DE10008583A1 - Verfahren zum Herstellen eines optisch transparenten Substrates und Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterchips - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines optisch transparenten Substrates und Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterchips

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterchips, bei dem eine epitaktisch erzeugte lichtemittierende Halbleiterstruktur (4) auf einem transparenten Substrat (3) aufgebracht ist. Zunächst wird auf einem gitterangepaßten Substrat (1) eine Substratschicht (2) epitaktisch aufgewachsen. Die Substratschicht (2) wird auf der von dem gitterangepaßten Substrat (1) abgewandten Seite mit dem transparenten Substrat (3) mittels Waferbonden verbunden. Nachfolgend wird das gitterangepaßte Substrat (1) von dem Verbindung aus Substratschicht (2) und transparentem Substrat (3) entfernt. Auf die freigelegte Seite der Substratschicht (2) wird danach die lichtemittierende Halbleiterstruktur (4) epitaktisch aufgewachsen. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Leuchtdiodenchips mit aktiven Leuchtdiodenstrukturen, für die kein optisch transparentes gitterangepaßtes Substratmaterial zur Verfügung steht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optisch transparenten Substrats und auf ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiter­ chips mit einem optisch transparenten Substrat.
Die Bereitstellung von transparenten Substraten ist besonders für LED(Light Emitting Diode)-Chips von großer Bedeutung, weil deren lichterzeugende Strukturen in der Regel Licht in alle Raumrichtungen und folglich auch zum Substrat hin aus­ senden. Für die Erzielung einer möglichst hohen Lichtausbeute ist es demzufolge wünschenswert, auch das zum Substrat hin ausgesandte Licht aus dem Chip auszukoppeln.
Dem steht insbesondere bei LED-Chips mit lichterzeugenden LED-Strukturen auf der Basis von (AlGa)InP oder AlGaAs das Problem gegenüber, daß für diese Materialsysteme das derzeit einzige mit wirtschaftlich vertretbarem technischen Aufwand herstellbare gitterangepaßte Substrat - im Wesentlichen ein GaAs-Substrat - für die von den betreffenden LED-Strukturen erzeugten Wellenlängen optisch absorbierend ist. Das Bandgap von GaAs ist kleiner als die Emissionsenergie der LED- Strukturen.
Ein Verbleib des GaAs-Substrats im fertigen LED-Chip führt folglich dazu, daß ein Großteil (bis zu 50%) der von der LED- Struktur emittierten Strahlung aufgrund Absorption im Sub­ strat bereits im Chip verloren geht.
Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Problems ist aus der US 5,376,580 bekannt. Bei dem hierin beschriebenen Verfahren wird zur Herstellung eines LED-Chips mit einer lichtemittie­ renden LED-Struktur auf der Basis von AlGaInP oder AlGaAs zu­ nächst eine AlGaInP- bzw. AlGaAs-LED-Struktur, auf einem GaAs-Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen.
Nachfolgend wird die LED-Struktur von dem absorbierenden GaAs-Substrat getrennt und mittels Waferbonden mit einem gut elektrisch leitfähigen und für die betreffende Strahlung op­ tisch transparenten Substrat, z. B. ein GaP-Substrat, verbun­ den.
Das Entfernen des absorbierenden GaAs-Substrats erfolgt vor oder nach dem Waferbonden, wobei das Entfernen nach dem Wa­ ferbonden hinsichtlich der Gefahr einer Schädigung der LED- Struktur beim Entfernen des absorbierenden GaAs-Substrats oder beim Waferbonden gegenüber dem Entfernen vor dem Wafer­ bonden Vorzüge aufweist.
Bei diesem bekannten Verfahren wird aber die epitaktisch auf­ gewachsene LED-Struktur, deren elektrische und optische Ei­ genschaften bekanntlich in erheblichem Maße von der Kristall­ qualität der Epitaxieschichten abhängt, beim Abtrennen des absorbierenden GaAs-Substrats zusätzlichen mechanischen (z. B. Schleifen, Polieren etc.) und/oder chemischen Verfahrens­ schritten (z. B. Ätzen) ausgesetzt, die zu deren Schädigung führen können.
Die Verfügbarkeit von transparenten Substraten ist nicht nur bei dem oben beschriebenen Materialsystem, sondern zum Bei­ spiel auch bei lichtemittierenden Halbleiterchips anderer Ma­ terialsysteme, wie GaN und InGaN, von großer Bedeutung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines optisch transparenten Substra­ tes zur Verfügung zu stellen, auf das eine Halbleiterstruktur epitaktisch aufgewachsen werden kann.
Dies hätte zur Folge, daß die epitaktisch aufgewachsene Halb­ leiterstruktur vor mechanischen und/oder chemischen Beanspru­ chungen weitestgehend verschont werden kann.
Weiterhin soll ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemit­ tierenden Halbleiterchips mit einem optisch transparenten Substrat angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Es weist folgende Verfahrensschritte auf:
  • a) epitaktisches Aufwachsen einer Substratschicht auf einem gitterangepaßten Substrat, das hinsichtlich der Parameter für das epitaktische Aufwachsen der Substratschicht opti­ miert ist und bespielsweise optisch absorbierend und/oder elektrisch isolierend ist,
  • b) Aufbringen einer vorgefertigten optisch transparenten Schicht auf die von dem gitterangepaßten Substrat abge­ wandte Seite der Substratschicht mittels Waferbonden und
  • c) Entfernen des gitterangepaßten Substrats von dem Verbund aus Substratschicht und optisch transparenter Schicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 2.
Mit dem Verfahren kann vorteilhafterweise ein Substrat herge­ stellt werden, bei dem einerseits die Substratschicht ein epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterstruktur ermöglicht und andererseits das Material der transparenten Schicht in erster Linie auf eine für den vorgesehenen Verwendungszeck des Substrats optimierte optische Transparenz ausgelegt ist.
Die Gitterkonstante des Materials der aufgebondeten optisch transparenten Schicht spielt insofern keine Rolle. Einzig und allein die Substratschicht, die typischerweise deutlich dün­ ner als die transparente Schicht ist und die folglich hin­ sichtlich Transparenz und elektrischer Leitfähigkeit nur eine untergeordnete Rolle spielt, dient als "Substrat" für das epitaktische Aufwachsen z. B. einer lichtemittierenden Schichtenfolge und muß folglich an diese gitterangepaßt sein.
Bevorzugt besteht die Substratschicht bereits aus einem Mate­ rial, das für die von einer beispielsweise vorgesehenen lich­ temittierenden Halbleiterstruktur ausgesandte Strahlung op­ tisch transparent ist. Lichtverluste durch Absorption im Sub­ strat werden dadurch vorteilhafterweise weiter reduziert.
Zum Entfernen des optisch absorbierenden gitterangepaßten Substrats können diesbezüglich bekannte Verfahren, wie mecha­ nisches Schleifen, Läppen, selektives naßchemisches Ätzen, reaktives Ionenätzen oder Kombinationen dieser Verfahren an­ gewandt werden (vgl. hierzu z. B. die US 5,376,580). Ein Ver­ fahren zum zerstörungsfreien Entfernen des gitterangepaßten Substrats, das eine Wiederverwendung des Substrats eröffnet, und das auch bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung anwendbar ist, ist beispielsweise in der US 5,877,070 beschrieben.
Hinsichtlich geeigneter Verfahren zum Verbinden der Substrat­ schicht mit dem optisch transparenten Substrat kann bei­ spielsweise ebenso auf die aus dem Stand der Technik bekann­ ten Verfahren zum sogenannten Waferbonden zurückgegriffen werden. Verschiedene geeignete Verfahren sind z. B. wiederum in der US 5,376,580 beschrieben.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Leuchtdiodenchips mit aktiven Leuchtdiodenstrukturen, für die kein optisch transparentes gitterangepaßtes Substratmaterial zur Verfügung steht oder für die ein gitterangepaßtes trans­ parentes Substrat mit wirtschaftlich vertretbarem technischen Aufwand nicht herstellbar ist.
Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 3 gelöst. Hierbei wird auf die Substratschicht eines nach dem oben dargestellten Verfahren hergestellten transpa­ renten Substrats eine lichtemittierende Halbleiterstruktur epitaktisch aufgewachsen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegen­ stand der Ansprüche 4 bis 7.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterchips mit LED-Strukturen auf der Basis von (AlGa)InP oder AlGaAs eingesetzt, bei denen das eingangs genannte Problem in besonderem Maße besteht. Es kann jedoch auch zur Herstellung von anderen strahlungemittieren­ den Halbleiterchips verwendet werden, bei denen die Sub­ strateigenschaften für die Funktionseigenschaften der Chips von Bedeutung sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungs­ beispielen in Verbindung mit den Fig. 1a bis 2b näher er­ läutert.
Es zeigen:
die Fig. 1a bis 1c, eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes zum Herstellen eines transparenten Sub­ strats und
die Fig. 2a und 2b, eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes zum Herstellen von LED-Chips.
Bei dem Verfahren nach den Fig. 1a bis 1c wird zunächst beispielsweise mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (kurz MOVPE für "Metal Organic Vapour Phase Epitaxy") auf ein gitterangepaßtes Substrat 1, das aus GaAs besteht, eine Sub­ stratschicht 2 epitaktisch aufgewachsen (vgl. Fig. 1a).
Die Substratschicht 2 besteht aus n- oder p-dotiertem (Al­ Ga)InP, AlGaAs oder GaAs.
Die Substratschicht 2 wird nachfolgend auf der von dem git­ terangepaßten Substrat 1 abgewandten Seite mittels Waferbon­ den mit einem elektrisch leitfähigen und optisch transparen­ ten Wafer 3 verbunden (Fig. 1b). Der elektrisch leitfähige, optisch transparente Wafer 3 besteht beispielsweise aus GaP oder SiC. Diese beiden Zusammensetzungen eignen sich zum Bei­ spiel als transparentes Substratmaterial für die von einer LED-Struktur auf der Basis von (AlGa)InP oder AlGaAs ausge­ sandte Lichtwellenlänge.
Zur Herstellung des Waferverbundes mittels Waferbonden kann auf die bekannten Waferbonding-Verfahren zurückgegriffen wer­ den. Ein geeignetes derartiges Verfahren ist beispielsweise in der US 5,376,580 eingehend beschrieben.
Nach dem Waferbonden wird das gitterangepaßte Substrat 1 von dem Verbund aus Substratschicht 2 und transparentem Wafer 3 entfernt (Fig. 1c). Dies erfolgt beispielsweise mittels me­ chanischem Schleifen und Läppen und/oder selektivem naßchemi­ schen Ätzen. Ebenfalls geeignet ist hierzu ein sogenannter "smart-cut"-Prozess, bei dem in dem gitterangepaßten Substrat mittels Wasserstoff-Implantation und nachfolgendem Ausheizen im wesentlichen parallel zur Grenzfläche zwischen Substrat und Substratschicht liegende wasserstoffgefüllte Mikrorisse erzeugt werden, entlang denen sich nachfolgend das gitteran­ gepaßte Substrat vom restlichen Waferverbund ablösen lässt. Der besondere Vorteil des letztgenannten Verfahrens liegt darin, daß das gitterangepaßte Substrat beim Ablösen nicht zerstört wird und folglich wiederverwendbar ist.
Der nach dem Entfernen des gitterangepaßten Substrats 1 ver­ bleibende Verbund aus transparentem Wafer 3 und Substrat­ schicht 2 dient nachfolgend als Substrat für das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterstruktur, beispielsweise einer LED-Struktur.
Bei dem Verfahren gemäß den Fig. 2a und 2b werden LED- Chips hergestellt, die als epitaktisch aufgewachsene Halblei­ terstruktur eine aktive LED-Struktur auf der Basis von (Al­ Ga)InP oder AlGaAs aufweisen.
Hierzu wird beispielsweise mittels MOVPE zunächst auf eine n- oder p-dotierte (AlGa)InP- oder AlGaAs-Substratschicht 2 ei­ nes nach dem in Verbindung mit den Fig. 1a bis 1c be­ schriebenen Verfahren hergestellten transparenten Substrats eine n- bzw. p-dotierte Bufferschicht 5 und auf diese eine n- bzw. p-dotierte untere Barrierenschicht 6 aufgewachsen. So­ wohl die Bufferschicht 5 als auch die untere Barrierenschicht 6 bestehen im Wesentlichen aus (AlGa)InP bzw. AlGaAs.
Bei ausreichend guter Qualität der Substratschicht 2 kann auf die Bufferschicht 5 auch verzichtet werden.
Auf die untere Barrierenschicht 6 wird eine aktive Schicht 7, in der im Betrieb die strahlenden Rekombinationen stattfin­ det, epitaktisch aufgewachsen. Diese besteht wiederum im we­ sentlichen aus (AlGa)InP bzw. AlGaAs.
Abschließend wird auf die aktive Schicht 7 eine p- bzw. n- dotierte obere Barrierenschicht 8 epitaktisch aufgebracht, die die LED-Struktur 4 komplettiert und die, wie die anderen Schichten, im Wesentlichen aus (AlGa)InP bzw. AlGaAs besteht.
Optional kann zur Verbesserung der Stromausbreitung über die gesamte Fläche der LED-Struktur und zur weiteren Verbesserung der Lichtauskopplung aus dem Chip auf die aktive LED-Struktur eine Fensterschicht 9 aufgebracht werden (in Fig. 2b gestri­ chelt angedeutet). Eine derartige Fensterschicht ist bei­ spielsweise in der US 5,008,718 beschrieben. Denkbar ist in dieser Hinsicht auch das Aufbringen einer elektrisch leitfä­ higen und optisch transparenten Fensterschicht 9 mittels Wa­ ferbonden.
Abschließend werden auf der oberen Barrierenschicht 8 oder ggf. auf der Fensterschicht 9 und auf dem transparenten Sub­ strat 3 elektrische Kontakte 10 und 11 erzeugt, beispielswei­ se in Form von Metallschichten (Fig. 2b). Für den Kontakt 10 auf der (AlGa)InP- oder AlGaAs-Schicht eignet sich beispiels­ weise eine Gold-Zink-Legierung; für den Kontakt 11 an dem transparenten GaP-Substrat 3 eignet sich beispielsweise eine Gold-Germanium-Legierung. Die Kontakte 10, 11 können mittels eines herkömmlichen Aufdampf-Prozesses abgeschieden werden.
Typischerweise werden die oben beschriebenen LED- Schichtfolgen einschließlich der Kontaktmetallisierungen im Waferverbund prozessiert, der nachfolgend zu einzelnen LED- Chips zertrennt wird. Diese LED-Chips werden dann je nach Einsatzzweck in unterschiedliche LED-Gehäuse montiert und zu den gewünschten LED-Bauelementen weiterverarbeitet.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Be­ schränkung der Erfindung auf das diesbezüglich herangezogene Materialsystem zu deuten. Vielmehr eignet sich das erfin­ dungsgemäße Verfahren überall dort, wo keine gitterangepaßten Substrate zur Verfügung stehen, die für das fertige Bauele­ ment optimale elektrische und/oder optische Eigenschaften be­ sitzen. So zum Beispiel bei (AlGa)InP-basierenden LEDs auf "gebondeten" SiC-Substraten und bei InGaN-basierenden LEDs auf "gebondeten" GaN-Substraten. Ebenso ist denkbar, Wafer aus elektrisch leitfähigen transparenten Oxiden als transpa­ rente Wafer auf die Substratschicht zu bonden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines optisch transparenten Sub­ strats, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) auf einem gitterangepaßten Substrat (1) eine Substrat­ schicht (2) epitaktisch aufgewachsen wird,
  • b) die Substratschicht (2) auf der von dem gitterangepaß­ ten Substrat (1) abgewandten Seite mit einer optisch transparenten Schicht (3) mittels Waferbonden verbunden wird und
  • c) das gitterangepaßte Substrat (1) von dem Verbund aus Substratschicht (2) und transparenter Schicht (3) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Substratschicht (2) optisch transparent ist.
3. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halblei­ terchips mit einem optisch transparenten Substrat dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) auf einem gitterangepaßten Substrat (1) eine Substrat­ schicht (2) epitaktisch aufgewachsen wird,
  • b) die Substratschicht (2) auf der von dem gitterangepaß­ ten Substrat (1) abgewandten Seite mit einer optisch transparenten Schicht (3) mittels Waferbonden verbunden wird,
  • c) das gitterangepaßte Substrat (1) von dem Verbund aus Substratschicht (2) und transparenter Schicht (3) entfernt wird und
  • d) auf die Substratschicht (2) eine lichtemittierende Halbleiterstruktur (4) epitaktisch aufgewachsen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Substratschicht (2) optisch transparent ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Leuchtdiodenchip mit einer aktiven Leuchtdiodenstruk­ tur auf der Basis von (AlGa)InP oder AlGaAs hergestellt wird, wobei
als gitterangepaßtes Substrat (1) ein GaAs-Substrat, als Substratschicht (2) eine epitaktisch aufgewachsene (Al­ Ga)InP- oder AlGaAs-Schicht und als transparentes Substrat (3) ein GaP-Substrat verwendet wird und
nach dem Entfernen des gitterangepaßten Substrats (1) die aktive Leuchtdiodenstruktur (4) auf die Substratschicht (2) epitaktisch aufgewachsen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktive Leuchtdiodenstruktur (4) eine elektrisch leitende und optisch transparente Fensterschicht (9) epi­ taktisch aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktive Leuchtdiodenstruktur (4) eine elektrisch leitende und optisch transparente Fensterschicht (9) mit­ tels Waferbonden aufgebracht wird.
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