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WO2015166001A1 - Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterchips Download PDF

Info

Publication number
WO2015166001A1
WO2015166001A1 PCT/EP2015/059407 EP2015059407W WO2015166001A1 WO 2015166001 A1 WO2015166001 A1 WO 2015166001A1 EP 2015059407 W EP2015059407 W EP 2015059407W WO 2015166001 A1 WO2015166001 A1 WO 2015166001A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer sequence
semiconductor layer
semiconductor chip
contact elements
radiation
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/059407
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Isabel OTTO
Alexander F. PFEUFFER
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority to US15/304,917 priority Critical patent/US10008487B2/en
Priority to DE112015002045.4T priority patent/DE112015002045A5/de
Publication of WO2015166001A1 publication Critical patent/WO2015166001A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices the devices being of types provided for in two or more different subclasses of H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices the devices being of types provided for in two or more different subclasses of H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices
    • H01L25/50—Multistep manufacturing processes of assemblies consisting of devices, the devices being individual devices of subclass H10D or integrated devices of class H10
    • H01L33/0093—
    • H01L33/08—
    • H01L33/20—
    • H01L33/405—
    • H01L33/62—
    • H01L27/1214—

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor chip is specified.
  • An object to be solved is to provide a semiconductor chip having a plurality of radiation-emitting pixels
  • Another object to be solved is to provide a method for producing such a semiconductor chip, which is particularly simple and inexpensive.
  • Semiconductor layer sequence with a top side and a bottom side opposite the top side.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a
  • Nitride compound semiconductor such as Al n In] __ n _ m Ga m N, or a phosphide such as Al n In] __ n _ m Ga m P, or also a Arsenidrivurgidurleitermaterial as Al n In] __ n _ m Ga m As, where each 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence such as Al n In] __ n _ m Ga m N, or a phosphide such as Al n In] __ n _ m Ga m P, or also a Arsenidimpldururleitermaterial as Al n In] __ n _ m Ga m As, where each 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence such as Al n In] __
  • Components of the crystal lattice of the Semiconductor layer sequence that is, Al, As, Ga, In, N or P, indicated, although these may be partially replaced by small amounts of other substances and / or supplemented.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on AlInGaN.
  • the semiconductor layer sequence comprises at least one active layer which is used to generate an electromagnetic layer
  • the active layer contains at least one pn junction and / or at least one quantum well structure.
  • a radiation generated by the active layer in operation is in particular in the
  • Spectral range between 400 nm and 800 nm inclusive.
  • the contact elements have, for example, a metal, such as aluminum or silver or gold, or are formed from such.
  • the semiconductor layer sequence for the intended operation is electrically contacted via the contact elements.
  • Contact elements may be formed in plan view of the top of the semiconductor layer sequence, for example, round, square rectangular or hexagonal. According to at least one embodiment, the
  • the semiconductor chip designed as a thin-film semiconductor chip.
  • the semiconductor chip is thus free of a growth substrate onto which the semiconductor layer sequence has grown.
  • the semiconductor chip has, for example, a carrier different from the growth substrate, to which the semiconductor layer sequence is applied, and which mechanically stabilizes the semiconductor layer sequence.
  • the carrier By the carrier, the semiconductor chip, for example, self-supporting.
  • the carrier may further comprise or be made of a metallic or a ceramic material
  • the carrier is made of a glass material or a plastic material or has at least one of these materials.
  • the carrier may also include or be formed from a semiconductor material such as silicon or germanium.
  • the carrier contains electrical circuits, and / or is as
  • the lower side of the semiconductor layer sequence is designed as a radiation output surface. This means that radiation which is generated in the active layer of the semiconductor layer sequence, partially or completely through the underside of the
  • no carrier stabilizing the semiconductor chip is applied to the underside of the semiconductor layer sequence.
  • the carrier stabilizing the semiconductor chip is therefore preferably arranged on the upper side of the semiconductor layer sequence.
  • Contact elements individually and independently electrically controlled. That is, at least some, preferably all contact elements can be acted upon individually and independently of the other contact elements with electrical voltage.
  • the active layer of the semiconductor layer sequence preferably emits only in an area in the immediate vicinity of the contact element electromagnetic radiation. This area is referred to here and below as an active area. Every active one
  • Area can therefore be assigned a contact element, and vice versa.
  • the contact elements have a lateral extent parallel to the direction of extension of the upper side of at most 50 ⁇ m, preferably at most 15 ⁇ m, particularly preferably at most 5 ⁇ m.
  • the distance between two adjacent contact elements, at least for a part of the contact elements can be at most 20 .mu.m, preferably at most 10 .mu.m, particularly preferably at most 5 .mu.m.
  • the lateral extent of an active region that is to say the extent parallel to the radiation decoupling surface
  • the active region has a greater lateral extent, for example, by a maximum of 3 ym, preferably by at most 2 ym, more preferably by at most 1 ym greater lateral extent, than the associated
  • Semiconductor layer sequence has a thickness of at most 3 ym, preferably at most 2 ym, more preferably at most 1.5 ym.
  • the thickness of the semiconductor layer sequence can be understood here and below to mean the maximum, preferably the average thickness of the semiconductor layer sequence.
  • the thickness can be defined as the distance between the upper side and the lower side of the semiconductor layer sequence.
  • the optoelectronic semiconductor chip comprises a semiconductor layer sequence with an upper side and one of the upper side
  • the semiconductor layer sequence has an active layer for the production
  • the semiconductor chip is designed as a thin-film semiconductor chip.
  • the underside of the semiconductor layer sequence forms a
  • Semiconductor layer sequence has a thickness of at most 3 ym.
  • the invention described here is based on the idea of a particularly simple semiconductor chip with a plurality of radiation-emitting pixels
  • the active layer generates the
  • each contact element a preferably only in the active region in the immediate vicinity of the contact element electromagnetic radiation. In this way, each contact element a
  • Radiation emitting active region of the active layer are uniquely assigned. Each of these one
  • the semiconductor layer sequence becomes
  • the active region assigned to a contact element advantageously has a lateral which is at most a few micrometers larger
  • the above-described invention dispenses with pixels that are detected by means of mesa trenches in the
  • Radiation decoupling surface of the semiconductor layer sequence on a roughening with a roughness is less than or equal to 200 nm, preferably less than or equal to 100 nm, particularly preferably less than or equal to 50 nm.
  • the radiation coupling-out surface is up to this roughening smooth. The roughness therefore preferably falls out very small, particularly preferably the radiation coupling-out surface is smooth.
  • the roughness is a measure of the generated by the structures
  • Variation of the surface height of the corresponding surface For example, for roughening, only structures that produce a small variation in surface height are counted.
  • a "small variation” is, for example, a variation that is small in comparison to the lateral extent of the contact elements, for example at most 1/10 or 1/20 or 1/100 as large as the lateral extent of the contact elements Roughness of a surface that is often unintentional and difficult to control
  • the roughness can be the mean roughness, that is, the roughness indicates the average distance of a measuring point on the surface to a central surface.
  • the center surface intersects the actual profile of the surface such that the sum of the measured profile deviations, relative to the
  • each light-emitting pixel for an external observer actually only appears approximately as large as the associated contact element or the associated active region.
  • An adulteration of the pixel or an overlap of adjacent pixels is reduced by the low scattering at the radiation decoupling surface, which in turn causes the
  • the top and / or the bottom is smooth except for the above roughening.
  • Semiconductor layer sequence then forms, for example, a continuous layer without interruptions.
  • the thickness of the semiconductor layer sequence may then be constant, for example with maximum thickness variations around the mean of the thickness of at most 10% or 5% or 1% or 0.1%.
  • the active layer is formed along the entire lateral extent of the semiconductor chip contiguous and without interruptions. In the case of the semiconductor layer sequence of this embodiment, it is possible in particular to dispense with mesa trenches or mesial holes between two adjacent contact elements or between two adjacent active regions.
  • Trenches for example, mesa trenches, in the
  • the trenches extend, for example, from the top towards the bottom.
  • the trenches are laterally adjacent, in particular
  • each contact element is partially or completely surrounded by a trench.
  • the trench can run continuously and uninterrupted around the corresponding contact element.
  • the trenches in plan view form individual closed or partially open
  • each contact element being surrounded by a unique mesh. It is possible in particular that all trenches are connected, so that a network of trenches is formed around the contact elements.
  • the trenches penetrate the active layer and have bottom surfaces in the region of the semiconductor layer sequence that lies between the active layer
  • Semiconductor layer sequence arranged in a matrix This can mean that the contact elements in a regular
  • Pattern for example in the form of a grid, which can be carried out further as a square, rectangular or hexagonal grid, are arranged on top.
  • the individual contact elements can, for example, represent pixels of a display, so that the semiconductor chip forms a microdisplay.
  • a potting material is introduced laterally next to the contact elements, which partially or completely fills in interspaces between the contact elements.
  • the potting material can for
  • Potting material for example, has a reflectivity for the radiation emitted by the semiconductor layer sequence of at least 80%, wherein the reflectivity is a mean, emitted by the semiconductor chip
  • Wavelength spectrum averaged reflectivity can act.
  • the reflectivity can also be specified at a wavelength at which an intensity maximum of the radiation emitted by the semiconductor chip occurs.
  • the potting material is a base material filled with reflective particles, such as 10 O 2, such as silicone or resin or plastic.
  • a plurality of the contact elements is on the upper side
  • the active matrix element is used for selective electrical control of the individual contact elements.
  • the active matrix element is, for example, a A plurality of transistors, such as thin-film transistors, which have the same, preferably matrix-like arrangement as the contact elements.
  • the transistors can
  • a substrate for example a substrate, for example a substrate
  • each transistor is a contact element and thus a pixel of
  • each pixel of the semiconductor layer sequence is, for example, one-to-one power supply terminals on the
  • the semiconductor chip can be used for example as a microdisplay, wherein the active matrix element ensures that each contact element or pixel of the microdisplay can be controlled individually.
  • the specular material may be, for example, silver, aluminum or gold or a metal alloy thereof.
  • Radiation decoupling surface of the semiconductor layer sequence attached another contact element for electrically contacting the semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence is thus arranged between the contact elements and the further contact element in this case and is via the contact elements and the other
  • the further contact element has preferably an electrically conductive transparent material, for example a transparent conductive oxide, in short TCO, such as indium tin oxide, ITO short, or fluorine-tin oxide or
  • Aluminum-zinc oxide on or is formed from.
  • the further contact element can partially or completely cover the radiation outcoupling surface.
  • the further contact element extends continuously, coherently and
  • the further contact element preferably covers several, in particular all, of the contact elements partially or completely.
  • Radiation decoupling surface is, for example, at least 50 nm or 100 nm or 300 nm. Alternatively or additionally, the thickness is at most 5 ym or 1 ym or 500 nm.
  • the further contact element does not form a stabilizing component in the semiconductor chip.
  • the further contact element is not mechanically self-supporting in particular. Particular preference is given to the radiation output surface
  • the further contact element is arranged on the edge of the semiconductor chip.
  • the further contact element is arranged on the edge of the semiconductor chip.
  • the further contact element simulates the mesh structure or grid structure of the trenches.
  • the further contact element can then be
  • Contact element has a metal such as Ag or AI, or consists thereof.
  • the radiation decoupling surface is then free of contact elements, for example. In particular, the radiation decoupling surface along the entire
  • Semiconductor layer sequence facing away from the contact elements each have a conductive protective layer, for example, zinc oxide or titanium formed.
  • Contact elements on side surfaces which extend transversely to the top of the semiconductor layer sequence are preferably insulating layers, for
  • the conductive protective layer and the insulating layers protect the contact elements, for example against external influences such as moisture ingress or oxidation. These are the conductive protective layer and / or the
  • Insulation layers preferably form-fitting on the exposed, so not on the
  • a conductive layer serving for protection is also applied to the insulating layer.
  • a semiconductor layer adjoining the radiation coupling-out surface has defects, for example lattice dislocations.
  • the defects arise, for example, when growing up
  • Radiation decoupling surface adjacent semiconductor layer at most 5-10 ⁇ cm “ ⁇ , preferably at most 3-10 ⁇ cm " ⁇ particularly preferably at most 2-10 ⁇ cm ⁇ 2.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor chip is specified.
  • the method is suitable for example for the production of a semiconductor chip according to the above
  • the method for producing an optoelectronic semiconductor chip comprises a step a) in which a growth substrate is provided.
  • the growth substrate may be, for example, a substrate suitable for growing a III-V semiconductor layer sequence, such as a sapphire substrate.
  • a semiconductor layer sequence in a step b) of the method, a semiconductor layer sequence,
  • the semiconductor layer sequence has at least one active layer, which in the
  • a plurality of individually and independently controllable contact elements are formed on the side of the semiconductor layer sequence facing away from the growth substrate.
  • a carrier is applied to the sides of the contact elements facing away from the growth substrate.
  • the support is, for example, a metallic support or a ceramic support or a semiconductor support or a printed circuit board or an active matrix element.
  • the carrier can in particular serve for a mechanical stabilization of the finished semiconductor chip, so that the finished semiconductor chip is self-supporting.
  • the growth substrate is detached from the semiconductor layer sequence. The detachment can take place, for example, by means of a laser liftoff process.
  • the semiconductor layer sequence is removed in a further step f) until the maximum or average thickness of the semiconductor layer sequence is at most 3 ⁇ m, preferably at most 2 ⁇ m, particularly preferably at most 1 ⁇ m.
  • the removal of the semiconductor layer sequence is preferably done by that of the original
  • Semiconductor layer sequence for example, by means of a wet chemical process, for example by the etching using KOH or H3PO4, or by a dry chemical etching process, for example, with chlorine gas or argon, take place. Due to the etching processes, the side of the
  • semiconductor layer sequence over which has been etched in particular provided with structures.
  • these structures may, for example, serve as coupling-out structures for the light generated by the semiconductor layer sequence.
  • Such coupling-out structures generate on the
  • Radiation decoupling surface has a roughness of, for example, at least 500 nm, preferably at least 700 nm, more preferably at least 1 ym.
  • Partial removal of the semiconductor layer sequence from the side facing away from the carrier of the semiconductor layer sequence Polishing a radiation decoupling surface formed.
  • the structures produced by the removing method of the step f) are preferred on the
  • Radiation decoupling surface removed. After polishing, a roughening remains on the radiation coupling-out surface, which has a roughness of at most 200 nm, preferably at most 100 nm, particularly preferably at most 50 nm
  • step b) of the method first of all a buffer layer sequence is applied to the
  • the active layer is then applied to the buffer layer sequence.
  • the active layer can be applied directly to the buffer layer sequence. Alternatively, it is also possible that before the application of the active layer more
  • the buffer layer sequence has, for example, the same compound semiconductor type as the semiconductor layer sequence.
  • the buffer layer sequence can have several
  • the buffer layer sequence serves to reduce the defect during growth and compensates for different thermal effects
  • step f) the buffer layer sequence of the semiconductor layer sequence is partially or completely removed.
  • the buffer layer sequence is in Generally only for the growing process of
  • the buffer layer sequence After detachment of the growth substrate, the buffer layer sequence no longer has any indispensable functionality and can therefore be partially or completely removed in order to reduce the thickness of the semiconductor layer sequence.
  • MOVPE organometallic gas phase epitaxy
  • Sputtering processes can also be used to produce thin epitaxial layers with a low defect density.
  • organometallic gas phase epitaxy is needed, can then be dispensed with. Consequently, in order to achieve a thin semiconductor layer sequence, no buffer layer sequence then has to be removed in a further step.
  • an optoelectronic semiconductor chip described here and a method for producing an optoelectronic semiconductor chip will be explained in more detail with reference to the drawings by means of exemplary embodiments.
  • the same reference numerals indicate the same elements in the individual figures. However, they are not
  • Figures 1A to IC are schematic side views of
  • Figures 1D and IE are schematic plan views
  • FIGS. 2A to 2F are schematic side views of FIG.
  • Figures 3A to 3D are plan views of different
  • FIG. 1A shows a side view of an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor chip 100.
  • the semiconductor chip 100 has a semiconductor layer sequence 1 with an upper side 2 and an opposite one
  • the semiconductor layer sequence 1 comprises, for example, a p-doped layer 11, an n-doped layer 13 and an active layer 12 arranged between the p-doped layer 11 and the n-doped layer 13 and used to generate electromagnetic radiation
  • the semiconductor layer sequence 1 as well as the active layer 12 are along the entire lateral Expansion of the semiconductor chip 100, parallel to the bottom 3, formed contiguous, continuous and uninterrupted.
  • Contact elements 20 are formed, for example, from silver and are preferably individually and independently electrically controllable.
  • Contact element 20 has electromagnetic radiation within an active region 14.
  • the active region 14 has, for example, a lateral extension that is at most 1 ⁇ m greater than the associated contact element 20.
  • the active region 14 forms a luminous pixel when viewed from the top side 3 for an external observer. This has a similar lateral extent and a similar shape to the one energized
  • Contact element 20 has. By the majority of arranged on the top 2 contact elements 20 which can be energized independently of each other, for example, a pixelated microdisplay is realized.
  • the contact elements have a lateral extent parallel to the upper side 2 of the
  • Semiconductor layer sequence 1, for example, 10 ym on.
  • the distance between two adjacent contact elements is also 10 ym, for example.
  • Semiconductor layer sequence 1 is 2 ym, for example.
  • Radiation decoupling surface 3 in this case has a roughening with a roughness which is substantially smaller than the lateral dimensions of the contact elements 20.
  • the roughness is for example at most 100 nm. The roughening is so small that the
  • Radiation decoupling surface 3 appears smooth.
  • Radiation decoupling surface 3 also another
  • the further contact element 30 covers the entire
  • electromagnetic radiation can be emitted, is the further contact element 30, for example, a
  • the Insulation layers 23 also cover side surfaces of the electrically conductive layer 21.
  • Insulation layer 23 are in Fig. 1A a form-fitting manner
  • Insulation layers 23 encapsulate the contact elements 20. As a result, the contact elements 20 are protected, for example, from the entry of moisture and from oxidation.
  • a carrier 5, for example an active matrix element 40 is applied to the plurality of contact elements 20, with which the individual contact elements 20 can be electrically controlled independently of the other contact elements 20.
  • the active matrix element 40 for example, a plurality of transistors and
  • the active matrix element 40 is preferably electrically conductively connected to the contact elements 20 via a solder material 24.
  • Embodiment as shown in Figure 1A The only difference is that, in the case of FIG. 1A, the thickness of the semiconductor layer sequence 1 is approximately constant and does not have any intentionally introduced recesses, such as mesa trenches, on the upper side 2.
  • trenches 7 are intentionally introduced between in each case two adjacent contact elements 20.
  • the depth of the trenches 7 is selected so that the trenches 7 penetrate the active layer 12 and end with bottom surfaces in the n-doped layer 13.
  • the width of the trenches 7 is so chosen that the trenches 7 starting from a
  • Contact elements 20, in particular the trenches 7, can optionally with a potting material, such as a white
  • Radiation decoupling surface 3 is mounted, but in the range of bottom surfaces of the trenches 7. In these areas, the further contact element 30 is, for example, in direct
  • Radiation outcoupling surface 3 opposite side energized or contacted.
  • the radiation decoupling surface 3 is exposed along the entire lateral extent of the semiconductor chip 100.
  • Figure 1D shows an embodiment of a
  • Optoelectronic semiconductor chip 100 in plan view of the top 2.
  • the contact elements 20 are matrix-like, that is in particular regularly, on grid points of a
  • the contact elements 20 themselves also each have a rectangular basic shape.
  • the areas between the contact elements 20 may be formed, for example, by trenches 7 which form a grid around the
  • each contact element 20 is uniquely associated with a mesh of the grid.
  • the trenches 7 are formed interconnected.
  • the further contact element 30 is disposed within the trenches 7.
  • the further contact element 30 can the grid of the trenches 7 nachformen, so in particular run continuously and without interruption within the trenches 7. It is the further contact element 30 in Figure 1D, for example, integrally formed.
  • FIG. 1E a top view of a
  • a growth substrate 4 which is formed here for example of sapphire, a
  • Buffer layer sequence 6 grown.
  • the buffer layer sequence 6 is based, for example, on GaN. Due to the different thermal expansion coefficients and the
  • Buffer layer sequence 6 for example in the form of
  • Buffer layer sequence 6 is also an n-doped
  • a semiconductor layer 13 applied. On the n-doped layer 13, a p-doped layer 11 is applied. Between the p-doped layer 11 and the n-doped layer 13, an active radiation generating layer 12 is formed.
  • the buffer layer sequence 6, the n-doped layer 13, the active layer 12 and the p-doped layer 11 together form a semiconductor layer sequence 1.
  • contact elements 20 are applied to an upper side 2 of the semiconductor layer sequence 1 facing away from the growth substrate 4.
  • the contact elements 20 are
  • contact elements 20 in FIG. 2B are applied with an electrically conductive layer 21, for example made of titanium.
  • the electrically conductive layer 21 is then applied to the metallic layer.
  • the individual contact elements 20 with the electrically conductive layers 21 can then be produced.
  • Contact elements 20 a carrier 5, for example in the form of an active matrix element 40, arranged by means of a solder material 24.
  • the active matrix element 40 covers a plurality of contact elements 20. Further, in the embodiment of FIG. 2D, the
  • Growth substrate 4 is removed, whereby a bottom 3 of the semiconductor layer sequence 1 is exposed.
  • the removal of the growth substrate 4 may, for example, via a
  • Semiconductor layer sequence 1 for example, by means of a wet-chemical or dry chemical etching process removed from the bottom 3 of.
  • structures which, for example, serve as coupling-out structures for the electromagnetic radiation generated in the active layer 12 are formed on the underside 3 of the semiconductor layer sequence 1.
  • the present example the
  • Semiconductor layer sequence 1 removed so far that the thickness of the semiconductor layer sequence is at most 2 ym.
  • the entire buffer layer sequence 6 is removed.
  • Top 2 and the bottom 3 also be reversed. Furthermore, in addition to or instead of the GaN-based
  • Semiconductor materials can also be used GaP and / or GaAs.
  • Semiconductor chips 100 are lit.
  • the semiconductor chip has, for example, a side length of at most 10 mm and has a total of at least 100,000 pixels.
  • the layer thickness of the semiconductor layer sequence is selected to be 7 ym.
  • the radiation decoupling surface is virtually free of roughening, that is, the radiation decoupling surface is smooth.
  • the roughness is for example the highest 50 nm.
  • Figure 3C shows a similar picture as Figures 3B and 3D.
  • the layer thickness of the semiconductor layer sequence is selected to 7 ym.
  • Figure 3C is also the
  • Radiation decoupling surface 3 provided with a roughening whose roughness is greater than 500 nm. Through the roughening For example, the pixels in Figure 3C are optically less distinguishable from each other than in Figures 3B and 3D.
  • FIGS. 4 and 5 list simulated contrast ratios R of semiconductor chips specified here.
  • Contrast ratio R is the ratio of
  • the contrast ratio R is listed in the tables of FIGS. 4 and 5 for different pixel widths b, ie for different widths b of the contact elements 20, as well as for different distances a between the contact elements 20.
  • the widths b and distances a are each given in ym.
  • the contrast ratio R for certain thicknesses d of the semiconductor layer sequence 1 is listed.
  • the table of FIG. 4 differs from the table of FIG. 5 in that values for semiconductor chips 100 with a roughly roughened radiation decoupling surface 3 are indicated in the table of FIG. 4, whereas the values in the table in FIG. 5 refer to semiconductor chips 100 a radiation decoupling surface 3 refer, which is polished and thus has no roughness.
  • the invention described here is not by the

Landscapes

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) angegeben, der eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer Oberseite (2) und einer der Oberseite (2) gegenüberliegenden Unterseite (3) aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge (1) weist eine aktive Schicht (12) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung auf. Auf der Oberseite (2) der Halbleiterschichtenfolge (1) ist eine Mehrzahl von Kontaktelementen (20) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet. Der Halbleiterchip (100) ist dabei als Dünnfilmhalbleiterchip ausgeführt. Die Unterseite (3) der Halbleiterschichtenfolge (1) bildet eine Strahlungsauskoppelfläche, durch die hindurch die in der Halbleiterschichtenfolge (1) erzeugte Strahlung ausgekoppelt wird. Die Kontaktelemente (20) auf der Oberseite (2) der Halbleiterschichtenfolge (1) sind einzeln und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar. Die Halbleiterschichtenfolge (1) weist eine Dicke von höchstens 3 μm auf.

Description

Beschreibung
Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur
Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterchip mit einer Mehrzahl von Strahlungsemittierenden Pixeln
anzugeben, der ein hohes Kontrastverhältnis zwischen
benachbarten Pixeln liefert. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterchips anzugeben, welches besonders einfach und kostengünstig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
optoelektronische Halbleiterchip eine
Halbleiterschichtenfolge mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein
Nitridverbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_mGamN, oder um ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_ mGamP, oder auch um ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_mGamAs, wobei jeweils 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und n + m < 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge
Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst zumindest eine aktive Schicht, die zur Erzeugung einer elektromagnetischen
Strahlung eingerichtet ist. Die aktive Schicht beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur . Eine von der aktiven Schicht im Betrieb erzeugte Strahlung liegt insbesondere im
Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 800 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf die Oberseite der Halbleiterschichtenfolge eine Mehrzahl von
Kontaktelementen aufgebracht. Die Kontaktelemente weisen beispielsweise ein Metall, wie Aluminium oder Silber oder Gold, auf oder sind aus einem solchen gebildet. Über die Kontaktelemente wird die Halbleiterschichtenfolge für den vorgesehenen Betrieb elektrisch kontaktiert. Die
Kontaktelemente können in Draufsicht auf die Oberseite der Halbleiterschichtenfolge beispielsweise rund, quadratisch rechteckig oder hexagonal ausgebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der
optoelektronische Halbleiterchip als Dünnfilmhalbleiterchip ausgeführt. Insbesondere ist der Halbleiterchip also frei von einem Aufwachssubstrat , auf den die Halbleiterschichtenfolge gewachsen wurde. Dafür weist der Halbleiterchip zum Beispiel einen vom Aufwachssubstrat unterschiedlichen Träger auf, auf den die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht ist, und der die Halbleiterschichtenfolge mechanisch stabilisiert. Durch den Träger wird der Halbleiterchip beispielsweise selbsttragend. Der Träger kann weitergehend ein metallisches oder ein keramisches Material aufweisen oder aus einem solchen
bestehen. Ferner ist es möglich, dass der Träger aus einem Glasmaterial oder einem Plastikmaterial gefertigt ist oder zumindest eines dieser Materialien aufweist. Der Träger kann auch ein Halbleitermaterial, wie Silizium oder Germanium, aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispielsweise enthält der Träger elektrische Schaltungen, und/oder ist als
Leiterplatte ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Unterseite der Halbleiterschichtenfolge als Strahlungsauskoppelfläche ausgebildet. Das heißt, dass Strahlung, die in der aktiven Schicht der Halbleiterschichtenfolge erzeugt wird, teilweise oder vollständig durch die Unterseite hindurch aus der
Halbleiterschichtenfolge ausgekoppelt wird.
Bevorzugt ist auf der Unterseite der Halbleiterschichtenfolge kein den Halbleiterchip stabilisierender Träger aufgebracht. Der den Halbleiterchip stabilisierende Träger ist also bevorzugt auf der Oberseite der Hableiterschichtenfolge angeordnet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die auf der
Oberseite der Halbleiterschichtenfolge angebrachten
Kontaktelemente einzeln und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar. Das heißt, zumindest einige, bevorzugt alle Kontaktelemente sind einzeln und unabhängig von den anderen Kontaktelementen mit elektrischer Spannung beaufschlagbar.
Wird ein Kontaktelement elektrisch angesteuert, so emittiert die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge bevorzugt nur in einem Bereich in unmittelbarer Nähe zum Kontaktelement elektromagnetische Strahlung. Dieser Bereich wird hier und im Folgenden als aktiver Bereich bezeichnet. Jedem aktiven
Bereich kann also bevorzugt ein Kontaktelement eindeutig zugeordnet werden und umgekehrt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Kontaktelemente eine laterale Ausdehnung parallel zur Erstreckungsrichtung der Oberseite von höchstens 50 ym, bevorzugt höchstens 15 ym, besonders bevorzugt höchstens 5 ym auf. Weitergehend kann der Abstand zweier benachbarter Kontaktelemente, zumindest für einen Teil der Kontaktelemente, höchstens 20 ym, bevorzugt höchstens 10 ym, besonders bevorzugt höchstens 5 ym betragen.
In Draufsicht auf die Strahlungsauskoppelfläche ist die laterale Ausdehnung eines aktiven Bereichs, das heißt die Ausdehnung parallel zur Strahlungsauskoppelfläche,
beispielsweise ähnlich groß wie die laterale Ausdehnung des zugehörigen Kontaktelements. Insbesondere kann aufgrund der lateral stromaufweitenden Wirkung der
Halbleiterschichtenfolge der aktive Bereich eine größere laterale Ausdehnung, zum Beispiel eine um höchstens 3 ym, bevorzugt um höchstens 2 ym, besonders bevorzugt um höchstens 1 ym größere laterale Ausdehnung, als das zugehörige
Kontaktelement aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine Dicke von höchstens 3 ym, bevorzugt höchstens 2 ym, besonders bevorzugt höchstens 1,5 ym auf. Unter der Dicke der Halbleiterschichtenfolge kann hier und im Folgenden die maximale, bevorzugt die mittlere Dicke der Halbleiterschichtenfolge verstanden werden. Die Dicke kann dabei als der Abstand zwischen der Oberseite und der Unterseite der Halbleiterschichtenfolge definiert sein. In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst dieser eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Oberseite und einer der Oberseite
gegenüberliegenden Unterseite. Die Halbleiterschichtenfolge weist dabei eine aktive Schicht zur Erzeugung
elektromagnetischer Strahlung auf. Auf der Oberseite der Halbleiterschichtenfolge ist eine Mehrzahl von
Kontaktelementen zur elektrischen Kontaktierung der
Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Der Halbleiterchip ist dabei als Dünnfilmhalbleiterchip ausgeführt. Die Unterseite der Halbleiterschichtenfolge bildet eine
Strahlungsauskoppelfläche, durch die hindurch die in der Halbleiterschichtenfolge erzeugte Strahlung ausgekoppelt wird. Die Kontaktelemente auf der Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge sind einzeln und unabhängig
voneinander elektrisch ansteuerbar. Die
Halbleiterschichtenfolge weist dabei eine Dicke von höchstens 3 ym auf. Der hier beschriebenen Erfindung liegt dabei unter anderem die Idee zugrunde, einen besonders einfachen Halbleiterchip mit einer Mehrzahl von Strahlungsemittierenden Pixeln
anzugeben. Dazu wird eine Mehrzahl einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbarer Kontaktelemente mit jeweils
lateralen Ausdehnungen von beispielsweise wenigen Mikrometern auf eine gemeinsame Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Im Betrieb erzeugt die aktive Schicht der
Halbleiterschichtenfolge bevorzugt nur im aktiven Bereich in unmittelbarer Nähe zum Kontaktelement elektromagnetische Strahlung. Auf diese Weise kann jedem Kontaktelement ein
Strahlung emittierender aktiver Bereich der aktiven Schicht eindeutig zugeordnet werden. Jeder dieser zu einem
Kontaktelement gehörenden aktiven Bereiche erscheint im Betrieb für einen externen Beobachter als ein leuchtendes Pixel .
Um ein vorteilhaftes Kontrastverhältnis zwischen benachbarten Pixeln zu erzielen, wird die Halbleiterschichtenfolge
bevorzugt besonders dünn ausgeführt. Dadurch kommt es für die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung zu weniger Streu- und Reflexionsprozessen innerhalb der
Halbleiterschichtenfolge. Der zu einem Kontaktelement zugeordnete aktive Bereich weist dadurch vorteilhafterweise eine um höchstens wenige Mikrometer größere laterale
Ausdehnung auf als das zugehörige Kontaktelement selbst. Auf diese Weise wird es auch ermöglicht, die Pixelform und -große durch die Form und Größe der Kontaktelemente vorzugeben.
Vorteilhafterweise verzichtet die oben beschriebene Erfindung auf Pixel, die mit Hilfe von Mesagräben in der
Halbleiterschichtenfolge voneinander getrennt sind. Das Einbringen solcher Mesagräben und das eventuelle Verfüllen dieser Mesagräben mit einem reflektierenden Material wie
Silber erfordert einen vergleichsweise hohen Aufwand. Da bei der oben genannten Erfindung eine besonders dünne
Halbleiterschichtenfolge verwendet wird, wird das
erforderliche Kontrastverhältnis zwischen benachbarten Pixeln aber auch ohne solche Mesagräben erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterschichtenfolge eine Aufrauhung mit einer Rauheit auf. Die Rauheit ist kleiner oder gleich 200 nm, bevorzugt kleiner oder gleich 100 nm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm. Insbesondere ist die Strahlungsauskoppelfläche bis auf diese Aufrauhung glatt. Die Rauheit fällt also bevorzugt sehr klein aus, besonders bevorzugt ist die Strahlungsauskoppelfläche glatt.
Unter einer Aufrauhung werden hier und im Folgenden
Strukturen auf einer Oberfläche verstanden, durch die die
Oberfläche ein Profil oder eine Rauheit bekommt. Die Rauheit ist dabei ein Maß für die durch die Strukturen erzeugte
Variation der Oberflächenhöhe der entsprechenden Oberfläche. Zur Aufrauhung werden zum Beispiel nur Strukturen gezählt, die eine kleine Variation in der Oberflächenhöhe erzeugen.
Eine „kleine Variation" ist zum Beispiel eine Variation, die im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Kontaktelemente klein, beispielsweise höchstens 1/10 oder 1/20 oder ein 1/100 so groß wie die laterale Ausdehnung der Kontaktelemente, ist. Dadurch lässt sich die Rauheit einer Oberfläche, die oft unbeabsichtigt und schwer kontrollierbar ist, von
beabsichtigt eingebrachten Strukturen, wie Mesagräben oder Mesalöchern unterscheiden. Die Rauheit kann dabei die mittlere Rauheit sein, das heißt die Rauheit gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zu einer Mitteloberfläche an. Die
Mitteloberfläche schneidet innerhalb eines Messbereichs das wirkliche Profil der Oberfläche so, dass die Summe der gemessenen Profilabweichungen, bezogen auf die
Mitteloberfläche, minimal wird. Alternativ kann die Rauheit aber auch die quadratische Rauheit, also die mittlere
quadratische Profilabweichung von der Mitteloberfläche, oder die maximale Rauheit, also die maximal gemessenen
Profilabweichung von der Mitteloberfläche, sein.
Gewöhnlich wird bei Halbleiterchips die
Strahlungsauskoppelfläche bewusst mit einer Strukturierung oder einer Aufrauhung versehen, an der die in der Halbleiterschichtenfolge erzeugte Strahlung gestreut wird. Dies erhöht die Auskopplungseffizienz der aus der
Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird versucht, die Rauheit der Aufrauhung gezielt klein zu halten, was die Streuung der erzeugten Strahlung an der Strahlungsauskoppelfläche
verringert. Vorteilhafterweise wird somit erreicht, dass jedes lichtemittierende Pixel für einen externen Beobachter tatsächlich nur in etwa so groß erscheint wie das zugehörige Kontaktelement beziehungsweise der zugehörige aktive Bereich. Eine Ausschmierung des Pixels beziehungsweise ein Überlapp benachbarter Pixel wird durch die geringe Streuung an der Strahlungsauskoppelfläche verringert, was wiederum das
Kontrastverhältnis zwischen benachbarten Pixeln erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge entlang der gesamten lateralen
Ausdehnung des Halbleiterchips zusammenhängend und frei von Ausnehmungen ausgebildet. Insbesondere sind also keine
Strukturen, wie Gräben oder Löcher, auf die Oberseite
und/oder die Unterseite der Halbleiterschichtenfolge
eingebracht beziehungsweise beabsichtigt eingebracht.
Beispielsweise ist die Oberseite und/oder die Unterseite bis auf die oben erwähnte Aufrauhung glatt. Die
Halbleiterschichtenfolge bildet dann zum Beispiel eine zusammenhängende Schicht ohne Unterbrechungen. Die Dicke der Halbleiterschichtenfolge kann dann zum Beispiel konstant sein, zum Beispiel mit maximalen Dickenschwankungen um den Mittelwert der Dicke von höchstens 10 % oder 5 % oder 1% oder 0,1 %. Bevorzugt ist die aktive Schicht entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips zusammenhängend und ohne Unterbrechungen ausgebildet. Bei der Halbleiterschichtenfolge dieser Ausführungsform kann insbesondere auf Mesagräben oder Mesalöcher zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen beziehungsweise zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen verzichtet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind beabsichtigt
Gräben, zum Beispiel Mesagräben, in die
Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Die Gräben erstrecken sich zum Beispiel von der Oberseite in Richtung Unterseite. Bevorzugt sind die Gräben lateral neben, insbesondere
zwischen den Kontaktelementen angeordnet. Zum Beispiel ist in Draufsicht auf die Oberseite jedes Kontaktelement von einem Graben teilweise oder vollständig umgeben. Der Graben kann zusammenhängend und unterbrechungsfrei um das entsprechende Kontaktelement verlaufen. Bevorzugt bilden die Gräben in Draufsicht einzelne geschlossenen oder teilweise offene
Maschen, wobei jedes Kontaktelement von einer eineindeutig zugeordneten Masche umgeben ist. Möglich ist insbesondere, dass alle Gräben zusammenhängen, sodass ein Netz aus Gräben um die Kontaktelemente gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform durchdringen die Gräben die aktive Schicht und weisen Bodenflächen in dem Bereich der Halbleiterschichtenfolge auf, der zwischen der aktiven
Schicht und der Unterseite liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Kontaktelemente auf der Oberseite der
Halbleiterschichtenfolge matrixartig angeordnet. Dies kann bedeuten, dass die Kontaktelemente in einem regelmäßigen
Muster, zum Beispiel in Form eines Gitters, das weitergehend als quadratisches, rechteckiges oder hexagonales Gitter ausgeführt sein kann, auf der Oberseite angeordnet sind. Durch eine solche matrixartige, insbesondere gitterartige Anordnung können die einzelnen Kontaktelemente zum Beispiel Pixel eines Displays darstellen, sodass der Halbleiterchip ein Mikrodisplay bildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Bereich lateral neben den Kontaktelementen ein Vergussmaterial eingebracht, welches Zwischenräume zwischen den Kontaktelementen teilweise oder vollständig auffüllt. Das Vergussmaterial kann zum
Beispiel mit den Kontaktelementen in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge bündig abschließen. Das
Vergussmaterial und die Kontaktelemente bilden dann zum
Beispiel eine ebene und plane Fläche an einer der
Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite. Das
Vergussmaterial hat zum Beispiel eine Reflektivität für die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung von zumindest 80 %, wobei es sich bei der Reflektivität um eine mittlere, über das von dem Halbleiterchip emittierte
Wellenlängenspektrum gemittelte Reflektivität handeln kann. Alternativ kann die Reflektivität auch bei einer Wellenlänge angegeben sein, bei der ein Intensitätsmaximum der von dem Halbleiterchip emittierten Strahlung auftritt. Zum Beispiel ist das Vergussmaterial ein mit reflektierenden Partikel, wie 1O2, gefülltes Basismaterial, wie Silikon oder Harz oder Kunststoff.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf eine Mehrzahl der Kontaktelemente auf der Oberseite
derHalbleiterschichtenfolge, insbesondere auf alle
Kontaktelemente, ein gemeinsames Aktivmatrixelement
aufgebracht. Das Aktivmatrixelement dient zur selektiven elektrischen Ansteuerung der einzelnen Kontaktelemente. Bei dem Aktivmatrixelement handelt es sich zum Beispiel um eine Mehrzahl von Transistoren, etwa Dünnschichttransistoren, die die gleiche, vorzugsweise matrixartige Anordnung wie die Kontaktelemente aufweisen. Die Transistoren können
beispielsweise auf einem Substrat, zum Beispiel einem
Glassubstrat oder Halbleitersubstrat, oder auf einer
Leiterplatte aufgebracht sein. Dabei ist zum Beispiel jedem Transistor ein Kontaktelement und somit ein Pixel der
Halbleiterschichtenfolge eindeutig zugeordnet. Ferner sind jedem Pixel der Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel eineindeutig Stromversorgungsanschlüsse auf dem
Aktivmatrixelement zugeordnet.
Mit einem solchen Aktivmatrixelement kann der Halbleiterchip zum Beispiel als Mikrodisplay verwendet werden, wobei das Aktivmatrixelement dafür sorgt, dass jedes Kontaktelemente oder Pixel des Mikrodisplays einzeln ansteuerbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Kontaktelemente ein spiegelndes Material auf oder sind aus einem solchen gebildet. Bei dem spiegelnden Material kann es sich beispielsweise um Silber, Aluminium oder Gold oder um eine Metalllegierung hieraus handeln. Durch spiegelnde
Kontaktelemente wird die Lichtauskoppeleffizienz des
Halbleiterchips erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der
Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterschichtenfolge ein weiteres Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge angebracht. Die
Halbleiterschichtenfolge ist in diesem Fall also zwischen den Kontaktelementen und dem weiteren Kontaktelement angeordnet und wird über die Kontaktelemente und das weitere
Kontaktelement bestromt. Das weitere Kontaktelement weist bevorzugt ein elektrisch leitfähiges transparentes Material, zum Beispiel ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder Fluor-Zinn-Oxid oder
Aluminium-Zink-Oxid, auf oder ist daraus gebildet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das weitere Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung ein
Metallgitter aufweist. Das weitere Kontaktelement kann dabei die Strahlungsauskoppelfläche teilweise oder vollständig bedecken .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft das weitere Kontaktelement durchgehend, zusammenhängend und
unterbrechungsfrei auf der Strahlungsauskoppelfläche.
Bevorzugt überdeckt das weitere Kontaktelement in Draufsicht auf die Strahlungsauskoppelfläche mehrere, insbesondere alle Kontaktelemente teilweise oder vollständig. Die Dicke des weiteren Kontaktelements, gemessen quer zur
Strahlungsauskoppelfläche, beträgt zum Beispiel zumindest 50 nm oder 100 nm oder 300 nm. Alternativ oder zusätzlich ist die Dicke höchstens 5 ym oder 1 ym oder 500 nm. Bevorzugt bildet das weiter Kontaktelement dabei keine stabilisierende Komponente im Halbleiterchip. Das weitere Kontaktelement ist insbesondere mechanisch nicht selbstragend. Besonders bevorzugt ist auf die der Strahlungsauskoppelfläche
abgewandte Seite des weiteren Kontaktelements keine weitere Schicht, insbesondere kein Träger, aufgebracht.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit besteht darin, dass das weitere Kontaktelement am Rand des Halbleiterchips angeordnet ist. Insbesondere befindet sich das weitere
Kontaktelement dann in direktem Kontakt mit einer
hochdotierten Schicht der Halbleiterschichtenfolge, wobei die hochdotierte Schicht der Halbleiterschichtenfolge als
Stromaufweitungsschicht dient, die den durch das weitere Kontaktelement eingespeisten Strom über die gesamte laterale Ausdehnung des Halbleiterchips verteilt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das weitere
Kontaktelement in den Gräben der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Auch innerhalb der Gräben kann das weitere
Kontaktelement durchgehend, zusammenhängend und
unterbrechungsfrei verlaufen. Zum Beispiel bildet das weitere Kontaktelement die Maschenstruktur oder Gitterstruktur der Gräben nach. Das weitere Kontaktelement kann dann
insbesondere im Bereich der Bodenflächen der Gräben mit der Halbleiterschichtenfolge in direktem elektrischem Kontakt sein. Auf diese Weise kann die gesamte Bestromung des
Halbleiterchips von einer der Strahlungsauskoppelfläche abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge erfolgen. In diesem Fall ist insbesondere denkbar, dass das weitere
Kontaktelement ein Metall, wie Ag oder AI, aufweist oder daraus besteht. Die Strahlungsauskoppelfläche ist dann zum Beispiel frei von Kontaktelementen. Insbesondere kann die Strahlungsauskoppelfläche entlang des gesamten
Halbleiterchips frei liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf die der
Halbleiterschichtenfolge abgewandte Seite der Kontaktelemente jeweils eine leitfähige Schutzschicht, beispielsweise aus Zinkoxid oder Titan, ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Kontaktelemente Seitenflächen auf, die quer zur Oberseite der Halbleiterschichtenfolge verlaufen. Auf die Seitenflächen der Kontaktelemente sind bevorzugt Isolationsschichten, zum
Beispiel aus Siliziumoxid, wie S1O2, oder aus Siliziumnitrid, wie SiN, oder aus Aluminiumoxid, wie AI2O3, aufgebracht. Die leitfähige Schutzschicht und die Isolationsschichten schützen die Kontaktelemente zum Beispiel vor äußeren Einflüssen, wie Feuchtigkeitseintritt oder Oxidation. Dazu sind die leitfähige Schutzschicht und/oder die
Isolationsschichten bevorzugt formschlüssig auf die freiliegenden, also auf die nicht von der
Halbleiterschichtenfolge bedeckten Außenflächen der
Kontaktelemente aufgebracht. Zusammen mit der
Halbleiterschichtenfolge verkapseln die leitfähige
Schutzschicht und die Isolationsschichten also die
Kontaktelemente vollständig.
Statt der Isolationsschicht oder zusätzlich dazu ist auch eine zum Schutz dienende leitfähige Schicht auf den
Seitenflächen der Kontaktelemente denkbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine an die Strahlungsauskoppelfläche grenzende Halbleiterschicht Defekte, zum Beispiel Gitterversetzungen, auf. Die Defekte entstehen beispielsweise beim Aufwachsen der
Halbleiterschichtenfolge auf einem Aufwachssubstrat .
Bevorzugt beträgt die Defektdichte in der an die
Strahlungsauskoppelfläche grenzenden Halbleiterschicht höchstens 5-10^ cm"^ bevorzugt höchstens 3-10^ cm"^ besonders bevorzugt höchstens 2-10^ cm~2.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips angegeben. Das Verfahren eignet sich beispielsweise zur Herstellung eines Halbleiterchips gemäß den oben angegebenen
Ausführungsformen. Merkmale des Halbleiterchips sind daher auch für das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips einen Schritt a) , in dem ein Aufwachssubstrat bereitgestellt wird. Bei dem Aufwachssubstrat kann es sich beispielsweise um ein zum Aufwachsen einer III-V-Halbleiterschichtenfolge geeignetes Substrat, wie ein Saphirsubstrat, handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt b) des Verfahrens eine Halbleiterschichtenfolge,
beispielsweise basierend auf GaN oder GaP oder GaAs, auf das Aufwachssubstrat aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge weist dabei zumindest eine aktive Schicht auf, die im
vorgesehenen Betrieb zur Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung dient.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt c) eine Mehrzahl von einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbaren Kontaktelementen auf die dem Aufwachssubstrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt d) ein Träger auf die dem Aufwachssubstrat abgewandten Seiten der Kontaktelemente aufgebracht. Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um einen metallischen Träger oder einen keramischen Träger oder einen Halbleiterträger oder eine Leiterplatte oder ein Aktivmatrixelement. Der Träger kann insbesondere für eine mechanische Stabilisierung des fertigen Halbleiterchips dienen, sodass der fertige Halbleiterchip selbsttragend ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt e) das Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge abgelöst. Das Ablösen kann beispielsweise mittels eines Laserliftoffprozesses erfolgen. Bei dem Ablösen des
Aufwachssubstrats können insbesondere auf der dem
Aufwachssubstrat zugewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge Strukturen entstehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem weiteren Schritt f) die Halbleiterschichtenfolge abgetragen, bis die maximale oder mittlere Dicke der Halbleiterschichtenfolge höchstens 3 ym, bevorzugt höchstens 2 ym, besonders bevorzugt höchstens 1 ym ist. Das Abtragen der Halbleiterschichtenfolge geschieht dabei bevorzugt von der der ursprünglich dem
Aufwachssubstrat zugewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge. Das Abtragen der
Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise mittels eines nasschemischen Prozesses, zum Beispiel durch das Ätzen mittels KOH oder H3PO4, oder durch einen trockenchemischen Ätzprozess, zum Beispiel mit Chlorgas oder Argon, erfolgen. Durch die Ätzprozesse kann die Seite der
Halbleiterschichtenfolge, über die geätzt wurde, insbesondere mit Strukturen versehen werden. Diese Strukturen können im Folgenden beispielsweise als Auskoppelstrukturen für das von der Halbleiterschichtenfolge erzeugte Licht dienen. Solche Auskoppelstrukturen erzeugen auf der
Strahlungsauskoppelfläche eine Rauheit von zum Beispiel wenigstens 500 nm, bevorzugt wenigstens 700 nm, besonders bevorzugt wenigstens 1 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem
teilweisen Abtragen der Halbleiterschichtenfolge aus der dem Träger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge durch Polieren eine Strahlungsauskoppelfläche gebildet. Bei dem Polieren werden bevorzugt die durch das Abtrageverfahren des Schrittes f) erzeugten Strukturen auf der
Strahlungsauskoppelfläche abgetragen. Nach dem Polieren bleibt eine Aufrauhung auf der Strahlungsauskoppelfläche zurück, die eine Rauheit von höchstens 200 nm, bevorzugt höchstens 100 nm, besonders bevorzugt höchstens 50 nm
aufweist . Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt b) des Verfahrens zunächst eine Bufferschichtenfolge auf das
Aufwachssubstrat aufgebracht. Auf die Bufferschichtenfolge wird anschließend die aktive Schicht aufgebracht. Die aktive Schicht kann dabei direkt auf die Bufferschichtenfolge aufgebracht werden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass vor dem Aufbringen der aktiven Schicht weitere
Halbleiterschichten, zum Beispiel dotierte
Halbleiterschichten zur Stromführung, aufgewachsen werden. Die Bufferschichtenfolge weist zum Beispiel den gleichen Verbindungshalbleitertyp wie die Halbleiterschichtenfolge auf. Insbesondere kann die Bufferschichtenfolge mehrere
Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, zum Beispiel unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen aufweisen. Die Bufferschichtenfolge dient dabei zur Defektreduktion beim Aufwachsen und gleicht unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats und der
Halbleiterschichtenfolge aus. Dadurch wird die Defektdichte in der Halbleiterschichtenfolge reduziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt f) die Bufferschichtenfolge der Halbleiterschichtenfolge teilweise oder vollständig entfernt. Die Bufferschichtenfolge ist im Allgemeinen nur für den Aufwachsprozess der
Halbleiterschichtenfolge von Bedeutung. Nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats weist die Bufferschichtenfolge keine unverzichtbare Funktionalität mehr auf und kann daher zur Reduzierung der Dicke der Halbleiterschichtenfolge teilweise oder vollständig entfernt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die
Halbleiterschichtenfolge im Schritt b) nicht über eine metallorganische Gasphasenepitaxie, kurz MOVPE, auf das
Aufwachssubstrat abgeschieden, sondern mittels eines
Sputterprozesses . Mit Sputterprozessen können auch dünne Epitaxieschichten mit einer geringen Defektdichte hergestellt werden. Auf die Bufferschichtenfolge, die für die
metallorganische Gasphasenepitaxie benötigt wird, kann dann verzichtet werden. Folglich muss zur Erreichung einer dünnen Halbleiterschichtenfolge dann auch keine Bufferschichtenfolge in einem weiteren Schritt abgetragen werden. Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 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:
Figuren 1A bis IC schematische Seitenansichten von
Ausführungsbeispielen eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips ,
Figuren 1D und IE schematische Draufsichten auf
Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips ,
Figuren 2A bis 2F schematische Seitenansichten von
Ausführungsbeispielen zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips , Figuren 3A bis 3D Draufsichten auf verschiedene
Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen
Halbleiterchips ,
Figuren 4 und 5 Tabellen von Kontrastverhältnissen für
simulierte Halbleiterchips.
In Figur 1A ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips 100 gezeigt. Der Halbleiterchip 100 weist dabei eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer Oberseite 2 und einer gegenüberliegenden
Unterseite 3 auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge 1 beispielsweise auf GaN basiert. Die Halbleiterschichtenfolge 1 umfasst zum Beispiel eine p-dotierte Schicht 11, eine n- dotierte Schicht 13 und eine zwischen der p-dotierten Schicht 11 und der n-dotierten Schicht 13 angeordnete aktive Schicht 12, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung
vorgesehen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 1 wie auch die aktive Schicht 12 sind entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips 100, parallel zur Unterseite 3, zusammenhängend, durchgehend und unterbrechungsfrei ausgebildet . Auf der Oberseite 2 der Halbleiterschichtenfolge 1 ist eine Mehrzahl von Kontaktelementen 20 angeordnet. Die
Kontaktelemente 20 sind beispielsweise aus Silber gebildet und sind bevorzugt einzeln und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1A ist das linke der beiden Kontaktelemente 20 bestromt während durch das rechte
Kontaktelement 20 kein elektrischer Strom fließt. Durch den durch das linke Kontaktelement 20 fließenden Strom emittiert die aktive Schicht 12 in unmittelbarer Nähe zum linken
Kontaktelement 20 elektromagnetische Strahlung innerhalb eines aktiven Bereichs 14. Der aktive Bereich 14 hat zum Beispiel eine um höchstens 1 ym größere laterale Ausdehnung als das zugehörige Kontaktelement 20. Der aktive Bereich 14 bildet bei Draufsicht auf die Unterseite 3 für einen externen Beobachter ein leuchtendes Pixel, das eine ähnliche laterale Ausdehnung und eine ähnliche Form wie das bestromte
Kontaktelement 20 aufweist. Durch die Mehrzahl der auf der Oberseite 2 angeordneten Kontaktelemente 20, die unabhängig voneinander bestromt werden können, ist zum Beispiel ein pixeliertes Mikrodisplay realisiert.
Im vorliegenden Beispiel weisen die Kontaktelemente eine laterale Ausdehnung parallel zur Oberseite 2 der
Halbleiterschichtenfolge 1 von beispielsweise 10 ym auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen beträgt beispielsweise ebenfalls 10 ym. Die Dicke der
Halbleiterschichtenfolge 1 beträgt zum Beispiel 2 ym. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1A wird die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung über die Unterseite 3, die als Strahlungsauskoppelfläche 3 ausgebildet ist, aus der
Halbleiterschichtenfolge 1 ausgekoppelt. Die
Strahlungsauskoppelfläche 3 weist dabei eine Aufrauhung mit einer Rauheit auf, die wesentlich kleiner als die lateralen Ausdehnungen der Kontaktelemente 20 ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Rauheit beispielsweise höchstens 100 nm. Die Aufrauhung ist also so klein, dass die
Strahlungsauskoppelfläche 3 glatt erscheint.
Zur elektrischen Kontaktierung ist auf die
Strahlungsauskoppelfläche 3 außerdem ein weiteres
Kontaktelement 30 aufgebracht, wobei die
Halbleiterschichtenfolge 1 mittels des weiteren
Kontaktelements 30 und der Kontaktelemente 20 bestromt wird.
Das weitere Kontaktelement 30 bedeckt die gesamte
Strahlungsauskoppelfläche 3 der Halbleiterschichtenfolge 1.
Damit über die Strahlungsauskoppelfläche 3 dennoch
elektromagnetische Strahlung emittiert werden kann, ist das weitere Kontaktelement 30 beispielsweise aus einem
transparenten leitfähigen Oxid, wie Indiumzinnoxid (ITO), gebildet . In Figur 1A ist auf die der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Seiten der Kontaktelemente 20 eine elektrisch leitfähige Schicht 21 aufgebracht, die beispielsweise Titan aufweist. Des Weiteren weisen die Kontaktelemente 20
Seitenflächen 22 auf, die quer zur Oberseite 2 der
Halbleiterschichtenfolge 1 verlaufen. Auf die Seitenflächen 22 der Kontaktelemente 20 sind Isolationsschichten 23, beispielsweise aus Siliziumoxid, aufgebracht. Die Isolationsschichten 23 bedecken dabei ebenfalls Seitenflächen der elektrisch leitfähigen Schicht 21.
Die elektrisch leitfähige Schicht 21 und die
Isolationsschicht 23 sind in Figur 1A formschlüssig auf
Außenflächen der Kontaktelemente 20 aufgebracht, sodass die elektrisch leitfähigen Schichten 21 und die
Isolationsschichten 23 die Kontaktelemente 20 verkapseln. Dadurch werden die Kontaktelemente 20 beispielsweise vor dem Eintritt von Feuchtigkeit und vor Oxidation geschützt.
Auf die Mehrzahl von Kontaktelementen 20 ist in Figur 1A ein Träger 5, zum Beispiel ein Aktivmatrixelement 40 aufgebracht, mit dem die einzelnen Kontaktelemente 20 unabhängig von den anderen Kontaktelementen 20 elektrisch angesteuert werden können. Dazu weist das Aktivmatrixelement 40 beispielsweise eine Mehrzahl von Transistoren und
Stromversorgungsanschlüssen auf. Das Aktivmatrixelement 40 ist vorzugsweise über ein Lotmaterial 24 elektrisch leitend mit den Kontaktelementen 20 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1B ist ein ähnliches
Ausführungsbeispiel wie in Figur 1A gezeigt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Falle der Figur 1A die Dicke der Halbleiterschichtenfolge 1 nährungsweise konstant ist und keine beabsichtigt eingebrachten Ausnehmungen, wie Mesagräben, an der Oberseite 2 aufweist.
In Figur 1B dagegen sind beabsichtigt Gräben 7 zwischen jeweils zwei benachbarten Kontaktelementen 20 eingebracht.
Die Tiefe der Gräben 7 ist so gewählt, dass die Gräben 7 die aktive Schicht 12 durchdringen und mit Bodenflächen in der n- dotierte Schicht 13 enden. Die Breite der Gräben 7 ist so gewählt, dass die Gräben 7 sich ausgehend von einem
Kontaktelemente 20 bis hin zum nächsten, benachbarten
Kontaktelement 20 erstrecken. Die Bereiche zwischen den
Kontaktelementen 20, insbesondere die Gräben 7, können optional mit einem Vergussmaterial, wie einem weißen
Kunststoff, aufgefüllt sein.
Im Ausführungsbeispiel der Figur IC ist im Unterschied zu Figur 1B das weitere Kontaktelement 30 nicht auf der
Strahlungsauskoppelfläche 3 angebracht, sondern im Bereich von Bodenflächen der Gräben 7. In diesen Bereichen steht das weitere Kontaktelement 30 zum Beispiel in direktem
elektrischem Kontakt mit der n-dotierten Schicht 13. Bei dem Halbleiterchip 100 der Figur IC wird die gesamte
Halbleiterschichtenfolge 1 also von einer der
Strahlungsauskoppelfläche 3 abgewandten Seite bestromt oder kontaktiert. Die Strahlungsauskoppelfläche 3 liegt entlang der gesamten lateralen Ausdehnung des Halbleiterchips 100 frei .
Figur 1D zeigt ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterchips 100 in Draufsicht auf die Oberseite 2. Die Kontaktelemente 20 sind matrixartig, das heißt insbesondere regelmäßig, auf Gitterpunkten eines
Rechteckgitters angeordnet. Die Kontaktelemente 20 selbst weisen ebenfalls jeweils eine rechteckige Grundform auf. Die Bereiche zwischen den Kontaktelementen 20 können zum Beispiel durch Gräben 7 gebildet sein, die ein Gitternetz um die
Kontaktelemente 20 bilden, wobei jedes Kontaktelement 20 eineindeutig einer Masche des Gitternetzes zugeordnet ist.
Die Gräben 7 sind untereinander zusammenhängend ausgebildet. Beispielsweise ist das weitere Kontaktelement 30 innerhalb der Gräben 7 angeordnet. Das weitere Kontaktelement 30 kann das Gitternetzt der Gräben 7 nachformen, also insbesondere zusammenhängend und unterbrechungsfrei innerhalb der Gräben 7 verlaufen. Es ist das weitere Kontaktelement 30 in Figur 1D zum Beispiel einstückig ausgebildet.
In Figur IE ist wiederum eine Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines Halbleiterchips 100 gezeigt. Anders als in Figur 1D weisen die Kontaktelemente 20 nun sechseckige Grundformen auf. Die Kontaktelemente 20 sind matrixartig auf Gitterpunkten eines Honigwabengitters angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2A ist ein Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterchips 100
angegeben. Dazu wird auf einem Aufwachssubstrat 4, was vorliegend zum Beispiel aus Saphir gebildet ist, eine
Bufferschichtenfolge 6 aufgewachsen. Die Bufferschichtenfolge 6 basiert beispielsweise auf GaN. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die
unterschiedlichen Kristalleigenschaften von GaN und Saphir entstehen an der Kontaktfläche zwischen Bufferschichtenfolge 6 und Aufwachssubstrat 4 Defekte innerhalb der
Bufferschichtenfolge 6, zum Beispiel in Form von
Gitterversetzungen. Die Defektdichte nimmt dabei mit
zunehmender Entfernung vom Aufwachssubstrat 4 ab.
Auf eine dem Aufwachssubstrat 4 abgewandte Seite der
Bufferschichtenfolge 6 wird außerdem eine n-dotierte
Halbleiterschicht 13 aufgebracht. Auf die n-dotierte Schicht 13 wird eine p-dotierte Schicht 11 aufgebracht. Zwischen der p-dotierten Schicht 11 und der n-dotierten Schicht 13 wird eine aktive zur Strahlungserzeugung vorgesehene Schicht 12 gebildet. Die Bufferschichtenfolge 6, die n-dotierte Schicht 13, die aktive Schicht 12 und die p-dotierte Schicht 11 bilden zusammen eine Halbleiterschichtenfolge 1.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2B ist ein Verfahrensschritt gezeigt, bei dem auf eine dem Aufwachssubstrat 4 abgewandte Oberseite 2 der Halbleiterschichtenfolge 1 Kontaktelemente 20 aufgebracht werden. Die Kontaktelemente 20 sind
beispielsweise aus Silber gebildet. Auf die der
Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandten Seiten der
Kontaktelemente 20 wird in Figur 2B außerdem eine elektrisch leitfähige Schicht 21, zum Beispiel aus Titan, aufgebracht.
Zur Herstellung der Kontaktelemente 20 mit den darauf
aufgebrachten leitfähigen Schichten 21 wird zum Beispiel eine erste metallische Schicht ganzflächig auf die Oberseite 2 der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht. Auf die metallische Schicht wird dann die elektrisch leitfähige Schicht 21 aufgebracht. Durch ein strukturiertes Ätzverfahren mit Hilfe einer Maske können dann die einzelnen Kontaktelemente 20 mit den elektrisch leitfähigen Schichten 21 hergestellt werden.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2C ist ein Verfahrensschritt gezeigt, bei dem auf Seitenflächen 22 der Kontaktelemente 20 eine Isolationsschicht 23, zum Beispiel aus Siliziumoxid, aufgebracht wird.
Im Verfahrensschritt der Figur 2D wird auf die der
Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandte Seite der
Kontaktelemente 20 ein Träger 5, zum Beispiel in Form eines Aktivmatrixelements 40, mit Hilfe eines Lotmaterials 24 angeordnet. Das Aktivmatrixelement 40 überdeckt dabei eine Mehrzahl von Kontaktelementen 20. Ferner wird in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2D das
Aufwachssubstrat 4 entfernt, wodurch eine Unterseite 3 der Halbleiterschichtenfolge 1 freigelegt wird. Das Entfernen des Aufwachssubstrats 4 kann beispielsweise über einen
Laserliftoffprozess erfolgen. Nach dem Entfernen des
Aufwachssubstrats 4 ist der spätere Halbleiterchip 100 zum Beispiel durch den Träger 5 mechanisch stabilisiert und selbsttragend ausgebildet. Im Verfahrensschritt der Figur 2E wird die
Halbleiterschichtenfolge 1 beispielsweise mittels eines nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozesses von der Unterseite 3 aus abgetragen. Durch das Abtragen entstehen an der Unterseite 3 der Halbleiterschichtenfolge 1 Strukturen, die beispielsweise als Auskoppelstrukturen für die in der aktiven Schicht 12 erzeugte elektromagnetische Strahlung dienen können. Im vorliegenden Beispiel wird die
Halbleiterschichtenfolge 1 soweit abgetragen, dass die Dicke der Halbleiterschichtenfolge höchstens 2 ym beträgt. Dazu wird beispielsweise die gesamte Bufferschichtenfolge 6 entfernt .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2F wird ein weiterer
Verfahrensschritt gezeigt, bei dem durch Polieren der
Halbleiterschichtenfolge 1 auf der Unterseite 3 aus der
Unterseite 3 eine Strahlungsauskoppelfläche 3 erzeugt wird. Beim Polieren werden die durch das Abtrageverfahren erzeugten Strukturen wiederum abgetragen. Die Strahlungsauskoppelfläche 3 weist dann nur noch eine Aufrauhung mit einer kleinen
Rauheit auf. Im vorliegenden Beispiel wird die
Strahlungsauskoppelfläche 3 von der n-dotierten Schicht 13 gebildet . Für die in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiele kann die Reihenfolge der n-dotierten 13 und der p-dotierten 11 Halbleiterschicht zwischen der
Oberseite 2 und der Unterseite 3 auch umgekehrt sein. Ferner kann zusätzlich zu oder anstatt der GaN-basierten
Halbleitermaterialien auch GaP und/oder GaAs verwendet werden .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip in Draufsicht auf die
Strahlungsauskoppelfläche 3 gezeigt. In der Figur 3A sind alle Kontaktelemente 20 des Halbleiterchips 100 bestromt, sodass die gesamte Strahlungsauskoppelfläche 3 des
Halbleiterchips 100 leuchtet. Der Halbleiterchip hat dabei beispielsweise eine Seitenlänge von höchstens 10 mm und weist insgesamt zumindest 100000 Pixel auf.
In den Figuren 3B und 3D sind nur einige der Kontaktelemente des Halbleiterchips 100 bestromt und ergeben für den
Beobachter einen Schriftzug, in dem die einzelnen Pixel klar erkennbar sind. Im Beispiel der Figuren 3B und 3D ist die Schichtdicke der Halbleiterschichtenfolge zu 7 ym gewählt. Außerdem ist die Strahlungsauskoppelfläche nahezu frei von Aufrauhungen, das heißt die Strahlungsauskoppelfläche ist glatt. Die Rauheit beträgt zum Beispiel höchsten 50 nm. Der Unterschied zwischen den Figuren 3B und 3D liegt nur in der Aufnahmemethode der gezeigten Displays.
Figur 3C zeigt ein ähnliches Bild wie die Figuren 3B und 3D. Hier ist die Schichtdicke der Halbleiterschichtenfolge zu 7 ym gewählt. In Figur 3C ist außerdem die
Strahlungsauskoppelfläche 3 mit einer Aufrauhung versehen, deren Rauheit größer als 500 nm ist. Durch die Aufrauhung sind die Pixel in Figur 3C optisch schlechter voneinander separierbar als in den Figur 3B und 3D.
In den Figuren 4 und 5 sind simulierte Kontrastverhältnisse R von hier angegebenen Halbleiterchips aufgelistet. Als
Kontrastverhältnis R wird dabei das Verhältnis der
Lichtintensität eines aktiven Pixels, also eines bestromten Pixels, zur Lichtintensität eines benachbarten
ausgeschalteten Pixels, also eines nichtbestromten Pixels, verstanden. Das Kontrastverhältnis R ist in den Tabellen der Figuren 4 und 5 für unterschiedliche Pixelbreiten b, also für unterschiedliche Breiten b der Kontaktelemente 20, sowie für unterschiedliche Abstände a zwischen den Kontaktelementen 20 aufgelistet. Die Breiten b und Abstände a sind jeweils in ym angegeben. Darüber hinaus ist das Kontrastverhältnis R für bestimmte Dicken d der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgeführt. Die Tabelle der Figur 4 unterscheidet sich dabei von der Tabelle der Figur 5 dadurch, dass in der Tabelle der Figur 4 Werte für Halbleiterchips 100 mit einer grob aufgerauten Strahlungsauskoppelfläche 3 angegeben sind, wohingegen sich die Werte in der Tabelle in Figur 5 auf Halbleiterchips 100 mit einer Strahlungsauskoppelfläche 3 beziehen, die poliert ist und damit keine Rauheit aufweist. 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 aufgeführt ist . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2014 105 999.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterschichtenfolge
2 Oberseite
3 Unterseite
4 AufwachsSubstrat
5 Träger
6 Bufferschichtenfolge
11 p-dotierte Schicht
12 aktive Schicht
13 n-dotierte Schicht
14 aktiver Bereich
20 Kontaktelernent
21 leitfähige Schutzschicht
22 Seitenflächen des Kontaktelements 20
23 IsolationsSchicht
24 Lotmaterial
30 weiteres Kontaktelement
40 Aktivmatrixelement
100 optoelektronischer Halbleiterchip

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) umfassend
- eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer Oberseite (2) und einer der Oberseite (2) gegenüberliegenden Unterseite
(3), wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) eine aktive
Schicht (12) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist,
- eine Mehrzahl von Kontaktelementen (20), die zur
elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (1) auf der Oberseite (2) geordnet ist, wobei
- der Halbleiterchip (100) als Dünnfilmhalbleiterchip
ausgeführt ist,
- die Unterseite (3) als Strahlungsauskoppelfläche
ausgebildet ist, durch die hindurch die in der
Halbleiterschichtenfolge (1) erzeugte Strahlung ausgekoppelt wird,
- die Kontaktelemente (20) einzeln und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind, und
- die Halbleiterschichtenfolge (1) eine Dicke von höchstens 3 ym aufweist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsauskoppelfläche (3) eine Aufrauhung mit einer Rauheit aufweist, wobei die Rauheit kleiner oder gleich 200 nm ist.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) zusammenhängend und frei von Ausnehmungen ausgebildet ist.
4. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - beabsichtigt Gräben (7) in die Halbleiterschichtenfolge (1) eingebracht sind,
- die Gräben (7) sich von der Oberseite (2) in Richtung
Unterseite (3) erstrecken,
- jedes Kontaktelement (20) in Draufsicht auf die Oberseite (2) von einem Graben (7) teilweise oder vollständig umgeben ist .
5. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kontaktelemente (20) eine laterale Ausdehnung parallel zur Erstreckungsrichtung der Oberseite (2) von höchsten 50 ym aufweisen, und wobei der Abstand zweier benachbarter Kontaktelemente (2) jeweils höchstens 20 ym beträgt.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kontaktelemente (20) matrixartig auf der Oberseite (2) der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet sind.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei auf eine Mehrzahl der
Kontaktelemente (20) ein gemeinsames Aktivmatrixelement (40) aufgebracht ist, das zur selektiven elektrischen Ansteuerung der einzelnen Kontaktelemente (20) dient.
8. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kontaktelemente (20) ein
spiegelndes Material aufweisen oder aus einem solchen
bestehen .
9. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei auf der Strahlungsauskoppelfläche (3) ein weiteres Kontaktelement (30) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (1) angebracht ist, wobei das weitere Kontaktelement (30) bevorzugt ein elektrisch leitfähiges, transparentes Material aufweist oder aus einem solchen besteht und/oder ein Metallgitter aufweist.
10. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach mindestens Anspruch 4, wobei
- in den Gräben (7) ein weiteres Kontaktelement (30) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist,
- die Strahlungsauskoppelfläche (3) frei von Kontaktelementen ist .
11. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei auf die der Halbleiterschichtenfolge (1) abgewandten Seiten der Kontaktelemente (20) eine
leitfähige Schutzschicht (21) aufgebracht ist.
12. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kontaktelemente (20)
Seitenflächen (22) aufweisen, die quer zur Oberseite (2) der Halbleiterschichtenfolge (1) verlaufen, wobei auf die
Seitenflächen (22) eine Isolationsschicht (23) aufgebracht ist .
13. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Defektdichte an einer an die Strahlungsauskoppelfläche (3) grenzenden Halbleiterschicht höchstens 5-10^ cm~2 beträgt.
14. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (100) mit den folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (4),
b) Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (1) auf dem Aufwachssubstrat (4), wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) eine aktive Schicht (12) zur Erzeugung elektromagnetische Strahlung aufweist,
c) Ausbilden von einer Mehrzahl von einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbaren Kontaktelementen (20) auf die dem Aufwachssubstrat (4) abgewandte Seite der
Halbleiterschichtenfolge (1),
d) Anordnen eines Trägers (5) auf die Kontaktelemente (20), e) Ablösen des Aufwachssubstrats (4),
f) zumindest teilweises Abtragen der Halbleiterschichtenfolge (1) bis die Dicke der Halbleiterschichtenfolge (1) noch höchstens 3 ym beträgt.
15. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (100) nach Anspruch 14, wobei nach dem
Abtragen eine Strahlungsauskoppelfläche (3) der
Halbleiterschichtenfolge (1) durch Polieren gebildet wird, sodass eine Aufrauhung auf der Strahlungsauskoppelfläche (3) mit einer Rauheit von höchstens 200 nm entsteht.
16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei in
Schritt b) zunächst eine Bufferschichtenfolge (6) auf das Aufwachssubstrat (4) aufgebracht wird, auf die die aktive Schicht (12) aufgewachsen wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (100) nach Anspruch 16, wobei in Schritt f) die Bufferschichtenfolge (6) teilweise oder vollständig entfernt wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterchips (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) mittels eines Sputterprozesses auf das Aufwachssubstrat (4) aufgebracht wird.
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