder zu empfangende Strahlung ausgebildet. Beispielsweise enthält die Keimschicht 31 ein Material mit einer hohen Reflektivität im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, etwa Silber, Nickel, Palladium, Rhodium, Chrom oder Gold.
Grundsätzlich eignet sich für die Keimschicht 31 jedoch auch ein anderes elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Kupfer. Die Keimschicht 31 kann auch mehrschichtig ausgebildet sein.
Auf der unstrukturierten Keimschicht 31 wird nachfolgend eine metallische Verstärkungsschicht 3 aufgebracht (1C). Die metallische Verstärkungsschicht wird insbesondere mittels eines galvanischen Verfahrens abgeschieden. Beispielsweise enthält die metallische Verstärkungsschicht Nickel, Gold oder Kupfer oder ein anderes Metall. Die metallische Verstärkungsschicht 3 kann auch mehrschichtig ausgebildet sein, beispielsweise mit einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Gold-Schicht und einer auf der der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite der Gold-Schicht angeordneten Nickel-Schicht. Bei einer mehrschichtigen Ausbildung der metallischen Verstärkungsschicht beträgt beispielsweise eine Dicke der der Halbleiterschichtenfolge am nächsten liegenden Schicht, etwa der Gold-Schicht, höchstens 50 % oder höchstens 10 % der Dicke einer nachfolgenden Teilschicht der metallischen Verstärkungsschicht.
Die metallische Verstärkungsschicht 3 wird so dick ausgebildet, dass sie selbsttragend ist und auch in Abwesenheit des Substrats 29 die Halbleiterschichtenfolge 2 mechanisch stabilisieren kann. Beispielsweise entspricht eine Dicke der metallischen Verstärkungsschicht zwischen einschließlich 5 µm und einschließlich 200 µm, etwa zwischen einschließlich 100 µm und einschließlich 150 µm.
Die metallische Verstärkungsschicht 3 kann so ausgebildet werden, dass Verspannungen, beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, etwa gegenüber der Halbleiterschichtenfolge 2 zumindest teilweise kompensiert werden. Eine Einstellung der Verspannung kann während der galvanischen Abscheidung der metallischen Verstärkungsschicht 3 erfolgen, beispielsweise über geeignete Parameter des Elektrolyts, etwa über dessen Bestandteile, über Additive, über den pH-Wert, über die Drehzahl, über den Fluss, die Stromstärke, den zeitlichen Verlauf der Stromstärke, etwa in Rampenform, und/oder über die Temperatur.
In dem in 1C dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf die metallische Verstärkungsschicht 3 ein erster Kontakt 51 ausgebildet. Davon abweichend kann jedoch auch eine der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandte Oberfläche der metallischen Verstärkungsschicht 3 den ersten Kontakt bilden. Nachfolgend wird, wie in 1D dargestellt, das Substrat 29 entfernt, etwa mittels eines Laserabhebeverfahrens (Laser Lift Off, LLO), mittels eines mechanischen Verfahrens und/oder mittels eines chemischen Verfahrens.
Ein Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat entfernt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip bezeichnet.
Ein Dünnfilm-Halbleiterchip, etwa ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip, kann sich weiterhin im Rahmen der vorliegenden Anmeldung durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale auszeichnen:

- an einer zu einem Trägerelement, zum Beispiel der metallischen Verstärkungsschicht 3, hin gewandten ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers 28, der die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem aktiven Bereich 20 umfasst, ist eine Spiegelschicht aufgebracht oder, etwa als Braggspiegel in der Halbleiterschichtenfolge integriert, ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten oder zu detektierenden Strahlung in diese zurückreflektiert;
- die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine Dicke im Bereich von 20µm oder weniger, insbesondere im Bereich von 3 µm bis 10 µm, etwa 5 µm auf; und/oder
- die Halbleiterschichtenfolge 2 enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der Halbleiterschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die so freigelegte erste Halbleiterschicht 21 der Halbleiterschichtenfolge 2 bildet eine Strahlungsdurchtrittsfläche 10 des herzustellenden Halbleiterchips. Diese Fläche kann nach dem Entfernen des Substrats 29 mit einer Aufrauung 27 versehen werden, etwa mittels eines nasschemischen Ätzprozesses.
Nach dem Entfernen des Substrats 29 kann aus der Halbleiterschichtenfolge 2 für jeden herzustellenden Halbleiterchip 1 jeweils ein Halbleiterkörper 28 aus der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet werden.
Ein fertiggestellter Halbleiterchip 1, der durch Vereinzelung aus einem Waferverbund hervorgeht, ist in 1E in einer Schnittansicht entlang der in der 1F gezeigten Linie AA' der Draufsicht des Halbleiterchips gezeigt.
Die einzelnen Halbleiterkörper 28 werden also nach dem Aufbringen der metallischen Verstärkungsschicht aus der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet. Die metallische Verstärkungsschicht 3 erfüllt die Funktion eines Trägers für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 28. Auf einen Umbond-Prozess, bei dem die Halbleiterschichtenfolge 2 auf einen vorgefertigten Träger übertragen wird, kann also verzichtet werden.
Abgesehen von der Gesamtdicke der Halbleiterschichtenfolge 2, welche typischerweise nur wenige Mikrometer beträgt, entspricht die vertikale Ausdehnung des Halbleiterchips 1 im Wesentlichen der vertikalen Ausdehnung der metallischen Verstärkungsschicht 3. Beispielsweise beträgt die vertikale Ausdehnung der Verstärkungsschicht mindestens 70 % oder mindestens 80 % der gesamten vertikalen Ausdehnung des Halbleiterchips 1.
Der Halbleiterchip 1 weist einen zweiten Kontakt 52 auf, der mit der zweiten Halbleiterschicht 22 elektrisch leitend verbunden ist. Zum Beispiel ist der zweite Kontakt 52 eine auf einen freigelegten Bereich der Anschlussschicht 4 abgeschiedene Schicht oder eine freigelegte Oberfläche der Anschlussschicht 4. Der zweite Kontakt 52 ist seitlich des Halbleiterkörpers angeordnet. Die Strahlungsdurchtrittsfläche 10 des Halbleiterkörpers 28 ist also frei von einem externen elektrischen Kontakt, der eine Abschattung bewirken könnte. Der erste Kontakt 51 und der zweite Kontakt 52 sind insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten der metallischen Verstärkungsschicht 3 angeordnet. Über den ersten Kontakt 51 und den zweiten Kontakt 52 ist der Halbleiterchip extern elektrisch kontaktierbar.
Weiterhin kann der Halbleiterkörper 28 auf der der metallischen Verstärkungsschicht 3 abgewandten Seite mit einer Passivierungsschicht überdeckt werden (nicht explizit dargestellt).
Der Halbleiterchip 1 zeichnet sich durch eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von im Betrieb erzeugter Verlustwärme aus. Eine hohe Effizienz auch bei großen Betriebsströmen ist so vereinfacht erzielbar. Weiterhin kann die metallische Verstärkungsschicht 3 eine besonders unempfindliche und effiziente Verkapselung des Halbleiterchips auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche 10 abgewandten Seite bewirken. Eine hohe Lebensdauer des Halbleiterchips wird gefördert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist anhand der 2A bis 2D in schematischer Schnittansicht dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1F beschriebenen Ausführungsbeispiel. Insbesondere können die Halbleiterschichtenfolge 2 und die auf der Halbleiterschichtenfolge 2 abgeschiedenen Schichten bei dem in 2A dargestellten Zwischenstadium wie im Zusammenhang mit der 1A beschrieben ausgebildet sein.
Nach dem Aufbringen der metallischen Verstärkungsschicht 3 wird diese mittels eines Materialabtrags eingeebnet, etwa mittels chemo-mechanischen Polierens. Unebenheiten der metallischen Verstärkungsschicht 3, beispielsweise aufgrund der zu befüllenden Ausnehmung 25, können so ausgeglichen werden, sodass die metallische Verstärkungsschicht 3 auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eben ist. Nachfolgend wird auf die metallische Verstärkungsschicht 3 ein Träger 8 aufgebracht. Dies erfolgt insbesondere mittels einer stoffschlüssigen Verbindung.
Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder molekularer Kräfte zusammengehalten. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels einer Fügeschicht, etwa einer Klebeschicht oder einer Lotschicht, erzielt werden. In der Regel geht eine Trennung der Verbindung mit einer Zerstörung des Verbindungsmittels und/oder zumindest eines der Verbindungspartner einher.
Insbesondere kann eine direkte Bondverbindung Anwendung finden. Bei einer direkten Bondverbindung erfolgt die mechanische Verbindung insbesondere ausschließlich unter Einwirkung von Druck und/oder Hitze. Eine Fügeschicht wie eine Lotschicht oder eine Klebeschicht ist bei einer direkten Bondverbindung nicht erforderlich. Insbesondere kann eine direkte Bondverbindung über van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken-Bindungen erfolgen.
Der Träger 8 ist zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig ausgebildet. Beispielsweise enthält der Träger ein Metall oder besteht aus einem Metall, etwa Kupfer, Aluminium oder Molybdän, oder ein insbesondere dotiertes Halbleitermaterial, etwa Silizium oder Germanium. Eine der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandte Oberfläche des Trägers 8 dient als erster Kontakt 51. Alternativ kann jedoch, wie auch im ersten Ausführungsbeispiel, eine separate Schicht den ersten Kontakt bilden. Die nachfolgenden Schritte, insbesondere das Entfernen des Substrats, das Ausbilden der Halbleiterkörper aus der Halbleiterschichtenfolge und das Ausbilden eines zweiten Kontakts können, wie im Zusammenhang mit den 1D bis 1F beschrieben, erfolgen.
In diesem Ausführungsbeispiel bildet die metallische Verstärkungsschicht 3 zusammen mit dem Träger 8 das die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 28 mechanisch tragende Element. In diesem Ausführungsbeispiel kann die metallische Verstärkungsschicht daher dünner ausgebildet sein und beispielsweise eine Schichtdicke von mindestens 5 µm aufweisen.
Das in den 3A bis 3C gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1F beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu wird, wie in 3A dargestellt, von der dem Substrat 28 abgewandten Seite her eine Mehrzahl von Ausnehmungen 25 ausgebildet. Eine innenliegende Ausnehmung 251 entspricht der in 1A dargestellten Ausnehmung 25. Zusätzlich ist eine umlaufende Ausnehmung 552 ausgebildet, welche sich ebenfalls zumindest durch die zweite Halbleiterschicht 22 und den aktiven Bereich 20 hindurch erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Halbleiterkörper 28 der herzustellenden Halbleiterchips also noch vor dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht 3 aus der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet.
Auf der Halbleiterschichtenfolge 2 wird vollflächig eine Keimschicht 31 ausgebildet. Nachfolgend wird eine metallische Verstärkungsschicht 3 vollflächig aufgebracht. Die metallische Verstärkungsschicht befüllt die innenliegende Ausnehmung 251 und die umlaufende Ausnehmung 252. In der innenliegende Ausnehmung 251 sind die Keimschicht und die metallische Verstärkungsschicht elektrisch leitend mit der ersten Halbleiterschicht 21 verbunden. In der umlaufenden Ausnehmung 252 sind diese Schichten mittels der Isolationsschicht 6 von der ersten Halbleiterschicht 21 elektrisch isoliert. Die metallische Verstärkungsschicht 3 verläuft auf Höhe des aktiven Bereichs 20 zumindest stellenweise entlang des Umfangs des Halbleiterkörpers 28 eines herzustellenden Halbleiterchips.
Nach dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht 3 können, wie im Zusammenhang mit den 1D bis 1F beschrieben, die weiteren Herstellungsschritte durchgeführt werden, insbesondere das Entfernen des Substrats 29, das Ausbilden der Aufrauung 27 und das Ausbilden eines zweiten Kontakts 52.
Die umlaufende Ausnehmung 252 muss sich in dem in 3A dargestellten Zwischenschritt nicht notwendigerweise durch die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch erstrecken. Alternativ ist auch denkbar, dass sich die umlaufende Ausnehmung 252 in vertikaler Richtung nur teilweise durch die Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch erstreckt und im Bereich der umlaufenden Ausnehmung Material der Halbleiterschichtenfolge 2 beim Ausbilden der Aufrauung 27 entfernt wird.
Die metallische Verstärkungsschicht 3 bildet eine metallische Verkapselung des herzustellenden Halbleiterkörpers, wobei die metallische Verstärkungsschicht die dem Substrat abgewandte Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 und die Seitenflächen des Halbleiterkörpers 28 vollständig oder zumindest auf Höhe des aktiven Bereichs 20, bedeckt. Selbstverständlich kann auch bei dieser Variante des Herstellungsverfahrens auf die metallische Verstärkungsschicht 3 ein Träger 8 aufgebracht werden, insbesondere wie im Zusammenhang mit 2C beschrieben.
In den 4A bis 4C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 3A bis 3C beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist die Keimschicht 31 zusätzlich zu einer Spiegelschicht 7 vorgesehen. Die Spiegelschicht 7 befindet sich zwischen der Keimschicht 31 und der Halbleiterschichtenfolge 2. Das Material für die Keimschicht ist in diesem Fall unabhängig von der Reflektivität des Materials wählbar. Die Spiegelschicht 7 kann selbst auch mehrschichtig sein und beispielsweise eine metallische Schicht und eine ein TCO-Material enthaltende Schicht aufweisen (TCO: transparentes leitfähiges Oxid, englisch Transparent Conductive Oxide).
Selbstverständlich kann eine derartige zusätzliche Spiegelschicht auch bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen Anwendung finden oder im vorliegenden Ausführungsbeispiel weggelassen werden.
Weiterhin sind die metallische Verstärkungsschicht 3 und die Keimschicht 31 im Bereich der umlaufenden Ausnehmung 252 mit der ersten Halbleiterschicht 21 elektrisch leitend verbunden.
Die metallische Verstärkungsschicht 3 bildet also einen zumindest stellenweise entlang eines Umfangs des Halbleiterkörpers 28 verlaufenden elektrischen Anschluss 35. Mit anderen Worten ist der Halbleiterkörper 28 rahmenförmig entlang seines Umfangs elektrisch kontaktiert.
Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend kann, abhängig von der Querleitfähigkeit der ersten Halbleiterschicht 21 und der lateralen Ausdehnung des Halbleiterkörpers 28, auch auf die innenliegenden Ausnehmungen 251 verzichtet werden, sodass die umlaufende Ausnehmung 252 die einzige Ausnehmung ist, die von der dem Substrat 28 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 2 her in diese eingebracht wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterchip
10: Strahlungsdurchtrittsfläche
2: Halbleiterschichtenfolge
20: aktiver Bereich
21: erste Halbleiterschicht
22: zweite Halbleiterschicht
25: Ausnehmung
251: innenliegende Ausnehmung
252: umlaufende Ausnehmung
27: Aufrauung
28: Halbleiterkörper
29: Substrat
3: metallische Verstärkungsschicht
31: Keimschicht
35: elektrischer Anschluss
4: Anschlussschicht
51: erster Kontakt
52: zweiter Kontakt
6: Isolationsschicht
7: Spiegelschicht
8: Träger

Claims

Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) auf einem Substrat (29); b) Ausbilden zumindest einer Ausnehmung (25), die sich durch den aktiven Bereich erstreckt; c) Ausbilden einer metallischen Verstärkungsschicht (3) auf der Halbleiterschichtenfolge mittels galvanischer Abscheidung, wobei die metallische Verstärkungsschicht die Halbleiterschichtenfolge vollständig bedeckt und die Ausnehmung zumindest teilweise füllt; und d) Entfernen des Substrats.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Ausbilden der metallischen Verstärkungsschicht eine Keimschicht (31) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Keimschicht als eine Spiegelschicht ausgebildet wird oder vor dem Ausbilden der Keimschicht eine Spiegelschicht (7) auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die metallische Verstärkungsschicht einen Träger (8) des Halbleiterchips bildet, der die Halbleiterschichtenfolge mechanisch stabilisiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach Schritt c) auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der metallischen Verstärkungsschicht ein Träger (8) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Träger mittels einer direkten Bondverbindung an der metallischen Verstärkungsschicht befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die metallische Verstärkungsschicht auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eingeebnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterchip einen Halbleiterkörper (28) mit der Halbleiterschichtenfolge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Ausnehmung eine innenliegende Ausnehmung (251) ist, die in lateraler Richtung vollständig von Material des Halbleiterkörpers umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zumindest eine Ausnehmung eine umlaufende Ausnehmung (252) ist, die den Halbleiterkörper in lateraler Richtung zumindest stellenweise umläuft.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die metallische Verstärkungsschicht in der umlaufenden Ausnehmung vom Halbleiterkörper elektrisch isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die metallische Verstärkungsschicht den Halbleiterkörper in der umlaufenden Ausnehmung elektrisch kontaktiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Halbleiterkörper nach Schritt c) und nach Schritt d) aus der Halbleiterschichtenfolge gebildet wird.
Optoelektronischer Halbleiterchip umfassend: - einen Halbleiterkörper (28) mit einer Halbleiterschichtenfolge (2), die einen zum Erzeugen oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist; - zumindest eine Ausnehmung (25), die sich durch den aktiven Bereich erstreckt; - eine metallische Verstärkungsschicht (3), die die Halbleiterschichtenfolge vollständig bedeckt und die Ausnehmung zumindest teilweise füllt; wobei der Halbleiterchip frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge ist und wobei (i) die metallische Verstärkungsschicht einen Träger (8) des Halbleiterchips bildet oder (ii) auf einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der metallischen Verstärkungsschicht ein Träger (8) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 14, der nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist.