WO2019175334A1 - Optoelektronischer halbleiterchip und herstellungsverfahren für einen optoelektronischen halbleiterchip - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip und herstellungsverfahren für einen optoelektronischen halbleiterchip Download PDF

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adhesion
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Johannes Saric
Wolfgang Schmid
Anna STROZECKA-ASSIG
Johannes Baur
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • An optoelectronic semiconductor chip is specified.
  • Atomic layer deposition is encapsulated.
  • An object to be solved is to provide an optoelectronic semiconductor chip having a mirror with a
  • This task is among others by a
  • Optoelectronic semiconductor chip provided for generating radiation, in particular for the generation of near ultraviolet radiation, visible light and / or near-infrared radiation.
  • the semiconductor chip is, for example, a light-emitting diode chip or a laser diode chip.
  • the semiconductor chip is preferably an LED chip for generating green, yellow, orange or red light.
  • the semiconductor chip comprises a semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence includes at least one active zone for generating radiation.
  • the active zone is preferably located between a p-doped side and an n-doped side of the semiconductor layer sequence. In the active zone is in particular one
  • the active zone extends in particular perpendicular to a growth direction of
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As or as Al n Ga m In ] __ nm As P ] _-k, where each 0 dn ⁇ 1, 0 dm ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 and 0 dk ⁇ 1 is.
  • semiconductor layer sequence 0 ⁇ n ⁇ 0.8, 0.4 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 and 0 ⁇ k ⁇ 1
  • the semiconductor layer sequence may have dopants and additional constituents. For the sake of simplicity, however, only the essential ones are
  • the metal mirror is as
  • the semiconductor layer sequence is based on AlInGaP and / or on AlInGaAs.
  • a metal mirror for the radiation is located on a rear side of the semiconductor layer sequence opposite a light outcoupling side.
  • a protective metallization is directly on one of the
  • An adhesion-promoting layer is located directly on a side of the metal mirror facing the semiconductor layer sequence.
  • the primer layer is one
  • Metal mirror at least on an outer edge of the
  • Adhesive layer is encapsulated together with the protective metallization against external influences.
  • Silver, so Ag is a material that is desirable because of its high reflectivity as a mirror in light emitting diodes, short LEDs.
  • long-term stability of the LED at high ambient humidity becomes critical.
  • various moisture-induced phenomena can occur, including Ag migration, delamination or chemical degradation of
  • Thin-film technology usually comprises a highly reflective mirror formed of a dielectric and a metal layer behind it.
  • the dielectric part of the mirror typically consists of a single thick layer, but may also be formed by a plurality of dielectric layers of different materials.
  • a material with a high reflectivity from the green spectral range to the infrared is selected, for example Au or Ag.
  • Au is usually the material of choice for InAlP / AlGaAs LEDs.
  • the second point is usually made by using a
  • TCO material such as ITO or ZnO.
  • TCOs do not efficiently act as a moisture barrier, so the metal layer does not exist directly at the interface with the dielectric
  • Edges of the metal layer are open at a chip edge.
  • the material of the metal mirror is directly in contact with the humidity of the environment.
  • Adhesive layer This can happen, in particular, when the adhesive layer degrades at the interface or
  • the semiconductor chip described here is based, in particular, on the following ideas: i) The new primer layer is ensured
  • the new primer layer should be characterized by a high degree of uniformity along edges, steps or other elements of morphology.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • Primer layer is between two layers
  • Protective metallization to be protected by another layer If this additional layer is not electrically conductive, it is locally removed from the chip surface to allow current flow. iii)
  • the mirror is structured in an electrical contact area. In an opening of the metal mirror, the encapsulating metal for the protective metallization is deposited. In this way, the metal mirror in the contact region is separated from the dielectric and blocks the path D).
  • the material of the protective metallization becomes part of the electrical contact with the
  • a second moisture barrier layer may be incorporated to protect the chip sidewalls. In this way it can be prevented that moisture in the dielectric, in particular the reflector, and its
  • the reflector is removed in a region outside the mesa, that is to say in a separating trench between adjacent regions of the semiconductor layer sequence for the semiconductor chips.
  • Dielectric reflector are then with a
  • Semiconductor chip at least one contact layer.
  • Contact layer is preferably made of a transparent
  • the contact layer directly adjoins the semiconductor layer sequence and is set up for current injection into the semiconductor layer sequence.
  • the metal mirror is a silver mirror.
  • the metal mirror may be an aluminum mirror or a gold mirror.
  • Metal mirror in particular silver of the metal mirror, spaced from the contact layer and / or from the
  • the metal mirror and especially silver-containing layers then do not touch the contact layer and / or the semiconductor layer sequence.
  • Adhesive layer of a metal oxide Adhesive layer of a metal oxide.
  • Bonding layer may be made of a dielectric oxide such as alumina.
  • the dielectric oxide such as alumina.
  • Adhesive layer of an electrically conductive material of an electrically conductive material
  • the adhesion promoting layer can also be made of at least one metal or metal nitride such as Pt, Ti, Pd, W and / or WN. Especially in the case of a metallic
  • Primer layer the primer layer is preferably thin, for example at most 10 nm or 5 nm or 2 nm thick.
  • Conductive oxides or TCOs for short, are transparent,
  • electrically conductive materials usually metal oxides, such as zinc oxide, tin oxide, cadmium oxide,
  • binary metal oxygen compounds such as ZnO, SnO 2 or Ih2q3 also include ternary
  • TCOs do not necessarily correspond to a stoichiometric composition and may also be p-doped or n-doped;
  • ZnO is preferably a doping with Al and / or Ga before.
  • Bonding layer by means of atomic layer deposition, abbreviated ALD, or Molekularlagabscheidung, short MLD generated. This allows a specific diffusion constant of
  • Adhesive layer especially for water and
  • the diffusion constant is preferably at most 5 ⁇ 10 g / ( m 2 , in particular at most 10 g / ( m 2 , Such a material for the
  • Bonding layer can ensure that within a lifetime of the semiconductor layer sequence
  • Metal mirror is preventable.
  • An ALD or MLD encapsulant such as the primer layer differs from CVD or PVD formed layers especially in that a defect density in the ALD primer layer is typically less than 0.1 defects per square millimeter, whereas in CVD or PVD layers Defect density of some 100 defects per square millimeter occurs. This is detectable, for example, by transmission electron microscopy, TEM for short. Due to the comparatively lower defect density of the ALD adhesion-promoting layer, an etching rate is also reduced compared to CVD or PVD layers. For example, on the defect density and / or the etching rate can be determined, by which method a layer was created.
  • CVD stands for Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition.
  • Protective metallization one layer stack of several Metal layers. Alternatively, the protective metallization is only a single metal layer.
  • an area between the semiconductor layer sequence and the protective metallization is free of cavities.
  • no flutes or gaps are produced laterally adjacent to the metal mirror.
  • the plated-through holes are preferred by the metal mirror and / or the
  • the plated-through hole preferably extends as far as a side of the semiconductor layer sequence or the contact layer facing the metal mirror.
  • the via terminates at a distance from the active zone and does not pass through the active zone.
  • Adhesive layer is. Alternatively, the
  • Adhesive layer extend continuously and continuously over the via, if the
  • Adhesive layer is electrically conductive.
  • the adhesion-promoting layer partially or completely covers side flanks of the plated-through hole.
  • the side edges are preferably also covered by the metal mirror. This can be achieved on the side edges increased reflectivity.
  • the protective metallization preferably does not extend to the semiconductor layer sequence and / or the
  • Protective metallization in the via closer to the semiconductor layer sequence approach than adjacent areas of the metal mirror is V-shaped and the protective metallization fills this V.
  • the semiconductor chip comprises a reflector.
  • the reflector is off
  • the reflector may be composed of multiple layers with different refractive indices for the radiation generated during operation.
  • the reflector is electrically insulating, but may alternatively be electrically conductive.
  • the reflector is preferably located directly between the semiconductor layer sequence and the adhesion-promoting layer.
  • the primer layer preferably serves to firmly bond the metal mirror to the reflector and to detach the metal
  • the values mentioned for the refractive indices apply by way of example to a temperature of 300 K and for a wavelength of 616 nm.
  • the reflector is made of a material which is permeable to the radiation generated during operation and which, in particular, is low-refractive.
  • Low refractive index may mean that the refractive index of the reflector on the semiconductor layer sequence is smaller by at least 0.5 or 1 or 1.5 than an average refractive index of the semiconductor layer sequence.
  • At least one material of the reflector is, for example, an oxide, a nitride or an oxynitride.
  • the reflector has a comparatively large optical thickness.
  • optical thickness refers to a product of a geometric thickness of the respective layer and its
  • the reflector has an optical thickness of at least 0.5 L or 1.0 L. Alternatively or additionally, this optical thickness is at most 5 L or 3 L or 2 L.
  • the reflector is electrically insulating. In this case, the reflector is penetrated by the via.
  • the reflector projects beyond the semiconductor layer sequence and / or the metal mirror.
  • the reflector can be flush with the semiconductor layer sequence and / or the metal mirror.
  • the reflector adjoins areas which, viewed in plan view, adjoin the area
  • the primer layer may be removed at an edge of the semiconductor chip.
  • the metal mirror can be encapsulated efficiently.
  • the contact layer is electrically ohmic with the metal mirror and / or the
  • Semiconductor layer sequence then takes place via the metal mirror and / or the protective metallization in the contact layer.
  • Adhesive layer up to the contact layer thus, the side edges of the vias can be almost completely covered with the metal mirror.
  • the first side of the semiconductor layer sequence in particular the p-doped side, in each case has a greater thickness in the region of the plated-through holes than in other regions.
  • the semiconductor layer sequence is subject to metallic electrical current distribution structures the light output side thin so as not to energize the active zone.
  • the contact layer extends only to a part of
  • the contact layer is on the areas of the semiconductor layer sequence with the
  • a current expansion can be adjusted by means of the contact layer targeted.
  • the entire semiconductor layer sequence or almost the entire semiconductor layer sequence on the backside is completely covered by the contact layer.
  • Adhesive layer on at least over the metal mirror across a constant, constant thickness. This is achievable in particular by the fact that the
  • Adhesion layer is generated by ALD or MLD.
  • the bonding layer is preferably applied only one layer.
  • the bonding layer is preferably applied only one layer.
  • Semiconductor chip at least one cover layer.
  • the covering layer preferably extends from the light outcoupling side over side flanks of the semiconductor layer sequence to the adhesion-promoting layer.
  • Semiconductor layer sequence can thus in at least one Viewed cross section or in all cross sections parallel to a growth direction of the semiconductor layer sequence and through the semiconductor layer sequence of the
  • Covering layer may be enclosed together with the primer layer and the protective metallization.
  • the covering layer and the adhesion-promoting layer are made of the same material, in particular of aluminum oxide. Preferred are the
  • the covering layer is covered with a moisture protection layer, preferably over the whole area.
  • the moisture protection layer may be a
  • the moisture protection layer is of a nitride such as
  • Moisture protection layer may be applied to or in a roughening of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor chip is a component based on an arsenide or a phosphide.
  • the wavelength of maximum intensity of the radiation generated during operation is preferably at least 560 nm or 590 nm and / or at most 950 nm or 840 nm or 700 nm. In particular, red light is generated with the semiconductor chip during normal operation.
  • the method is used for producing an optoelectronic semiconductor chip and comprises the following steps, preferably in the order given:
  • the primer layer is, for example, with a
  • the same photomask is used to form the protective layer
  • the photomask is preferably made of two or more than two non-congruent
  • the optoelectronic semiconductor chip thus comprises
  • Protective metal layer is located and seen in plan view is partly adjacent to the metal mirror.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a modification of a semiconductor chip
  • FIGS. 1 to 8 are schematic sectional views of
  • FIGS. 9A to 9E are schematic sectional views of FIG.
  • FIG. 1 illustrates a modification 1 'of a semiconductor chip.
  • the modification 1 ' comprises a
  • Semiconductor layer sequence 2 with an active zone 23 for generating radiation.
  • the active zone 23 is located between a first side 21 and a second side 22 of the semiconductor layer sequence 2
  • Semiconductor layer sequence 2 is a reflector 4.
  • the reflector 4 is made of a for the generated during operation
  • a reflection effect of the reflector 4 is based in particular on a
  • the reflector 4 is for example made of a
  • the adhesive layer 71 is a layer of a transparent conductive oxide, TCO for short, such as zinc oxide or ITO.
  • the metal mirror 3 is made of gold.
  • the semiconductor layer sequence 2 is based on AlInGaAs or AlInGaP.
  • the adhesive layer 71 is made of a TCO, forms the
  • Adhesive layer 71 no dense barrier against ingress of moisture or other harmful to the metal mirror 3 substances. Likewise, an intrusion of harmful substances for the metal mirror 3 by the reflector 4 possible.
  • moisture or other contaminants for the metal mirror 3 can penetrate from side edges of the mirror 3 ago, see path A.
  • About the adhesive layer 71 can also from the lateral direction of an indiffusion of
  • Metal mirror 3 excluding materials such as gold
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a
  • Adhesive layer 7 is present, which also serves as a barrier layer.
  • the adhesion promoting layer 7 is impermeable or substantially impermeable to moisture or other substances harmful to the metal mirror 3. Thus, from the side or via the reflector 4 no moisture or other harmful substances to the Metal mirror 3 arrive.
  • the metal mirror 3 is preferably a silver mirror.
  • Adhesive layer 7 around an aluminum oxide layer which is produced by means of atomic layer deposition, abbreviated ALD.
  • a thickness of the adhesion-promoting layer 7 is preferably at least 1 nm or 5 nm and / or at most 50 nm or 40 nm. In the case of an aluminum oxide layer, the thickness of the adhesion-promoting layer 7 is preferably between
  • the adhesion-promoting layer 7 is located directly between the reflector 4, which is made of silicon dioxide, for example, and the metal mirror 3.
  • the metal mirror 3 is located on the first side 21 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the first side 21 is preferably p-doped.
  • the protective metallization 6 may be formed by a single metal layer, but preferably the protective metallization 6 is more than one
  • the protective metallization 6 is a
  • Primer layer 7 preferably contains Ti and / or Cr and can serve as an additional adhesion layer.
  • Such an adhesive layer closest to the metal mirror 3 preferably has a thickness of between 1 nm and 10 nm on.
  • a total thickness of the protective metallization 6 is preferably at least 50 nm or 100 nm and / or at most 1.5 ⁇ m or 1 ⁇ m or 500 nm.
  • the protective metallization 6 is preferably dimensionally stable, so that a shape of the protective metallization 6 in the
  • Protective metallization 6 is not a Lot for attaching the semiconductor chip. 1
  • Semiconductor layer sequence 2 has a structuring.
  • the active zone 23 is not energized or only slightly energized, in particular directly below approximately metallic current distribution structures 93 on the light outcoupling side 10.
  • such a structuring of the semiconductor layer sequence 2 can increase a light extraction efficiency because of this
  • the structuring is optional.
  • Metal mirror 3 the reflector 4.
  • the semiconductor layer sequence 2 is electrically contacted by the metal mirror 3 directly.
  • the adhesion-promoting layer 7 is applied to the reflector 4 only from the rear side 12, so that side surfaces of the plated-through hole 5, formed by the metal mirror 3, are free of the adhesion-promoting layer 7.
  • the metal mirror 3 thus adjoins the reflector 4 in a lateral direction. The metal mirror 3 thus electrically contacts the semiconductor layer sequence 2 directly.
  • the metal mirror 3 may extend over the semiconductor layer sequence 2 in a constant thickness.
  • the protective metallization 6 in the region of the via 5 can be relatively close to the semiconductor layer sequence 2
  • Protective metallization 6 on the back 12 serves as a planarization, unlike drawn in Figure 2. This can be on the protective metallization 6 a flat mounting side of the
  • Metal mirror 3 is preferably at least 30 nm or 70 nm and / or at most 500 nm or 300 nm.
  • Bonding layer 7 and the protective metallization 6 project beyond the semiconductor layer sequence 2 laterally.
  • Metal mirror 3 ends preferably laterally with the
  • the protective metallization 6 is preferably all around in direct contact with the adhesion-promoting layer 7.
  • the metal mirror 3 is laterally through the
  • the reflector 4 is not formed by a single, relatively thick radiation-transmissive layer.
  • the reflector 4 also layer stacks of layers with alternating high and low
  • Refractive indices are used, similar to a Bragg mirror.
  • the semiconductor layer sequence 2 is based on AlInGaP or on AlInGaAs.
  • green light, yellow light, orange light and / or red light is preferably generated during operation. It is also possible for the active zone 23 to generate infrared or near-infrared radiation.
  • Semiconductor layer sequence 2 opposite side of the Ag metal mirror 3 formed a ZnO layer so that the silver is not oxidized.
  • the adhesion promoting layer 7 may be a multilayer
  • the primer layer 7 in the figures is always drawn only as a single layer.
  • the protective metallization 6, the adhesion-promoting layer 7 and the reflector 4 can be flush in the lateral direction
  • a contact layer 8 is present in addition to FIG.
  • Contact layer 8 is for example made of a transparent conductive oxide such as ITO, but may alternatively be made of a thin metal layer such as Ti, Pt or Pd or Au or Ag. In the case of a metal layer, the contact layer 8 preferably has a thickness of at most 10 nm or 5 nm.
  • the contact layer 8 preferably has a thickness of at least 10 nm and / or at most 400 nm, in particular between 30 nm and 60 nm inclusive.
  • the contact layer 8 covers the back 12 of the
  • Semiconductor layer sequence 2 extends and the back 12 completely or almost completely covered.
  • the metal mirror 3 is completely from the Adhesive layer 7 together with the
  • the metal mirror 3 and the adhesion-promoting layer 7 are each flat on the
  • the adhesion-promoting layer 7 and the metal mirror 3 are deposited before structuring the openings of the plated-through holes 5.
  • the reflector 4 is opened. In this case, a part of the metal mirror 3 is removed from an edge region of the semiconductor chip 1 in a first photolithography step.
  • the reflector 4 In a second photolithography step, the reflector 4, the adhesion-promoting layer 7 and the
  • Metal mirror 3 is removed to fill the via 5 with a material of the protective metallization 6.
  • the encapsulating metal of the protective metallization 6 is also the electrical contact metal for
  • the embodiment of Figure 5 corresponds to that of Figure 4, wherein additionally the contact layer 8 is present.
  • the TCO contact layer 8 is on the range of
  • the Ag of the metal mirror 3 is completely encapsulated in the electrical contact area, on the other hand, the choice of material for the
  • the adhesion-promoting layer 7 is removed at an edge of the semiconductor chip 1.
  • the adhesion-promoting layer 7 preferably projects laterally beyond the metal mirror 3, wherein a projection of the adhesion-promoting layer 7 over the metal mirror 3 is preferably at least 0.5 ⁇ m or 1 ⁇ m or 2 ⁇ m and / or at most 10 ⁇ m or 5 ⁇ m.
  • the material of the adhesion-promoting layer 7 is not exposed laterally.
  • An additional layer can be introduced near the edge of the chip, not drawn, in order to achieve increased adhesion between the protective metallization 6 and the reflector 4.
  • Protective metallization 6 structure to avoid a photoresist on the adhesion-promoting layer 7 in the chip edge region.
  • a photoresist on the alumina primer layer 7 may adversely affect the adhesion properties after a paint removal step.
  • the protective metallization 6 covers an outer edge of the metal mirror 3 and side surfaces of the
  • Bonding layer 7 is preferred completely. Thus, at the edge of the metal mirror 3 is a tight encapsulation of the bonding layer 7 together with the
  • Protective metallization 6 formed. At the edge of the semiconductor chip 1, in particular all around, the protective metallization 6 is preferably applied directly to the reflector 4.
  • the semiconductor chip 1 seen in cross-section has only two of the plated-through holes 5. It is
  • Metal mirror 3 almost to the semiconductor layer sequence 2 and / or the contact layer 8 zoom.
  • the adhesion-promoting layer 7 closes in the direction of
  • the contact layer 8 can directly to the protective metallization 6 and to the
  • Bonding layer 7 borders.
  • Embodiments of Figures 2 or 3 are present. If the adhesion-promoting layer 7 is electrically conductive, both in the exemplary embodiments of FIGS. 2 or 3 or in the exemplary embodiment of FIG. 7, the metal mirror 3 or the protective metallization 6 can be completely detached from the
  • Adhesive layer 7 to be covered. That is, even in the area of the plated-through holes 5, the
  • Adhesive layer 7 then continuously over the
  • the adhesion-promoting layer 7 is in this case between the contact layer 8 and the
  • Bonding layer 7 and the metal mirror 3 after structuring of the dielectric reflector 4 deposited, that is, contact openings are etched.
  • the adhesion-promoting layer 7 and the metal mirror 3 are removed from the electrical contact surface and the chip edge in a common step. Subsequently, the protective metallization 6 is applied.
  • the embodiment of Figure 8 is based in particular on the embodiment of Figure 5.
  • the reflector 4 is removed laterally next to the semiconductor layer sequence 2; This removal preferably takes place during the mesa etching, that is to say during the generation of the separation trenches.
  • Lichtauskoppelseite 10 forth a cover layer 75 extends over side surfaces of the semiconductor layer sequence 2 except for the adhesion-promoting layer 7.
  • the adhesion-promoting layer 7 and the cover layer 75 are preferably made of the same material, in particular of aluminum oxide.
  • the layers 7, 75 are each preferably via atomic layer deposition
  • the cover layer 75 is further provided with a
  • Moisture protection layer 76 applied.
  • Moisture protection layer 76 is, for example, a nitride such as silicon nitride.
  • Moisture protection layer 76 may also serve as an antireflective layer, such as along with cover layer 75.
  • the moisture protection layer 76 is made by CVD or PVD.
  • the moisture protection layer 76 is preferably thicker than the cover layer 75.
  • Such a cover layer 75 and / or such a moisture protection layer 76 may also be used in all
  • the dielectric reflector 4 is opened in the separation trench, so that the deposited on the p-side 21
  • Bonding layer 7 is exposed. This can be done in the separate or the same photolithography step as the mesa etching.
  • the further aluminum oxide cover layer 75 is deposited, which can cover the entire chip area and in the separation trench on the adhesion-promoting layer. 7
  • both layers 7, 75 act as
  • FIG. 9 shows a production method for a
  • Semiconductor layer sequence 2 grown on a growth substrate 20. After the growth of the semiconductor layer sequence 2, an optional structuring may take place so that thicker regions result for the later plated-through holes 5, not shown in FIG. 9A. Likewise, it is optionally possible that the contact layer, not shown in FIG. 9A, is applied locally or over the entire surface.
  • FIG. 9B illustrates that the adhesion-promoting layer 7 is preferably produced over the entire surface of the reflector 4. If a structuring not shown in FIG. 9B is present, then the adhesion-promoting layer 7 preferably forms such a structuring exactly.
  • Bonding layer 7 is produced by atomic layer deposition.
  • the metal mirror 3 is generated, for example by means of vapor deposition. If necessary, the
  • Metal mirror 3 and the bonding layer 7 are structured below, so be removed in places, not shown in Figure 9B.
  • structuring is not drawn to the optional plated-through holes 5.
  • Vias 5 can be omitted if the reflector 4 and the adhesion-promoting layer 7 are electrically conductive. In this case, the reflector 4 and the
  • Adhesive layer 7 for example, from a
  • the protective metallization 6 follows
  • the growth substrate 20 has been produced by the
  • Roughening 92 created to improve light extraction at the light output side 10.
  • a current distribution structure 93 can be applied to the light outcoupling side 10, for example formed by latticed or strip-shaped metal tracks.
  • a layer of a transparent conductive oxide may serve as the current distribution structure.
  • Cover layer 75 and / or the moisture protection layer 76 are applied.
  • the requirements for the correct choice of the adhesion-promoting layer 7 are as follows: good adhesion between the dielectric reflector 4 and the metal mirror 3; high uniformity and conformity during application;
  • the adhesion-promoting layer 7 can also be provided with a
  • Thin-film deposition technique such as plating or chemical vapor deposition, CVD for short, are deposited.
  • the metal mirror 3 usually comes in contact with air.
  • the metal mirror 3 should therefore be covered by a thin layer of another material, in particular ZnO,
  • this material can be removed immediately before the deposition of the protective metallization 6, for example by sputtering.
  • Protective metallization 6 is preferably moisture-stable and adheres well to the metal mirror 3 and to the
  • German patent applications 10 2018 106 001.7 and 10 2018 107 673.8 the disclosure of which is hereby incorporated by reference.

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (23) zur Erzeugung einer Strahlung. Die Halbleiterschichtenfolge (2) basiert auf AlInGaP und/oder auf AlInGaAs. Ein Metallspiegel (3) für die Strahlung befindet sich an einer einer Lichtauskoppelseite (10) gegenüberliegenden Rückseite (12) der Halbleiterschichtenfolge (2). Eine Schutzmetallisierung (6) ist direkt an einer der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Seite des Metallspiegels (3) angebracht. Eine Haftvermittlungsschicht (7) befindet sich direkt an einer der Halbleiterschichtenfolge (2) zugewandten Seite des Metallspiegels (3). Die Haftvermittlungsschicht (7) ist eine Verkapselungsschicht für den Metallspiegel (3), sodass der Metallspiegel (3) zumindest an einem äußeren Rand von der Haftvermittlungsschicht (7) zusammen mit der Schutzmetallisierung (6) verkapselt ist.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHER HALBLEITERCHIP UND HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EINEN OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERCHIP
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Ferner wird ein Herstellungsverfahren für einen solchen
Halbleiterchip angegeben.
Die Druckschrift US 2012/0098016 Al beschreibt einen
Silberspiegel einer InGaN-LED, der mittels
Atomlagenabscheidung verkapselt ist.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der einen Spiegel mit einer
dauerhaft hohen Reflektivität aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen
optoelektronischen Halbleiterchip und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der
optoelektronische Halbleiterchip zur Strahlungserzeugung vorgesehen, insbesondere zur Erzeugung von nahultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht und/oder nahinfraroter Strahlung. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip.
Bevorzugt ist der Halbleiterchip ein LED-Chip zur Erzeugung von grünem, gelbem, orangem oder rotem Licht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge beinhaltet zumindest eine aktive Zone zur Erzeugung einer Strahlung. Die aktive Zone befindet sich bevorzugt zwischen einer p-dotierten Seite und einer n- dotierten Seite der Halbleiterschichtenfolge. In der aktiven Zone befindet sich insbesondere eine
EinfachquantentopfStruktur, eine MehrfachquantentopfStruktur und/oder ein pn-Übergang. Die aktive Zone erstreckt sich insbesondere senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge .
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n-mGamP oder um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n-mGamAs oder wie AlnGamIn]__n-mAs P]_-k, wobei jeweils 0 d n < 1, 0 d m < 1 und n + m < 1 sowie 0 d k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 1 sowie 0 < k < 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 und/oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip einen Metallspiegel. Der Metallspiegel
befindet sich an einer Rückseite der Halbleiterschichtenfolge. Der Metallspiegel ist als
Reflexionsschicht ausgebildet und dient zur Reflexion der im Betrieb erzeugten Strahlung. Am Metallspiegel werden
insbesondere Strahlungsanteile reflektiert, die von der
Halbleiterschichtenfolge her durch einen Reflektor aus für die Strahlung durchlässigen Materialien zum Metallspiegel gelangen .
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der
optoelektronische Halbleiterchip eine
Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung einer Strahlung. Die Halbleiterschichtenfolge basiert auf AlInGaP und/oder auf AlInGaAs. Ein Metallspiegel für die Strahlung befindet sich an einer einer Lichtauskoppelseite gegenüberliegenden Rückseite der Halbleiterschichtenfolge. Eine Schutzmetallisierung ist direkt an einer der
Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Metallspiegels angebracht. Eine Haftvermittlungsschicht befindet sich direkt an einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite des Metallspiegels. Die Haftvermittlungsschicht ist eine
Verkapselungsschicht für den Metallspiegel, sodass der
Metallspiegel zumindest an einem äußeren Rand von der
Haftvermittlungsschicht zusammen mit der Schutzmetallisierung gegen äußere Einflüsse verkapselt ist.
Silber, also Ag, ist ein Material, das aufgrund seiner hohen Reflektivität als Spiegel in Leuchtdioden, kurz LEDs, wünschenswert ist. Gleichzeitig wird aber bei Verwendung von Silber in einem Spiegel eine Langzeitstabilität der LED bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit kritisch. So können verschiedene feuchtigkeitsinduzierte Phänomene auftreten, darunter Ag- Migration, Delamination oder chemische Degradation von
Schichten. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip ist es möglich, Ag gegen die Einflüsse einer äußeren Umgebung bei InGaAlP/AlGaAs-Leuchtdioden zu verkapseln und damit eine hohe Stabilität unter Feuchtigkeitsbedingungen zu erreichen.
Das Konzept von InAlP/AlGaAs-Leuchtdioden, die mittels
Dünnschichttechnologie hergestellt werden, umfasst in der Regel einen hoch reflektierenden Spiegel, gebildet aus einem Dielektrikum und einer dahinterliegenden Metallschicht. Der dielektrische Teil des Spiegels besteht typischerweise aus einer einzigen dicken Schicht, kann aber auch durch mehrere dielektrische Schichten aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Für die Metallschicht wird ein Material mit einer hohen Reflektivität vom grünen Spektralbereich bis ins Infrarote gewählt, beispielsweise Au oder Ag.
Weitere Aspekte für die Spiegelkonstruktion sind:
(I) Die Materialien des Spiegels sollen robust und stabil unter Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen sein.
(II) Es ist eine gute Haftung zwischen dem Dielektrikum und dem Metall erforderlich.
Zur Erfüllung der ersten Bedingung ist für die InAlP/AlGaAs- LEDs in der Regel Au das Material der Wahl. Der zweite Punkt wird üblicherweise durch Verwendung einer
Haftvermittlungsschicht realisiert. Typisch ist dabei ein TCO-Material wie ITO oder ZnO. TCOs wirken jedoch nicht effizient als Feuchtigkeitsbarriere, sodass die Metallschicht direkt an der Grenzfläche zum Dielektrikum nicht vor
Feuchtigkeit geschützt ist.
Die Gewährleistung der Stabilität des Spiegelaufbaus unter hoher Luftfeuchtigkeit ist nicht trivial, insbesondere wenn das Metall der Wahl selbst nicht feuchtigkeitsstabil ist, wie im Fall von Ag. Diese Problematik ist insbesondere auf die vielen Wege zurückzuführen, durch die Feuchtigkeit in die LED eindringen und den Metallanteil des Spiegels erreichen kann:
A) Kanten der Metallschicht sind an einer Chipkante offen.
Das Material des Metallspiegels steht direkt in Kontakt mit der Feuchtigkeit der Umgebung.
B) Feuchte durchdringt die LED an einer Grenzfläche des
Metallspiegels zur Anhaftschicht oder durch die
Anhaftschicht . Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn die Anhaftschicht an der Grenzfläche degradiert oder
delaminiert .
C) , D) : Feuchte durchdringt die LED durch die dielektrische Schicht oder den Reflektor. Dies kann geschehen, wenn das dielektrische Material porös ist und keine Barriere gegen Feuchtigkeit bildet. Dabei kann Feuchtigkeit entweder im Oberflächenbereich durch die Anhaftschicht hindurch zu dem Metallspiegel gelangen oder in einem Kontaktbereich, wobei das Spiegelmaterial direkt mit dem Dielektrikum in Kontakt steht .
Der hier beschriebene Halbleiterchip beruht insbesondere auf den folgenden Ideen: i) Die neue Haftvermittlungsschicht gewährleistet
gleichzeitig eine gute Haftung und wirkt als
Feuchtigkeitsbarriere, sodass die große Spiegelfläche vor jeder Feuchtigkeit geschützt wird, die von dem Dielektrikum in das Metall eindringt. Die neue Haftvermittlungsschicht soll sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit entlang von Kanten, Stufen oder anderen Elementen der Morphologie auszeichnen.
Ein Beispiel eines bevorzugten, geeigneten Materials ist Aluminiumoxid, das bevorzugte Abscheideverfahren ist ALD, wobei ALD für Atomic Layer Deposition steht. Durch ALD lassen sich hochkonforme Schichten mit gut kontrollierter Dicke und Zusammensetzung hersteilen. Auf diese Weise abgeschiedene Aluminiumoxidschichten wirken als sehr effektive
Feuchtebarriere, solange seine Oberfläche von einem anderen Material bedeckt bleibt. Das heißt, die
Haftvermittlungsschicht wird zwischen zwei Schichten
eingebracht. Auf diese Weise wird der Feuchtigkeitspfad oben unter C) geschlossen. Idealerweise sind die
Haftvermittlungsschicht und deren obere und untere
Grenzfläche robust, sodass auch der Pfad oben unter B) geschlossen ist. ii) Zur Entfernung des Metalls des Metallspiegels von einer Chipkante ist der Metallspiegel strukturiert. Der Spiegel wird dann von einer Metallschicht, der Schutzmetallisierung, umhüllt, die eine Rückseite und die Kanten des Spiegels schützt. Auf diese Weise wird der Feuchtigkeitspfad A) geschlossen. Bei Bedarf kann die Chipkante zwischen der feuchtigkeitssperrenden Haftschicht und der
Schutzmetallisierung durch eine weitere Schicht geschützt werden. Wenn diese weitere Schicht nicht elektrisch leitend ist, wird sie von der Chipfläche stellenweise entfernt, um einen Stromfluss zu ermöglichen. iii) Der Spiegel ist in einem elektrischen Kontaktbereich strukturiert. In einer Öffnung des Metallspiegels wird das Kapselungsmetall für die Schutzmetallisierung abgeschieden. Auf diese Weise ist der Metallspiegel im Kontaktbereich von dem Dielektrikum getrennt und sperrt den Pfad D) .
Gleichzeitig wird das Material der Schutzmetallisierung zu einem Teil des elektrischen Kontakts zur
Halbleiterschichtenfolge . iv) Zusätzlich kann eine zweite Feuchtigkeitssperrschicht eingebracht sein, die die Chipseitenflanken schützt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Feuchtigkeit in das Dielektrikum, insbesondere den Reflektor, und dessen
Grenzflächen zu benachbarten Schichten eindringt, siehe die Pfade B) , C) und D) . Um dies zu erreichen, wird der Reflektor in einem Gebiet außerhalb der Mesa, also in einem Trenngraben zwischen benachbarten Gebieten der Halbleiterschichtenfolge für die Halbleiterchips, entfernt. Die Seiten des
dielektrischen Reflektors sind dann mit einer
Feuchtigkeitsbarriere bedeckt. Bevorzugt ist dabei für die Feuchtigkeitssperrschicht ebenfalls Aluminiumoxid. Die
Feuchtigkeitssperrschichten von den beiden Seiten des Chips treffen sich im Trenngraben.
Die unter i) bis iv) genannten Aspekte des Halbleiterchips können separat oder in Kombination verwendet werden, je nach Wahl der Materialien und nach Komplexität der
Chipprozessierung .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip zumindest eine Kontaktschicht . Die
Kontaktschicht ist bevorzugt aus einem transparenten
leitfähigen Oxid. Die Kontaktschicht grenzt unmittelbar an die Halbleiterschichtenfolge und ist zur Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Metallspiegel ein Silberspiegel. Alternativ kann der Metallspiegel ein Aluminiumspiegel oder ein Goldspiegel sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform endet der
Metallspiegel, insbesondere Silber des Metallspiegels, beabstandet von der Kontaktschicht und/oder von der
Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, der Metallspiegel und speziell silberhaltige Schichten berühren dann nicht die Kontaktschicht und/oder die Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Haftvermittlungsschicht aus einem Metalloxid. Die
Haftvermittlungsschicht kann aus einem dielektrischen Oxid wie Aluminiumoxid sein. Alternativ ist die
Haftvermittlungsschicht aus einem elektrisch leitenden
Material wie ein transparentes leitfähiges Oxid. Weniger bevorzugt kann die Haftvermittlungsschicht auch aus zumindest einem Metall oder Metallnitrid wie Pt, Ti, Pd, W und/oder WN sein. Insbesondere im Falle einer metallischen
Haftvermittlungsschicht ist die Haftvermittlungsschicht bevorzugt dünn, zum Beispiel höchstens 10 nm oder 5 nm oder 2 nm dick.
Transparente leitfähige Oxide, englisch transparent
conductive oxides oder kurz TCOs, sind transparente,
elektrisch leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid,
Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid, kurz ITO. Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, Sn02 oder Ih2q3 gehören auch ternäre
Metallsauerstoffverbindungen wie Zn2Sn04, CdSn03, ZnSn03, Mgln204, Galn03, Zh2ΐh2q5 oder In4Sn30]_2 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p-dotiert oder n-dotiert sein; beispielsweise im Falle von ZnO liegt bevorzugt eine Dotierung mit Al und/oder Ga vor. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Haftvermittlungsschicht mittels Atomlagenabscheidung, kurz ALD, oder Moleküllagenabscheidung, kurz MLD, erzeugt. Damit lässt sich eine spezifische Diffusionskonstante der
Haftvermittlungsschicht insbesondere für Wasser und
Sauerstoff von höchstens 10- g/ (m2 d) erzielen, gerechnet auf eine Materialdicke von 0,1 ym. Bevorzugt beträgt die Diffusionskonstante höchstens 5 x 10- g/ (m2
Figure imgf000011_0001
, insbesondere höchstens 10- g/ (m2
Figure imgf000011_0002
. Ein solches Material für die
Haftvermittlungsschicht kann gewährleisten, dass innerhalb einer Lebensdauer der Halbleiterschichtenfolge eine
signifikante Korrosion oder chemische Zerstörung des
Metallspiegels verhinderbar ist.
Eine durch ALD oder MLD erstellte Verkapselungsschicht wie die Haftvermittlungsschicht unterscheidet sich von über CVD oder PVD erzeugte Schichten insbesondere dadurch, dass eine Defektdichte bei der ALD-Haftvermittlungsschicht typisch kleiner als 0,1 Defekte pro Quadratmillimeter beträgt, wohingegen bei CVD- oder PVD-Schichten eine Defektdichte von einigen 100 Defekten pro Quadratmillimeter auftritt. Dies ist beispielsweise über Transmissionselektronenmikroskopie, kurz TEM, nachweisbar. Aufgrund der vergleichsweise geringeren Defektdichte der ALD-Haftvermittlungsschicht ist auch eine Ätzrate, im Vergleich zu CVD- oder PVD-Schichten, reduziert. Beispielsweise über die Defektdichte und/oder die Ätzrate ist feststellbar, über welche Methode eine Schicht erzeugt wurde. CVD steht für Chemical Vapour Deposition, PVD für Physical Vapour Deposition.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Schutzmetallisierung ein Schichtenstapel aus mehreren Metallschichten. Alternativ ist die Schutzmetallisierung nur aus einer einzigen Metallschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Gebiet zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Schutzmetallisierung frei von Hohlräumen. Insbesondere sind keine Hohlkehlen oder Spalte seitlich neben dem Metallspiegel erzeugt. Bevorzugt sind Seitenflächen des Metallspiegels ganzflächig und
unmittelbar von der Schutzmetallisierung bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip eine oder mehrere elektrische
Durchkontaktierungen zur elektrischen Kontaktierung
insbesondere der p-dotierten Seite. Die Durchkontaktierungen sind bevorzugt durch den Metallspiegel und/oder die
Schutzmetallisierung gebildet. Die Durchkontaktierung reicht bevorzugt bis an eine dem Metallspiegel zugewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge oder der Kontaktschicht . Damit endet die Durchkontaktierung beabstandet von der aktiven Zone und durchläuft die aktive Zone nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Haftvermittlungsschicht von einem der
Halbleiterschichtenfolge nächstgelegenen Bereich der
Durchkontaktierung entfernt. Somit ist es möglich, dass ein Bereich zwischen der Durchkontaktierung und der
Halbleiterschichtenfolge oder ein Bereich zwischen der
Durchkontaktierung und der Kontaktschicht frei von der
Haftvermittlungsschicht ist. Alternativ kann sich die
Haftvermittlungsschicht durchgehend und ununterbrochen über die Durchkontaktierung hinweg erstrecken, falls die
Haftvermittlungsschicht elektrisch leitfähig ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die Haftvermittlungsschicht Seitenflanken der Durchkontaktierung teilweise oder vollständig. Die Seitenflanken sind dabei bevorzugt auch von dem Metallspiegel bedeckt. Damit lässt sich an den Seitenflanken eine erhöhte Reflektivität erzielen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Durchkontaktierung in einem der Halbleiterschichtenfolge nächstgelegenen Bereich durch den Metallspiegel gebildet. In diesem Fall reicht die Schutzmetallisierung bevorzugt nicht bis an die Halbleiterschichtenfolge und/oder die
Kontaktschicht heran.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform reicht die
Schutzmetallisierung in der Durchkontaktierung näher an die Halbleiterschichtenfolge heran als benachbarte Gebiete des Metallspiegels. Beispielsweise ist der Metallspiegel in der Durchkontaktierung V-förmig und die Schutzmetallisierung füllt dieses V auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Durchkontaktierung in einem der Halbleiterschichtenfolge nächstgelegenen Bereich durch die Schutzmetallisierung gebildet. Damit kann die Schutzmetallisierung die
Halbleiterschichtenfolge und/oder die Kontaktschicht berühren. Das heißt, die Durchkontaktierung oder die
Durchkontaktierungen kann/können durch die
Schutzmetallisierung realisiert sein, sodass die
Spiegelschicht beabstandet von der Halbleiterschichtenfolge und bevorzugt auch beabstandet von der optional vorhandenen Kontaktschicht endet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip einen Reflektor. Der Reflektor ist aus
mindestens einem Material, das für die im Betrieb erzeugte Strahlung durchlässig ist. Der Reflektor kann aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindices für die im Betrieb erzeugte Strahlung zusammengesetzt sein. Bevorzugt ist der Reflektor elektrisch isolierend, kann alternativ aber auch elektrisch leitend sein. Bevorzugt befindet sich der Reflektor direkt zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Haftvermittlungsschicht. Mit anderen Worten dient die Haftvermittlungsschicht bevorzugt dazu, den Metallspiegel fest an den Reflektor anzubinden und ein Ablösen des
Metallspiegels von dem Reflektor und damit von der
Halbleiterschichtenfolge zu unterbinden.
Die Schichten des Reflektors mit unterschiedlichen
Brechungsindices sind zum Beispiel aus: i) Si02 mit n = 1,46 und Nb2C>5 mit n = 2,3, ii) Si02 und Ti02 mit n = 2,3 bis 2,4, iii) MgF2 mit n = 1,37 und Nb2Ü5, iv) MgF2 und Ti02 · Die genannten Werte für die Brechungsindices gelten beispielhaft für eine Temperatur von 300 K und für eine Wellenlänge von 616 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor aus einem für die im Betrieb erzeugte Strahlung durchlässigen Material, das insbesondere niedrigbrechend ist.
Niedrigbrechend kann bedeuten, dass der Brechungsindex des Reflektors an der Halbleiterschichtenfolge um mindestens 0,5 oder 1 oder 1,5 kleiner ist als ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge. Zumindest ein Material des Reflektors ist beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid oder ein Oxinitrid . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor eine vergleichsweise große optische Dicke auf. Der Begriff optische Dicke bezieht sich auf ein Produkt aus einer geometrischen Dicke der jeweiligen Schicht und deren
Brechungsindex hinsichtlich einer Wellenlänge L maximaler Intensität der im Betrieb erzeugten Strahlung. Bevorzugt weist der Reflektor eine optische Dicke von mindestens 0,5 L oder 1,0 L auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese optische Dicke bei höchstens 5 L oder 3 L oder 2 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Reflektor elektrisch isolierend. In diesem Fall wird der Reflektor von der Durchkontaktierung durchdrungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der Reflektor in Draufsicht gesehen die Halbleiterschichtenfolge und/oder den Metallspiegel. Alternativ kann der Reflektor bündig mit der Halbleiterschichtenfolge und/oder dem Metallspiegel abschließen. Ferner ist es möglich, dass die
Halbleiterschichtenfolge und/oder der Metallspiegel den
Reflektor überragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt der Reflektor in Bereichen, die in Draufsicht gesehen neben der
Halbleiterschichtenfolge liegen, direkt an die
Schutzmetallisierung. Das heißt, die Haftvermittlungsschicht kann an einem Rand des Halbleiterchips entfernt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragen die
Haftvermittlungsschicht und die Schutzmetallisierung die Halbleiterschichtenfolge seitlich. Dadurch ist es möglich, dass auch der Metallspiegel seitlich über die
Halbleiterschichtenfolge übersteht. Damit lässt sich eine ganzflächig hohe Reflektivität erzielen. Seitlich bedeutet zum Beispiel in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung und/oder Haupterstreckungsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform grenzt der
Metallspiegel im Querschnitt gesehen ringsum ausschließlich an die Schutzmetallisierung zusammen mit der
Haftvermittlungsschicht. Damit kann der Metallspiegel effizient verkapselt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Kontaktschicht elektrisch ohmsch mit dem Metallspiegel und/oder der
Schutzmetallisierung verbunden. Ein Stromfluss in die
Halbleiterschichtenfolge erfolgt dann über den Metallspiegel und/oder die Schutzmetallisierung in die Kontaktschicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform reicht die
Haftvermittlungsschicht bis an die Kontaktschicht . Damit können die Seitenflanken der Durchkontaktierungen fast vollständig mit dem Metallspiegel bedeckt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist insbesondere die erste Seite der Halbleiterschichtenfolge, speziell die p- dotierte Seite, im Bereich der Durchkontaktierungen je eine größere Dicke auf als in übrigen Bereichen. Der dickere
Bereich der ersten Seite der Halbleiterschichtenfolge
erstreckt sich ausgehend von der Durchkontaktierung bevorzugt über die Halbleiterschichtenfolge hinweg. Das heißt, der dickere Bereich der ersten Seite braucht nicht auf die
Durchkontaktierung beschränkt zu sein, wenngleich dies möglich ist. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge unter metallischen elektrischen Stromverteilungsstrukturen an der Lichtauskoppelseite dünn, um dort die aktive Zone nicht zu bestromen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Kontaktschicht nur auf einen Teil der
Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere ist die Kontaktschicht auf die Bereiche der Halbleiterschichtenfolge mit der
größeren Dicke beschränkt. Damit kann eine Stromaufweitung mittels der Kontaktschicht gezielt eingestellt werden.
Alternativ ist die gesamte Halbleiterschichtenfolge oder nahezu die gesamte Halbleiterschichtenfolge an der Rückseite lückenlos von der Kontaktschicht bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Haftvermittlungsschicht zumindest über den Metallspiegel hinweg eine gleichbleibende, konstante Dicke auf. Dies ist insbesondere dadurch erreichbar, dass die
Haftvermittlungsschicht mittels ALD oder MLD erzeugt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdecken sich
verschiedene Gebiete der Haftvermittlungsschicht gegenseitig nicht. Das heißt, die Haftvermittlungsschicht ist bevorzugt nur einlagig aufgebracht. Insbesondere ist die
Haftvermittlungsschicht frei von im Querschnitt gesehen U- förmigen Bereichen. Die Haftvermittlungsschicht ist dann hinterschneidungsfrei .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip zumindest eine Abdeckschicht. Bevorzugt erstreckt sich die Abdeckschicht von der Lichtauskoppelseite her über Seitenflanken der Halbleiterschichtenfolge hinweg bis an die Haftvermittlungsschicht. Die
Halbleiterschichtenfolge kann somit in mindestens einem Querschnitt gesehen oder in allen Querschnitten parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge und durch die Halbleiterschichtenfolge hindurch von der
Abdeckschicht zusammen mit der Haftvermittlungsschicht und der Schutzmetallisierung umschlossen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Abdeckschicht und die Haftvermittlungsschicht aus dem gleichen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid. Bevorzugt sind die
Abdeckschicht und die Haftvermittlungsschicht mittels ALD oder MLD erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abdeckschicht mit einer Feuchtigkeitsschutzschicht überzogen, bevorzugt ganzflächig. Die Feuchtigkeitsschutzschicht kann eine
Schutzschicht für die Abdeckschicht sein. Zum Beispiel ist die Feuchtigkeitsschutzschicht aus einem Nitrid wie
Siliziumnitrid. Die Abdeckschicht und/oder die
Feuchtigkeitsschutzschicht können an oder in einer Aufrauung der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um ein Bauteil basierend auf einem Arsenid oder einem Phosphid. Die Wellenlänge maximaler Intensität der im Betrieb erzeugten Strahlung liegt bevorzugt bei mindestens 560 nm oder 590 nm und/oder bei höchstens 950 nm oder 840 nm oder 700 nm. Insbesondere wird mit dem Halbleiterchip im bestimmungsgemäßen Betrieb rotes Licht erzeugt.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterchips, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben. Merkmale des Halbleiterchips sind daher auch für das
Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform dient das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips und umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge :
A) Wachsen der Halbleiterschichtenfolge, die aus AlInGaP oder AlInGaAs ist,
B) Abscheiden und/oder Strukturieren der
HaftvermittlungsSchicht,
C) Abscheiden und/oder Strukturieren des Metallspiegels, sodass der Metallspiegel die Haftvermittlungsschicht
teilweise oder vollständig bedeckt,
D) Aufbringen der Schutzmetallisierung auf den Metallspiegel und auf oder an der Haftvermittlungsschicht, und
E) Ablösen eines Aufwachssubstrats für die
Halbleiterschichtenfolge .
Die Haftvermittlungsschicht wird zum Beispiel mit einer
Toleranz von höchstens 30 ym deckungsgleich mit dem
Metallspiegel erzeugt.
In dem Verfahren wird bevorzugt für die Schritte B) und C) die gleiche Fotomaske verwendet, um die Schutzschicht
und/oder die Haftvermittlungsschicht mittels Ätzen zu
strukturieren und um den Metallspiegel strukturiert
aufzubringen. Dabei ist die Fotomaske bevorzugt aus zwei oder aus mehr als zwei nicht deckungsgleich verlaufenden
Teilschichten aufgebaut.
Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst somit
insbesondere : - eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung einer Strahlung,
- einen Metallspiegel für die Strahlung an einer Rückseite, die einer Lichtauskoppelseite gegenüberliegt, insbesondere aus Silber,
- eine Schutzmetallschicht entsprechend der
Schutzmetallisierung an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Metallspiegels, insbesondere aus TiW, und
- eine dielektrische Schutzschicht entsprechend der
HaftvermittlungsSchicht,
wobei die dielektrische Schutzschicht im Querschnitt gesehen zum Teil zwischen dem Metallspiegel und der
Schutzmetallschicht liegt und in Draufsicht gesehen zum Teil neben dem Metallspiegel liegt.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung eines Halbleiterchips,
Figuren 2 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips, und Figuren 9A bis 9E schematische Schnittdarstellungen von
Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens für einen hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchip .
In Figur 1 ist eine Abwandlung 1 ' eines Halbleiterchips illustriert. Die Abwandlung 1' umfasst eine
Halbleiterschichtenfolge 2 mit einer aktiven Zone 23 zur Erzeugung einer Strahlung. Die aktive Zone 23 befindet sich zwischen einer ersten Seite 21 und einer zweiten Seite 22 der Halbleiterschichtenfolge 2. An einer Rückseite 12 der
Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich ein Reflektor 4. Der Reflektor 4 ist aus einem für die im Betrieb erzeugte
Strahlung durchlässigen Material. Eine Reflexionswirkung des Reflektors 4 beruht insbesondere auf einem
Brechungsindexunterschied hin zur Halbleiterschichtenfolge 2 und/oder auf Totalreflexion. Die Rückseite 12 liegt einer Lichtauskoppelseite 10 gegenüber.
An einer der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite des Reflektors 4 befindet sich eine Anhaftschicht 71, über die ein Metallspiegel 3 an dem Reflektor 4 angebracht ist. Der Reflektor 4 ist beispielsweise aus einer
Siliziumdioxidschicht. Bei der Anhaftschicht 71 handelt es sich um eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, wie Zinkoxid oder ITO. Der Metallspiegel 3 ist aus Gold. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert auf AlInGaAs oder auf AlInGaP.
Da die Anhaftschicht 71 aus einem TCO ist, bildet die
Anhaftschicht 71 keine dichte Barriere gegen Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen für den Metallspiegel 3 schädlichen Stoffen. Ebenso ist ein Eindringen von schädlichen Stoffen für den Metallspiegel 3 durch den Reflektor 4 möglich.
Weiterhin besteht von der Rückseite 12 her oder von
Seitenkanten her kein zusätzlicher Schutz für den
Metallspiegel 3.
Damit kann Feuchtigkeit oder können andere Schadstoffe für den Metallspiegel 3 von Seitenkanten des Spiegels 3 her eindringen, siehe Pfad A. Über die Anhaftschicht 71 kann aus seitlicher Richtung ebenfalls eine Eindiffusion von
schädlichen Materialien erfolgen, siehe Pfad B. Über den Reflektor 4 kann flächig durch die Anhaftschicht 71 hindurch eine Korrosion des Metallspiegels 3 auftreten, siehe Pfad C. Ferner kann über den Reflektor 4 hinweg ein Angriff auf den Metallspiegel 3 an einer Durchkontaktierung 5 erfolgen, siehe Pfad D.
Bei der Abwandlung 1 ' der Figur 1 sind damit für den
Metallspiegel 3 ausschließlich Materialien wie Gold
verwendbar, die eine hohe Stabilität unter
Feuchtigkeitseinwirkung oder anderen Umwelteinflüssen
aufzeigen. Allerdings weist Gold eine vergleichsweise geringe Reflektivität auf, insbesondere hin zu kürzeren Wellenlängen.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt. Abweichend von der Abwandlung 1 ' der Figur 1 ist eine
Haftvermittlungsschicht 7 vorhanden, die gleichzeitig als Barriereschicht dient. Die Haftvermittlungsschicht 7 ist für Feuchtigkeit oder andere für den Metallspiegel 3 schädliche Substanzen undurchlässig oder im Wesentlichen undurchlässig. Damit kann aus seitlicher Richtung oder über den Reflektor 4 keine Feuchtigkeit oder andere schädliche Substanzen zu dem Metallspiegel 3 gelangen. Der Metallspiegel 3 ist bevorzugt ein Silberspiegel.
Beispielsweise handelt es sich bei der
Haftvermittlungsschicht 7 um eine Aluminiumoxidschicht, die mittels Atomlagenabscheidung, kurz ALD, erzeugt ist. Eine Dicke der Haftvermittlungsschicht 7 liegt bevorzugt bei mindestens 1 nm oder 5 nm und/oder bei höchstens 50 nm oder 40 nm. Im Falle einer Aluminiumoxidschicht liegt die Dicke der Haftvermittlungsschicht 7 bevorzugt zwischen
einschließlich 20 nm und 40 nm, insbesondere um 30 nm.
Die Haftvermittlungsschicht 7 befindet sich direkt zwischen dem Reflektor 4, der beispielsweise aus Siliziumdioxid ist, und dem Metallspiegel 3. Der Metallspiegel 3 befindet sich an der ersten Seite 21 der Halbleiterschichtenfolge 2. Die erste Seite 21 ist bevorzugt p-dotiert.
An einer der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite befindet sich direkt an dem Metallspiegel 3 eine
Schutzmetallisierung 6. Die Schutzmetallisierung 6 kann durch eine einzige Metallschicht gebildet sein, bevorzugt jedoch ist die Schutzmetallisierung 6 durch mehrere
aufeinanderfolgende Metallschichten gebildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Schutzmetallisierung 6 um einen
Schichtenstapel aus Ti-Pt oder Ti-Pt-Ti oder TiW oder Ti-TiW oder Cr-Pt oder Cr-Pt-Ti.
Eine dem Metallspiegel 3 nächstgelegene Schicht der
Haftvermittlungsschicht 7 enthält bevorzugt Ti und/oder Cr und kann als zusätzliche Anhaftschicht dienen. Eine solche dem Metallspiegel 3 nächstgelegene Anhaftschicht weist bevorzugt eine Dicke zwischen einschließlich 1 nm und 10 nm auf. Eine Gesamtdicke der Schutzmetallisierung 6 liegt bevorzugt bei mindestens 50 nm oder 100 nm und/oder bei höchstens 1,5 ym oder 1 ym oder 500 nm.
Die Schutzmetallisierung 6 ist bevorzugt formstabil, sodass sich eine Form der Schutzmetallisierung 6 im
bestimmungsgemäßen Gebrauch und bei der bestimmungsgemäßen Montage des Halbleiterchips 1 nicht oder nicht signifikant ändert. Insbesondere handelt es sich bei der
Schutzmetallisierung 6 nicht um ein Lot zum Befestigen des Halbleiterchips 1.
Ferner ist in Figur 2 dargestellt, dass die
Halbleiterschichtenfolge 2 eine Strukturierung aufweist.
Damit ist die Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der elektrischen Durchkontaktierung 5 dicker als in übrigen
Bereichen. Über eine solche Strukturierung der
Halbleiterschichtenfolge 2 ist es erreichbar, dass die aktive Zone 23 insbesondere direkt unterhalb von etwa metallischen Stromverteilungsstrukturen 93 an der Lichtauskoppelseite 10 nicht oder nur wenig bestromt wird. Außerdem kann über eine solche Strukturierung der Halbleiterschichtenfolge 2 eine Lichtauskoppeleffizienz erhöht werden, da an dieser
Strukturierung eine Lichtumlenkung oder Lichtstreuung
erfolgen kann. Die Strukturierung ist optional.
Im Bereich der Durchkontaktierung 5 durchdringt der
Metallspiegel 3 den Reflektor 4. Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist unmittelbar durch den Metallspiegel 3 elektrisch kontaktiert. Die Haftvermittlungsschicht 7 ist lediglich von der Rückseite 12 her auf den Reflektor 4 aufgebracht, sodass Seitenflächen der Durchkontaktierung 5, gebildet durch den Metallspiegel 3, frei von der Haftvermittlungsschicht 7 sind. Im Bereich des Reflektors 4 grenzt damit der Metallspiegel 3 in seitlicher Richtung direkt an den Reflektor 4. Damit kontaktiert der Metallspiegel 3 die Halbleiterschichtenfolge 2 elektrisch direkt.
Der Metallspiegel 3 kann sich in gleichbleibender Dicke über die Halbleiterschichtenfolge 2 hinweg erstrecken. Damit kann die Schutzmetallisierung 6 im Bereich der Durchkontaktierung 5 relativ nahe an die Halbleiterschichtenfolge 2
heranreichen. Optional ist es möglich, dass die
Schutzmetallisierung 6 an der Rückseite 12 als Planarisierung dient, anders als in Figur 2 gezeichnet. Damit kann an der Schutzmetallisierung 6 eine ebene Montageseite des
Halbleiterchips 1 erzielt werden. Eine Dicke des
Metallspiegels 3 liegt bevorzugt bei mindestens 30 nm oder 70 nm und/oder bei höchstens 500 nm oder 300 nm.
Es ist möglich, dass der Reflektor 4, die
Haftvermittlungsschicht 7 und die Schutzmetallisierung 6 die Halbleiterschichtenfolge 2 seitlich überragen. Der
Metallspiegel 3 endet bevorzugt seitlich mit der
Halbleiterschichtenfolge 2. Am Rand des Halbleiterchips 1 steht somit die Schutzmetallisierung 6 bevorzugt ringsum in direktem Kontakt zur Haftvermittlungsschicht 7. Hierdurch ist der Metallspiegel 3 seitlich durch die
Haftvermittlungsschicht 7 zusammen mit der
Schutzmetallisierung 6 dicht gekapselt.
Durch diese Art der Kapselung des Metallspiegels 3 ist es möglich, für den Metallspiegel 3 auch relativ
feuchtigkeitsanfällige Materialien wie Silber zu verwenden. Damit kann eine erhöhte Reflektivität des Metallspiegels 3 erzielt werden, insbesondere im Vergleich zu Goldspiegeln. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der Reflektor 4 nicht durch eine einzige, vergleichsweise dicke strahlungsdurchlässige Schicht gebildet ist. So können für den Reflektor 4 auch Schichtenstapel aus Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen
Brechungsindices verwendet werden, ähnlich einem Bragg- Spiegel .
Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert auf AlInGaP oder auf AlInGaAs. In der aktiven Zone 23 wird im Betrieb bevorzugt grünes Licht, gelbes Licht, oranges Licht und/oder rotes Licht erzeugt. Ebenso ist es möglich, dass die aktive Zone 23 zur Erzeugung von infraroter oder nahinfraroter Strahlung dient .
Es ist möglich, eine oder mehrere zusätzliche Schichten an dem Metallspiegel 3 hin zur Schutzmetallisierung 6
auszubilden, beispielsweise Schichten aus ZnO oder anderen TCO-Materialien oder aus TiW oder anderen Metallen. Durch eine solche nicht gezeichnete Schicht ist es möglich, den Metallspiegel 3 in nachfolgenden Prozessschritten vor
Oxidation zu schützen. Insbesondere wird an der der
Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite des Ag- Metallspiegels 3 eine ZnO-Schicht gebildet, damit das Silber nicht oxidiert.
Die Haftvermittlungsschicht 7 kann eine mehrlagige
Verkapselung bilden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Haftvermittlungsschicht 7 in den Figuren jedoch immer nur als eine einzige Schicht gezeichnet. Die Schutzmetallisierung 6, die Haftvermittlungsschicht 7 und der Reflektor 4 können in seitlicher Richtung bündig
miteinander abschließen.
Die Ausführungen zu Figur 2 gelten, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt entsprechend für alle
nachfolgenden Ausführungsbeispiele .
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist gegenüber Figur 2 zusätzlich eine Kontaktschicht 8 vorhanden. Die
Kontaktschicht 8 ist beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO, kann alternativ aber auch aus einer dünnen Metallschicht wie Ti, Pt oder Pd oder Au oder Ag sein. Im Falle einer Metallschicht weist die Kontaktschicht 8 bevorzugt eine Dicke von höchstens 10 nm oder 5 nm auf.
Die Kontaktschicht 8 weist im Falle eines TCO bevorzugt eine Dicke von mindestens 10 nm und/oder höchstens 400 nm auf, insbesondere zwischen einschließlich 30 nm und 60 nm.
Es ist möglich, dass die Kontaktschicht 8 auf die
Strukturierung, also auf Bereiche größerer Dicke der
Halbleiterschichtenfolge 2, beschränkt ist. Damit bedeckt die Kontaktschicht 8 die Rückseite 12 der
Halbleiterschichtenfolge 2 nur im Bereich der
Durchkontaktierung 5. Alternativ ist es möglich, dass sich die Kontaktschicht 8 durchgehend über die
Halbleiterschichtenfolge 2 erstreckt und die Rückseite 12 vollständig oder nahezu vollständig bedeckt.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist die
Durchkontaktierung 5 durch die Schutzmetallisierung 6
gebildet. Damit ist der Metallspiegel 3 vollständig von der Haftvermittlungsschicht 7 zusammen mit der
Schutzmetallisierung 6 gekapselt. Der Metallspiegel 3 sowie die Haftvermittlungsschicht 7 sind jeweils plan auf den
Reflektor 4 aufgebracht. Damit durchdringt einzig die
Schutzmetallisierung 6 den Reflektor 4 hin zur
Halbleiterschichtenfolge 2.
Um diese Geometrie der Durchkontaktierung 5 zu erreichen, werden die Haftvermittlungsschicht 7 und der Metallspiegel 3 vor der Strukturierung der Öffnungen der Durchkontaktierungen 5 abgeschieden. Ebenso wird der Reflektor 4 geöffnet. Dabei wird in einem ersten Fotolithographieschritt ein Teil des Metallspiegels 3 aus einem Randbereich des Halbleiterchips 1 entfernt. In einem zweiten Fotolithographieschritt werden der Reflektor 4, die Haftvermittlungsschicht 7 und der
Metallspiegel 3 entfernt, um die Durchkontaktierung 5 mit einem Material der Schutzmetallisierung 6 auszufüllen. In einem letzten Schritt wird die Schutzmetallisierung 6
abgeschieden .
Dabei wird das einkapselnde Metall der Schutzmetallisierung 6 auch das elektrische Kontaktmetall zur
Halbleiterschichtenfolge 2. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass Ag kein Teil der elektrischen Kontaktflache wird und somit keinen hohen Stromdichten ausgesetzt wird. Dadurch treten allerdings zusätzliche Beschränkungen bei der Wahl des Materials der Schutzmetallisierung 6 auf: So muss dieses Material einen niederohmigen elektrischen Kontakt zur Halbleitschichtenfolge 2 ausbilden und die Verkapselung des Metallspiegels 3 ermöglichen.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 5 entspricht dem der Figur 4, wobei zusätzlich die Kontaktschicht 8 vorhanden ist. Die TCO-Kontaktschicht 8 ist auf den Bereich der
Durchkontaktierung 5 und auf die dickeren Bereiche der
Halbleiterschichtenfolge 2 an der Durchkontaktierung 5 beschränkt .
Somit wird der elektrische Kontakt zur
Halbleiterschichtenfolge durch ein TCO gebildet und die
Voraussetzung für das Material der Schutzmetallisierung 6 ist lediglich, einen elektrischen Kontakt zu dieser TCO-Schicht zu bilden. Es ergeben sich hieraus insbesondere zwei
Vorteile: Zunächst wird das Ag des Metallspiegels 3 auch im elektrischen Kontaktbereich vollständig eingekapselt, andererseits ist die Materialwahl für die
Schutzmetallisierung 6 weniger eingeschränkt, da die
Ausbildung eines guten Metall-TCO-Kontakt wesentlich
einfacher ist als ein guter Metall-Halbleiter-Kontakt .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist gezeigt, dass die Haftvermittlungsschicht 7 an einem Rand des Halbleiterchips 1 entfernt ist. Dabei überragt die Haftvermittlungsschicht 7 bevorzugt den Metallspiegel 3 seitlich, wobei ein Überstand der Haftvermittlungsschicht 7 über den Metallspiegel 3 bevorzugt mindestens 0,5 ym oder 1 ym oder 2 ym und/oder höchstens 10 ym oder 5 ym beträgt. Somit liegt das Material der Haftvermittlungsschicht 7 seitlich nicht frei. Durch das Abtragen der Haftvermittlungsschicht 7 im Randbereich ist es möglich, dass der Reflektor 4 in dem Randbereich ebenso eine reduzierte Dicke aufweist.
In diesem Fall liegt bevorzugt eine gute Haftung der
Schutzmetallisierung 6 zum Reflektor 4 vor, jedoch nicht notwendigerweise auf der Haftvermittlungsschicht 7, die insbesondere aus Aluminiumoxid ist. Eine zusätzliche Schicht kann nahe der Chipkante eingebracht werden, nicht gezeichnet, um zwischen der Schutzmetallisierung 6 und dem Reflektor 4 eine erhöhte Haftung zu erzielen.
Es gibt weitere Verarbeitungsvarianten, die zu den in den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Halbleiterchips 1 führen. So kann eine Strukturierung des Ag-Metallspiegels 3 am Rand und in den Kontaktöffnungen mit zwei unterschiedlichen
Fotolithographieschritten erfolgen. Es ist vorteilhaft, die Ag-Schicht unmittelbar vor dem Aufbringen der
Schutzmetallisierung 6 zu strukturieren, um einen Fotolack auf der Haftvermittlungsschicht 7 im Chiprandbereich zu vermeiden. Ein Fotolack auf der Aluminiumoxid- Haftvermittlungsschicht 7 kann die Hafteigenschaften nach einem Lackentfernungsschritt negativ beeinflussen.
Die Schutzmetallisierung 6 bedeckt einen äußeren Rand des Metallspiegels 3 sowie Seitenflächen der
Haftvermittlungsschicht 7 bevorzugt vollständig. Damit ist am Rand des Metallspiegels 3 eine dichte Verkapselung aus der Haftvermittlungsschicht 7 zusammen mit der
Schutzmetallisierung 6 gebildet. Am Rand des Halbleiterchips 1, insbesondere ringsum, ist die Schutzmetallisierung 6 bevorzugt direkt auf den Reflektor 4 aufgebracht.
In Figur 6 weist der Halbleiterchip 1 im Querschnitt gesehen lediglich zwei der Durchkontaktierungen 5 auf. Es ist
möglich, dass eine größere Anzahl der Durchkontaktierungen 5 vorliegt .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 7 erfolgt eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 2 von der
Rückseite 12 her über die optionale Kontaktschicht 8 und über die Schutzmetallisierung 6. Dabei sind der Metallspiegel 3 sowie die Haftvermittlungsschicht 7 auf Seitenflächen der Durchkontaktierungen 5 geführt. Damit reicht der
Metallspiegel 3 bis fast an die Halbleiterschichtenfolge 2 und/oder die Kontaktschicht 8 heran. Insbesondere schließt die Haftvermittlungsschicht 7 in Richtung hin zur
Halbleiterschichtenfolge 2 bevorzugt bündig mit der
Schutzmetallisierung 6 ab. Das heißt, die Kontaktschicht 8 kann direkt an die Schutzmetallisierung 6 sowie an die
Haftvermittlungsschicht 7 grenzen.
Diese Geometrie aus Figur 7, wonach die
Haftvermittlungsschicht 7 Seitenflächen der
Durchkontaktierung 5 bedeckt, kann genauso in den
Ausführungsbeispielen der Figuren 2 oder 3 vorliegen. Falls die Haftvermittlungsschicht 7 elektrisch leitfähig ist, können sowohl in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 oder 3 oder im Ausführungsbeispiel der Figur 7 der Metallspiegel 3 oder die Schutzmetallisierung 6 vollständig von der
Haftvermittlungsschicht 7 bedeckt sein. Das heißt, auch im Bereich der Durchkontaktierungen 5 kann sich die
Haftvermittlungsschicht 7 dann durchgehend über den
Metallspiegel 3 und/oder die Schutzmetallisierung 6 hinweg erstrecken. Insbesondere liegt die Haftvermittlungsschicht 7 in diesem Fall zwischen der Kontaktschicht 8 und der
Schutzmetallisierung 6.
Mit dieser Geometrie des Metallspiegels 3 kann eine
Vergrößerung des Reflexionsbereichs des Metallspiegels 3 erreicht werden. Bei dieser Variante werden die
Haftvermittlungsschicht 7 und der Metallspiegel 3 nach dem Strukturieren des dielektrischen Reflektors 4 abgeschieden, das heißt, Kontaktöffnungen werden geätzt. Mit einer zweiten Fotolithographiemaske werden die Haftvermittlungsschicht 7 und der Metallspiegel 3 von der elektrischen Kontaktflache und von der Chipkante in einem gemeinsamen Schritt entfernt. Anschließend wird die Schutzmetallisierung 6 aufgebracht.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 8 baut insbesondere auf dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 auf. Dabei ist der Reflektor 4 seitlich neben der Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt; dieses Entfernen erfolgt bevorzugt während des Mesaätzens, also während des Erzeugens der Trenngräben. Von der
Lichtauskoppelseite 10 her erstreckt sich eine Abdeckschicht 75 über Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 bis auf die Haftvermittlungsschicht 7. Die Haftvermittlungsschicht 7 sowie die Abdeckschicht 75 sind bevorzugt aus dem gleichen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid. Bevorzugt sind die Schichten 7, 75 jeweils über Atomlagenabscheidung
hergestellt. Damit lässt sich auch von der
Lichtauskoppelseite 10 sowie von Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge 2 her eine besonders dichte
Verkapselung des Metallspiegels 3 erzielen.
Optional wird auf die Abdeckschicht 75 ferner eine
Feuchtigkeitsschutzschicht 76 aufgebracht. Bei der
Feuchtigkeitsschutzschicht 76 handelt es sich beispielsweise um ein Nitrid wie Siliziumnitrid. Die
Feuchtigkeitsschutzschicht 76 kann auch als Antireflexschicht dienen, etwa zusammen mit der Abdeckschicht 75.
Beispielsweise ist die Feuchtigkeitsschutzschicht 76 mittels CVD oder PVD hergestellt. Die Feuchtigkeitsschutzschicht 76 ist bevorzugt dicker als die Abdeckschicht 75. Eine solche Abdeckschicht 75 und/oder eine solche Feuchtigkeitsschutzschicht 76 können auch in allen
Ausführungsbeispielen entsprechend vorhanden sein.
Zum Beispiel vor dem Aufbringen von elektrischen Kontakten auf der Lichtauskoppelseite 10, insbesondere an der n- dotierten zweiten Seite 22 der Halbleiterschichtenfolge 2, wird der dielektrische Reflektor 4 im Trenngraben geöffnet, sodass die an der p-Seite 21 abgeschiedene
Haftvermittlungsschicht 7 freigelegt wird. Dies kann in dem separaten oder dem gleichen Fotolithographieschritt wie das Mesaätzen erfolgen.
Anschließend wird die weitere Aluminiumoxid-Abdeckschicht 75 abgeschieden, die die gesamte Chipfläche bedecken kann und die im Trenngraben auf der Haftvermittlungsschicht 7
aufliegt. Somit wirken beide Schichten 7, 75 als
Feuchtigkeitsbarrieren und alle Feuchtigkeitspfade sind verschlossen .
In Figur 9 ist ein Herstellungsverfahren für einen
Halbleiterchip 1 beschrieben. Gemäß Figur 9A wird die
Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Aufwachssubstrat 20 aufgewachsen . Nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge 2 kann optional eine Strukturierung erfolgen, sodass dickere Bereiche für die späteren Durchkontaktierungen 5 resultieren, in Figur 9A nicht gezeichnet. Ebenso ist es optional möglich, dass lokal oder ganzflächig die in Figur 9A nicht gezeichnete Kontaktschicht aufgebracht wird.
Nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge 2 und optional nach dem Aufbringen der Kontaktschicht und/oder dem Strukturieren der Halbleiterschichtenfolge 2 wird der
Reflektor 4 erzeugt.
In Figur 9B ist illustriert, dass auf den Reflektor 4 bevorzugt ganzflächig die Haftvermittlungsschicht 7 erzeugt wird. Ist eine in Figur 9B nicht gezeichnete Strukturierung vorhanden, so formt die Haftvermittlungsschicht 7 eine solche Strukturierung bevorzugt exakt nach. Die
Haftvermittlungsschicht 7 wird mittels Atomlagenabscheidung erzeugt .
Nachfolgend wird der Metallspiegel 3 erzeugt, beispielsweise mittels Aufdampfen. Erforderlichenfalls können der
Metallspiegel 3 und die Haftvermittlungsschicht 7 nachfolgend strukturiert werden, also stellenweise entfernt werden, in Figur 9B nicht gezeichnet.
Ebenso wenig ist in Figur 9 eine Strukturierung zu den optionalen Durchkontaktierungen 5 gezeichnet. Die
Durchkontaktierungen 5 können entfallen, falls der Reflektor 4 und die Haftvermittlungsschicht 7 elektrisch leitend sind. In diesem Falle sind der Reflektor 4 und die
Haftvermittlungsschicht 7 beispielsweise aus einem
transparenten leitfähigen Oxid oder aus unterschiedlichen transparenten leitfähigen Oxiden.
Im Verfahrensschritt der Figur 9C ist gezeigt, dass auf den Metallspiegel 3 die Schutzmetallisierung 6 aufgebracht wird. Wiederum ist eine eventuelle Strukturierung der
Schutzmetallisierung 6 nicht illustriert.
Optional folgt der Schutzmetallisierung 6 ein
Verbindungsmittel 91 wie ein Lot nach. Ferner ist die Halbleiterschichtenfolge 2 an der Seite des Metallspiegels 3 mit einem Träger 9 verbunden. Insbesondere kann der Träger 9 mittels Löten an der Schutzmetallisierung 6 angebracht werden .
Gemäß Figur 9D wurde das Aufwachssubstrat 20 von der
Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt. Optional wird eine
Aufrauung 92 zur Verbesserung einer Lichtauskopplung an der Lichtauskoppelseite 10 erstellt.
Im Verfahrensschritt der Figur 9E ist illustriert, dass auf die Lichtauskoppelseite 10 eine Stromverteilungsstruktur 93 aufgebracht werden kann, beispielsweise gebildet durch gitterförmige oder streifenförmig verlaufende Metallbahnen. Als Stromverteilungsstruktur kann alternativ eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid dienen.
Ferner ist in Figur 9E illustriert, dass optional die
Abdeckschicht 75 und/oder die Feuchtigkeitsschutzschicht 76 aufgebracht werden.
Generell sind die Anforderungen an die richtige Wahl der Haftvermittlungsschicht 7 wie folgt: Eine gute Haftung zwischen dem dielektrischen Reflektor 4 und dem Metallspiegel 3; hohe Gleichmäßigkeit und Konformität beim Aufbringen;
Wirkung als Feuchtigkeitsbarriere, zumindest, wenn die
Haftvermittlungsschicht 7 zwischen anderen Schichten
angeordnet ist; geringe Absorption im Wellenlängenbereich, der vom Halbleiterchip 1 emittiert wird. Alternativ zu ALD kann die Haftvermittlungsschicht 7 auch mit einer
Dünnschichtabscheidetechnik wie Plating oder Chemical Vapor Deposition, kurz CVD, abgeschieden werden. Während der Verarbeitung kommt der Metallspiegel 3 in der Regel mit Luft in Berührung. Zur Vermeidung von Oxidation sollte der Metallspiegel 3 daher von einer dünnen Schicht aus einem anderen Material bedeckt sein, insbesondere mit ZnO,
ITO oder TiW. Dieses Material kann schließlich, falls nötig, unmittelbar vor dem Abscheiden der Schutzmetallisierung 6 entfernt werden, zum Beispiel mittels Sputtern. Die
Schutzmetallisierung 6 ist bevorzugt feuchtigkeitsstabil und haftet gut an dem Metallspiegel 3 und an der
Haftvermittlungsschicht 7.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben .
Die hier beschriebene 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der
deutschen Patentanmeldungen 10 2018 106 001.7 und 10 2018 107 673.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 optoelektronischer Halbleiterchip
1 ' Abwandlung eines Halbleiterchips
10 Lichtauskoppelseite
12 Rückseite
2 Halbleiterschichtenfolge
20 Aufwachssubstrat
21 p-dotierte Seite
22 n-dotierte Seite
23 aktive Zone
3 Metallspiegel
4 Reflektor
5 elektrische Durchkontaktierung
6 Schutzmetallisierung
7 Haftvermittlungsschicht
71 Anhaftschicht
75 Abdeckschicht
76 Feuchtigkeitsschutzschicht
8 Kontaktschicht
9 Träger
91 Verbindungsmittel
92 Aufrauung
93 Stromverteilungsstruktur

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit
- einer Halbleiterschichtenfolge (2) basierend auf AlInGaP und/oder auf AlInGaAs mit einer aktiven Zone (23) zur
Erzeugung einer Strahlung,
- einem Metallspiegel (3) für die Strahlung an einer einer Lichtauskoppelseite (10) gegenüberliegenden Rückseite (12) der Halbleiterschichtenfolge (2),
- einer Schutzmetallisierung (6) direkt an einer der
Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Seite des
Metallspiegels (3) , und
- einer Haftvermittlungsschicht (7) direkt an einer der
Halbleiterschichtenfolge (2) zugewandten Seite des
Metallspiegels (3) ,
wobei die Haftvermittlungsschicht (7) eine
Verkapselungsschicht für den Metallspiegel (3) ist, sodass der Metallspiegel (3) zumindest an einem äußeren Rand von der Haftvermittlungsschicht (7) zusammen mit der
Schutzmetallisierung (6) verkapselt ist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
umfassend eine oder mehrere metallische elektrische
Durchkontaktierungen (5) , die direkt bis an eine dem
Metallspiegel (3) zugewandte Seite der
Halbleiterschichtenfolge (2) oder bis direkt an eine
Kontaktschicht (8) aus einem transparenten leitfähigen Oxid reichen und beabstandet von der aktiven Zone (23) enden, wobei die mindestens eine Durchkontaktierung (5) in einem der Halbleiterschichtenfolge (2) nächstgelegenen Bereich durch die Schutzmetallisierung (6) gebildet ist,
wobei die Haftvermittlungsschicht (7) und die Schutzmetallisierung (6) die Halbleiterschichtenfolge (2) seitlich überragen, und
wobei der Metallspiegel (3) an allen Rändern vollständig von der Haftvermittlungsschicht (7) zusammen mit der
Schutzmetallisierung (6) verkapselt ist und im Querschnitt gesehen ringsum ausschließlich an die Schutzmetallisierung (6) zusammen mit der Haftvermittlungsschicht (7) grenzt.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
- der Metallspiegel (3) ein Silberspiegel ist,
- die Haftvermittlungsschicht (7) aus Aluminiumoxid ist,
- die Haftvermittlungsschicht (7) mittels
Atomlagenabscheidung erzeugt ist, sodass eine spezifische Diffusionskonstante der Haftvermittlungsschicht (7) für Wasser und Sauerstoff höchstens 10- g/ (m2
Figure imgf000040_0001
beträgt, gerechnet auf eine Materialdicke von 0,1 ym,
- die Schutzmetallisierung (6) ein Schichtenstapel aus mehreren Metallschichten ist, und
- ein Gebiet zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) und der Schutzmetallisierung (6) frei von Hohlräumen ist.
4. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend zumindest eine metallische elektrische Durchkontaktierung (5) ,
wobei die Durchkontaktierung (5) bis an eine dem
Metallspiegel (3) zugewandte Seite der
Halbleiterschichtenfolge (2) reicht und beabstandet von der aktiven Zone (23) endet.
5. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Haftvermittlungsschicht (7) von einem der
Halbleiterschichtenfolge (2) nächstgelegenen Bereich der Durchkontaktierung (5) entfernt ist,
wobei die Haftvermittlungsschicht (7) Seitenflanken der Durchkontaktierung (5) teilweise oder vollständig bedeckt.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Durchkontaktierung (5) in einem der
Halbleiterschichtenfolge (2) nächstgelegenen Bereich durch den Metallspiegel (3) gebildet ist.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Schutzmetallisierung (6) in der
Durchkontaktierung (5) näher an die Halbleiterschichtenfolge
(2) heranreicht als benachbarte Gebiete des Metallspiegels
(3) .
8. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
bei dem die Durchkontaktierung (5) in einem der
Halbleiterschichtenfolge (2) nächstgelegenen Bereich durch die Schutzmetallisierung (6) gebildet ist.
9. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend einen Reflektor (4) aus mindestens einem Material, das für die im Betrieb erzeugte Strahlung
durchlässig ist,
wobei sich der Reflektor (4) direkt zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) und der Haftvermittlungsschicht (7) befindet.
10. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem der Reflektor (4) elektrisch isolierend ist und von der Durchkontaktierung (5) durchdrungen wird,
wobei der Reflektor (4) in Draufsicht gesehen die
Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder den Metallspiegel (4) überragt .
11. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem der Reflektor (4) in Bereichen, die in Draufsicht gesehen neben der Halbleiterschichtenfolge (2) liegen, direkt an die Schutzmetallisierung (6) grenzt.
12. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Haftvermittlungsschicht (7) und die
Schutzmetallisierung (6) die Halbleiterschichtenfolge (2) seitlich überragen,
wobei der Metallspiegel (3) im Querschnitt gesehen ringsum ausschließlich an die Schutzmetallisierung (6) zusammen mit der Haftvermittlungsschicht (7) grenzt.
13. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend eine Kontaktschicht (8) aus einem
transparenten leitfähigen Oxid,
wobei die Kontaktschicht (8) unmittelbar an die
Halbleiterschichtenfolge (2) grenzt und elektrisch ohmsch mit dem Metallspiegel (3) verbunden ist.
14. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Haftvermittlungsschicht (7) bis an die
Kontaktschicht (8) reicht.
15. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 4 und nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Durchkontaktierungen (5) je eine größere Dicke aufweist, wobei die Kontaktschicht (8) auf die Bereiche mit der größeren Dicke beschränkt ist.
16. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Haftvermittlungsschicht (7) zumindest über den Metallspiegel (3) hinweg eine gleichbleibende, konstante Dicke aufweist,
wobei sich verschiedene Gebiete der Haftvermittlungsschicht (7) gegenseitig nicht überdecken.
17. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
ferner umfassend eine Abdeckschicht (75) , die sich von der Lichtauskoppelseite (10) her über Seitenflanken der
Halbleiterschichtenfolge (2) hinweg bis an die
Haftvermittlungsschicht (7) erstreckt, sodass die
Halbleiterschichtenfolge (2) in mindestens einem Querschnitt gesehen von der Abdeckschicht (75) zusammen mit der
Haftvermittlungsschicht (7) und der Schutzmetallisierung (6) umschlossen ist,
wobei die Abdeckschicht (75) und die Haftvermittlungsschicht (7) aus dem gleichen Material sind.
18. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Abdeckschicht (75) mit einer
Feuchtigkeitsschutzschicht (76) überzogen ist.
19. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit den Schritten:
A) Wachsen der Halbleiterschichtenfolge (2), die aus AlInGaP oder AlInGaAs ist,
B) Abscheiden und/oder Strukturieren der
Haftvermittlungsschicht (7),
C) Abscheiden und/oder Strukturieren des Metallspiegels (3), sodass der Metallspiegel (3) die Haftvermittlungsschicht (7) teilweise bedeckt,
D) Aufbringen der Schutzmetallisierung (6) auf den
Metallspiegel (3) und auf der Haftvermittlungsschicht (7), und
E) Ablösen eines Aufwachssubstrats (20) für die
Halbleiterschichtenfolge (2).
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