DE102007038336A1

DE102007038336A1 - Diffusionssperre für Lichtemitterdioden

Info

Publication number: DE102007038336A1
Application number: DE102007038336A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hagleitner; Zoltan Ring; Jason Gurganus
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20080042145A1; CN100561763C; JP2008047924A; CN101132043A

Abstract

Es wird eine Anordnung beschrieben, die dazu dient, ein Wandern reflektierender Metalle in Lichtemitterdioden zu verhindern. Die Anordnung weist jeweilige Halbleiter-Epitaxieschichten des p-Typs und des n-Typs zur Erzeugung von Rekombinationen und Photonen bei einem angelegten Strom auf, eine reflektierende Metallschicht, die in der Nähe zumindest einer der Epitaxieschichten angeordnet ist, um die Lichtabgabe in einer gewünschten Richtung zu erhöhen, eine erste Schicht aus Titan-Wolfram auf der tan-Wolframnitrid auf der ersten Titan-Wolframschicht, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram auf der Wolfram-Titannitridschicht gegenüberliegend der ersten Titan-Wolframschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtemitterdioden, und speziell Lichtemitterdioden, die aus Nitridmaterialien der Gruppe III auf Siliziumkarbidsubstraten bestehen.
Eine Lichtemitterdiode ist ein Photonenbauelement, welches Licht aussendet, wenn Strom durch den p-n-Übergang hindurchgeht, welcher die Diode bildet. Als Ausschnitt aus diesem Gebiet lassen sich Lichtemitterdioden angeben, die im weiten Umfang als Zustandsanzeigen (Ein/Ausschaltleuchten) für professionelle und Endverbrauchergeräte auf dem Audio← und Videogebiet eingesetzt werden, Anzeigen mit sieben Segmenten (beispielsweise bei Taschenrechnern), Nachrichtenanzeigen mit geringem Gewicht bei öffentlichen Anzeigen, alphanumerische Anzeigen in Umgebungen, bei denen die Erkennbarkeit bei Nacht sichergestellt werden muss, Fernsteuerungen für Fernsehen und vergleichbare Geräte (unter Einsatz von Infrarot-LEDs), Faseroptikkommunikation, Lichtsignale, und Kraftfahrzeugbremsleuchten und Fahrrichtungsanzeigen. LEDs werden auch häufiger als Beleuchtungsquellen wie beispielsweise bei Blinkleuchten und Rückwärtsbeleuchtung für Flüssigkristallanzeige-Videobildschirme (LCD-Videobildschirme) eingesetzt, und als Ersatz für Glühlampen und Fluoreszenzlampen bei der Beleuchtung in Privathäusern und Büros.
Aufgrund gut verstandener physikalischer Grundlagen wird die Farbe des Lichts, das von einer Diode ausgesandt wird, im Wesentlichen durch die Bandlücke des Halbleitermaterials festgelegt, aus welchem die Diode besteht. Da die Frequenz des Lichts in direkter Beziehung zur Energie steht, senden Halbleitermaterialien mit größeren Bandlücken Photonen mit höherer Energie und höherer Frequenz aus. Da Nitride der Gruppe III Bandlücken von zumindest etwa 3,37 Elektronenvolt (eV) aufweisen, können sie dazu eingesetzt werden, Dioden auszubilden, die Licht mit kürzerer Wellenlänge (beispielsweise unterhalb von 500 Nanometer (nm)) aussenden, das in dem grünen, blauen oder violetten Abschnitt des sichtbaren Spektrums liegt, sowie im Ultraviolettbereich. Im Gegensatz hierzu erzeugen die kleineren Bandlücken von Materialien wie beispielsweise Silizium (1,11 eV), Galliumarsenid (1,43 eV), und Indiumphosphid (1,34 eV) Photonen mit niedrigerer Energie in den langwelligeren Abschnitten Rot und Gelb des sichtbaren Spektrums.
Die Möglichkeit, dass Nitride der Gruppe III blaues Licht aussenden, führt zu dem entsprechenden Vorteil, weißes Licht von Festkörperquellen zu erhalten, also durch Kombination blauer, grüner und roter LEDs. Alternativ können im blauen oder im UV-Bereich abstrahlende LEDs auch dazu verwendet werden, ausgewählte Leuchtstoffe zu erregen, die wiederum weißes Licht oder Licht (beispielsweise Gelb) aussenden, das zusammen mit der Aussendung von blauem Licht der LED dazu führt, dass weißes Licht erzeugt wird.
Die Nitride der Gruppe III weisen darüber hinaus den Vorteil auf, dass sie "direkte" Emitter sind, was bedeutet, dass die Energie, die durch einen Übergang zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband ausgesendet wird, hauptsächlich als Licht (ein Photon) anstatt als eine Schwingung (Phonon) und entsprechende Wärme ausgesandt wird.
Aus verschiedenen Gründen sind Bauelemente auf Grundlage von Nitriden der Gruppe III häufig als Epitaxieschichten der gewünschten Materialien der Gruppe III auf einem Substrat ausgebildet, das aus einem anderen Material besteht. Bei einigen Fällen ist das Material Saphir (Al₂O₃), das für eine akzeptable Kristallanpassung, chemische Stabilität, und körperliche Festigkeit sorgt. Saphir kann auch transparent ausgebildet werden, um zu vermeiden, dass das Abziehen von Licht von der Diode gestört wird.
Allerdings kann Saphir nicht leitend dotiert werden, so dass die Dioden, die auf Saphir ausgebildet sind, eine "horizontale" Orientierung aufweisen müssen, so dass die ohmschen Kontakte zur p-Seite und zur n-Seite der Diode im wesentlichen in dieselbe Richtung weisen müssen. Dies neigt dazu, die Gesamtfläche ("Standfläche") der Diode zu vergrößern.
Daher stellt bei vielen Anwendungen Siliziumkarbid (SiC) eine bessere Alternative für ein Substrat für Lichtemitterdioden von Nitriden der Gruppe III dar. Siliziumkarbid ist physikalisch stark und chemisch robust (gegen Angriffe beständig), und kann als transparente oder nahezu transparente Kristalle ausgebildet werden. Einen zusätzlichen Vorteil stellt die Tatsache dar, dass Siliziumkarbid leitend dotiert werden kann, und daher ermöglicht, dass Dioden in einer "vertikalen" Orientierung ausgebildet werden, also mit den ohmschen Kontakten auf entgegengesetzten Enden (in Axialrichtung) des Bauelements. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Standfläche einer Diode auf Saphirgrundlage kleiner sein kann, bei derselben Fläche für den Übergang und die Nitridschichten der Gruppe III.
Die grundlegenden Elemente einer Lichtemitterdiode umfassen typischerweise (sind jedoch nicht hierauf beschränkt) eine Schicht des p-Typs aus Halbleitermaterial und eine benachbarte Schicht des n-Typs aus Halbleitermaterial, die zusammen einen p-n-Übergang bilden. Diese Schichten werden konstruktiv durch ein geeignetes Substrat gehaltert, und stehen darüber hinaus in elektrischem Kontakt mit jeweiligen ohmschen Materialien. Wenn daher ein Strom durch die ohmschen Kontakte und über den p-n-Übergang eingeleitet wird, erzeugen zumindest einige der sich ergebenden elektronischen Übergänge Photonen, und entweichen zumindest einige der Photonen von der Diode in Form sichtbaren Lichts.
Bei einigen Lichtemitterdioden sind die Halbleiterabschnitte des Bauelements in einer Orientierung des Typs "Flip-Chip" angebracht. Im Gebrauch wird hierbei das bauliche Substrat an der Aussendeseite des Bauelements und der p-n-Übergang zur Montagekonstruktion hin angeordnet. Die Montagekonstruktion weist häufig eine reflektierende Schicht auf. Wenn Licht von dem Übergang ausgesandt wird, das anderenfalls durch die Montagekonstruktion absorbiert werden würde, schickt die reflektierende Schicht das Licht erneut zur Ausgangsseite des Bauelements zurück.
Unabhängig von der speziellen LED-Konstruktion dient die reflektierende Schicht zu einem nützlichen Zweck, da die durch Rekombination erzeugten Photonen von der aktiven Konstruktion in sämtliche Richtungen ausgesandt werden. Das übliche Ziel besteht allerdings darin, Licht in eine bestimmte Richtung zu schicken, und die sichtbare Ausgangsenergie zu maximieren. Daher kann das Vorhandensein einer Reflektorschicht (häufig als Spiegel bezeichnet) sowohl das in eine bestimmte Richtung ausgesandte Licht erhöhen, und die gesamte sichtbare Ausgangsleistung der LED vergrößern.
Silber (Ag) ist ein nützliches Metall (möglicherweise das nützlichste) für derartige Zwecke zum Reflektieren, zusammen mit anderen Metallen wie beispielsweise Gold (Au) und Aluminium (Al). Ein Nachteil besteht allerdings darin, dass Silber dazu neigt, zwischen benachbarten Schichten aus Metall und Halbleitermaterial zu wandern. Wenn Silber auf diese Art und Weise wandert, kann es die elektrischen und chemischen Eigenschaften des Bauelements beeinflussen, und daher dessen funktionelle LED-Eigenschaften beeinträchtigen oder verhindern. So umfasst beispielsweise die Herstellung von Flip-Chip-LEDs typischerweise einen Lötvorgang, beispielsweise das Verlöten des Chips mit einem Leitungsmuster (auch als "Metallstück" oder "Chip-Kontaktfläche") bezeichnet. Dieser Schritt kann unter anderem erfordern, dass das Lot, das Leitungsmuster und der Chip auf Temperaturen in der Größenordnung von 350 °C erwärmt werden. Wie häufig bei chemischen Reaktionen fördert eine höhere Temperatur das unerwünschte Wandern des Reflektormaterials.
Dies führt dazu, dass Konstruktionen, welche reflektierende Schichten aus Silber und ähnlichen Materialien aufweisen, typischerweise eine Anordnung aufweisen müssen, welche das Wandern des Silbers in ungewünschte Abschnitte des Bauelements verringert oder verhindert. Bislang wurden relativ komplizierte Mehrschichtanordnungen eingesetzt, sowie Schichten, die relativ teure Materialien enthalten, beispielsweise Platin (Pt). So beschreibt beispielsweise die gleichzeitig übertragene und gleichzeitig anhängige Anmeldung mit der Seriennummer 10/951,042, eingereicht am 22. September 2004, mit dem Titel Hochwirksame Lichtemitterdiode mit einem Gruppen-III-Nitridsiliziumkarbid eine Schicht aus Zinn (Sn), zum Verhindern des Wanderns von Silber, sowie kompliziertere Schichten aus beispielsweise Titan, Wolfram oder Platin, deren Legierungen, sowie verschiedene Schichten derartiger Metalle, deren Legierungen oder Kombinationen aus diesen Metallen.
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung eine Konstruktion dazu dar, um zu verhindern, dass Reflektormetalle in Lichtemitterdioden wandern. Die Konstruktion umfasst jeweilige Halbleiter-Epitaxieschichten des p-Typs und des n-Typs zur Erzeugung von Rekombinationen und Photonen bei einem angelegten Strom, eine reflektierende Metallschicht in der Nähe zumindest einer der Epitaxieschichten zur Erhöhung des in einer gewünschten Richtung ausgesandten Lichts, eine erste Schicht aus Titan-Wolfram auf der reflektierenden Metallschicht, eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid auf der ersten Titan-Wolframschicht, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram auf der Wolfram-Titannitridschicht gegenüberliegend der ersten Titan-Wolframschicht.
Bei einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren dar, zu verhindern, dass Reflektormetalle in Lichtemitterdiodenanordnungen in andere Elemente in der Lichtemitterdiode eindringen, oder mit diesen reagieren. Das Verfahren umfasst die Schritte, eine erste Schicht aus Titan-Wolfram auf einer Schicht auf einem Reflektormetall abzulagern, welches ein Teil einer aktiven Lichtemitteranordnung bildet, die Halbleiter-Epitaxieschichten aufweist, und zwar bei einer Ablagerungstemperatur, die unterhalb jener Temperatur liegt, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung beeinträchtigen würde, Ablagern einer Schicht aus Titan-Wolframnitrid auf der ersten Titan- Wolframschicht bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, welche sonst den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung stören würde, und Ablagern einer zweiten Schicht aus Titan-Wolfram auf der Titan-Wolframnitridschicht bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung stören würde.
Bei einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Lichtemitterdiode (LED) dar, die ein Leitungsmuster aufweist, eine aktive Anordnung in elektrischem Kontakt mit dem Leitungsmuster, eine reflektierende Metallschicht zwischen dem Leitungsmuster und der aktiven Anordnung zum Richten ausgesandten Lichts weg von dem Leitungsmuster, eine Sperrschichtanordnung zum Verhindern, dass das Metall in der reflektierenden Schicht innerhalb der Lichtemitterdiode wandert, wobei die Sperrschichtanordnung eine erste Schicht aus Titan-Wolfram aufweist, welche die reflektierende Metallschicht abdeckt, eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid, welche die erste Titan-Wolframschicht abdeckt, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram, welche die Titan-Wolframnitridschicht abdeckt, und einen ohmschen Kontakt in elektrischer Verbindung mit der aktiven Anordnung gegenüberliegend dem Leitungsmuster.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung hervorgehen. Es zeigt:
1 eine schematische Querschnittsansicht bestimmter Merkmale der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Lichtemitterdiode, welche Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist; und
3 ein Photo von Halbleiterwafern, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht des grundlegenden Aufbaus gemäß der Erfindung in Form eines Diodenvorläufers, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die dargestellte Anordnung verhindert, dass Reflektormetalle in Lichtemitterdioden wandern. Die Anordnung weist jeweilige Halbleiter-Epitaxieschichten des Typs p 11 und des Typs n 12 auf, zur Erzeugung von Rekombinationen und Photonen bei einem angelegten Strom unter dem p-n-Übergang. Eine reflektierende Metallschicht 13, die typischerweise (jedoch nicht ausschließlich) aus Silber besteht, befindet sich in der Nähe zumindest einer der Epitaxieschichten 11 oder 12, zur Erhöhung der Lichtabgabe in einer gewünschten Richtung. In 1 ist die reflektierende Metallschicht 13 so dargestellt, dass sie am nächsten an der Epitaxieschicht 11 des p-Typs liegt, jedoch hängt dies von der hier geschilderten Flip-Chip-Ausrichtung ab, und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar.
1 zeigt weiterhin eine Schicht 14 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts, die typischerweise, jedoch nicht unbedingt, aus Platin besteht, zwischen der reflektierenden Metallschicht 13 und der Epitaxieschicht 11. Da die reflektierende Metallschicht 13 den Hauptzweck hat, Photonen optisch zu reflektieren, kann sie weniger geeignet sein als einige andere Metalle, um einen elektrischen Kontakt mit einem Halbleitermaterial in den Epitaxieschichten herzustellen. Andere Metalle weisen ein schlechteres Reflexionsvermögen auf, sind jedoch geeigneter zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den Epitaxieschichten. Daher kann die Metallkontaktschicht 14 so vorgesehen sein, dass sie die elektrischen Kontakteigenschaften verbessert, obwohl sie nicht so gut als ein Reflektor ist wie (beispielsweise) Silber. Allerdings ist die Metallkontaktschicht 13 ausreichend dünn, um im Wesentlichen das Reflexionsvermögen der reflektierenden Metallschicht 13 zu stören.
Um ein Wandern des Silbers zu verhindern, weist die Anordnung eine erste Schicht 15 einer Legierung aus Titan-Wolfram (TiW) auf der reflektierenden Metallschicht 13 auf. Eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid (TiWN) 16 befindet sich auf der ersten Titan-Wolframschicht 15, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram 17 befindet sich auf der Titan-Wolframnitridschicht gegenüberliegend der ersten Titan-Wolframschicht 15. Wie in 1 gezeigt, deckt die erste Titan-Wolframschicht 15 im Wesentlichen die gesamte reflektierende Metallschicht 13 mit Ausnahme der Oberfläche der reflektierenden Metallschicht 13 ab, welche der aktiven Anordnung (den Epitaxieschichten 11 und 12) gegenüberliegt.
Obwohl die schematische Darstellung von 1 nicht jedes mögliche Element einer Lichtemitterdiode zeigt, enthält sie eine Lotschicht 20 und ein Siliziumkarbidsubstrat 21. Wie voranstehend erläutert, ist das Siliziumkarbidsubstrat 21 in oberen Abschnitten der Diode 10 angeordnet, infolge der Flip-Chip-Anordnung, während die Lotschicht 20 dazu verwendet wird, die Diode anzubringen, aus verschiedenen Zwecken während sowohl der Herstellung als auch im endgültigen Gebrauch. Die jeweiligen Abschnitte der reflektierenden Metallschicht 13 und des Siliziumkarbidsubstrats 21 erhöhen die Abgabe von Licht nach außen, und daher durch das Substrat 21.
Obwohl die 1 und 2 beide Substrate in der Flip-Chip-Ausrichtung darstellen, können andere LED-Anordnungen (welche Bauelemente auf Grundlage eines Nitrids der Gruppe III aufweisen) eine herkömmlichere Ausrichtung aufweisen, bei welcher die Lichtaussendeoberfläche aus einer der aktiven Schichten besteht, oder einer stark dotierten Nitridschicht der Gruppe III, welche die Stromausbreitung fördert. Die Erfindung ist ebenfalls mit derartigen Anordnungen verträglich.
Die Titan-Wolframnitridschicht 16 stellt eine vorteilhafte Sperrschicht gegen das Wandern der reflektierenden Metallschicht 13 zur Verfügung. Die Hafteigenschaften der Titan-Wolframnitridschicht 16 sind weniger vorteilhaft als die Hafteigenschaften (in Bezug auf benachbarte Schichten) von Titan-Wolfram, so dass die Titan-Wolframschichten 15, 17 einen zusätzlichen baulichen Vorteil zur Verfügung stellen, darüber hinaus, dass sie einen Teil der gesamten Sperrschicht bilden.
Die reflektierende Metallschicht 13 besteht typischerweise aus Silber, kann jedoch auch aus jedem anderen, geeigneten reflektierenden Metall ausgewählt sein, beispielsweise Gold, Silber, Aluminium und Kombinationen aus diesen Metallen.
Die Sperrschichten 15, 16 und 17 weisen eine Gesamtdicke auf, die dazu ausreicht, ein Wandern oder ein Diffundieren des reflektierenden Metalls von der reflektierenden Metallschicht 13 in den Rest der Diode 10 zu verhindern, aber weisen eine derartige Dicke auf, bei welcher die sich ergebenden mechanischen Spannungen das Fördern einer Abschälung und vergleichbare bauliche Probleme in den titanhaltigen Schichten 15, 16 und 17 fördern würden. Fachleute, die mit dem Wachstum von Epitaxieschichten von Halbleitern und verwandten dünnen Schichten vertraut sind, werden erkennen, dass die Sperrschichten nur so dick sein müssen, dass sie den angestrebten Zweck erfüllen. Soweit die Sperrschicht ausreichend dick ist, um ein Wandern zu verhindern, kann eine Vergrößerung der Schichtdicke dazu führen, dass die physikalischen Spannungen in jeder Schicht vergrößert werden, ohne zusätzliche Vorteile als Sperrschicht.
Normalerweise wurden erfolgreiche Sperrschichten so ausgebildet, dass die Titan-Wolframschichten 15, 17 jeweils eine Dicke von etwa 1000 Angström (Å) aufwiesen, und die Titan-Wolframnitridschicht eine Dicke von etwa 2000 Å aufwies.
Bei beispielhaften Ausführungsformen sind die Halbleiter-Epitaxieschichten 11 und 12 Nitride der Gruppe III. Nitride der Gruppe III umfassen derartige Verbindungen von Gallium, Aluminium, Indium und Stickstoff, welche binäre, ternäre und quaternäre Verbindungen bilden. Die Auswahl einer oder mehrerer dieser Schichten für Homoübergänge, Heteroübergänge, einzelner oder mehrerer Quantentöpfe, oder Supergitteranordnungen, erfolgt je nach Wahl, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung. Daher kann die vorliegende Erfindung jede Anzahl derartiger Verbindungen oder Schichten aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen bestehen die Epitaxieschichten aus Galliumnitrid (GaN), während sie bei anderen Ausführungsformen aus Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) oder Indium-Galliumnitrid (InGaN) bestehen.
Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass diese Formeln genauer durch Al_xGa_1-xN oder In_xGa_1-xN ausgedrückt werden. Insbesondere können infolge der Tatsache, dass sich die Bandlücke von In_xG_1-xN in Abhängigkeit von dem Molanteil von Indium in der Zusammensetzung ändert, InGaN-Dioden erzeugt werden, die Licht bei einer gewünschten Wellenlänge ausgeben, durch entsprechende Auswahl des geeigneten Molanteils an Indium.
2 ist eine andere, schematische Darstellung einer Lichtemitterdiode gemäß der Erfindung. Wenn man 1 und 2 vergleicht, entspricht 1 im Wesentlichen (jedoch nicht exakt) einer Ansicht entlang der Linien 1-1 von 2. Im Einzelnen zeigt 1 einige weitere Einzelheiten in Bezug auf die reflektierende Schicht 13 und die Metallkontaktschicht 14 als 2. Im Übrigen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 2 ist eine Lichtemitterdiode insgesamt mit 24 bezeichnet. Die Diode 24 weist ein Leitungsmuster 25 und eine aktive Anordnung in elektrischem Kontakt mit dem Leitungsmuster auf. Sowohl in 2 als auch in 1 ist die aktive Anordnung als die Halbleiter-Epitaxieschichten 11 und 12 gezeigt, aber ist nicht hierauf beschränkt. In 1 kann die aktive Anordnung auch eine Heterostruktur aufweisen, eine Doppel-Heterostruktur, einen Quantentopf, einen Mehrfachquantentopf, oder eine Supergitterstruktur. Daher soll 2 als erläuternd verstanden werden, jedoch nicht die Erfindung einschränken.
2 zeigt die reflektierende Metallschicht 26 als einzelne Schicht. Eine Sperrschichtanordnung 27 verhindert ein Wandern des Metalls in der reflektierenden Schicht 26, innerhalb der Lichtemitterdiode 24. Die Sperrschichtanordnung weist wiederum die erste Schicht aus Titan-Wolfram 15 auf, welche die reflektierende Metallschicht 26 abdeckt, eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid 16, welche die erste Titan-Wolframschicht 15 abdeckt, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram 17, welche die Titan-Wolframnitridschicht 16 abdeckt. Ein ohmscher Kontakt 30 steht in elektrischer Verbindung mit der aktiven Anordnung gegenüberliegend dem Leitungsmuster 25.
Wie in 1 bestehen bei beispielsweisen Ausführungsformen der Diode 24 die Epitaxieschichten 11 und 12 aus Nitriden der Gruppe III. Auf Grundlage der Flip-Chip-Ausrichtung und des Herstellungsverfahrens weist die Diode 24 das transparente Siliziumkarbidsubstrat 21 zwischen der aktiven Schichtanordnung 11, 12 und dem ohmschen Kontakt 30 auf.
Wie bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform ist die reflektierende Metallschicht 26 typischerweise ausgewählt aus der Gruppe, die aus Gold, Silber, Aluminium und Kombinationen hieraus besteht. Obwohl nicht dargestellt, infolge der relativen Abmessungen von 2, weist die Diode 24 typischerweise die elektrische Kontaktschicht auf, die mit 14 in 1 bezeichnet ist.
Die Diode 24 entspricht in ihrem allgemeinen Aufbau der Gruppe XBRIGHT^® von Dioden, die von Cree, Inc. bezogen werden können, der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung. Da diese Dioden die Flip-Chip-Orientierung aufweisen, weisen deren Herstellungsverfahren und ihr sich ergebender Aufbau häufig eine Untermontageanordnung auf, die in 2 als eine weitere Lotschicht 31, ein zweites Substrat 32, und ein zweiter ohmscher Kontakt 33 dargestellt ist. Die genaue Ausbildung und Zusammensetzung der Untermontageanordnung muss nicht diesen drei dargestellten Schichten entsprechen, sondern arbeitet auf die gleiche Art und Weise, um eine Halterungsanordnung für die aktiven Abschnitte der Dioden zur Verfügung zu stellen, und einen elektrischen Kontakt zum Leitungsmuster 25 zu erzielen. Daher besteht das zweite Substrat 32 häufig aus Siliziumkarbid, aber kann auch aus anderen, geeigneten Materialien bestehen, die möglicherweise Metalle enthalten.
2 zeigt weiterhin, dass die aktiven Schichten 11 und 12 und ein Anzahl anderer Elemente der Diode 24 unter Verwendung eines geeigneten Lots 34 an dem Leitungsmuster gehaltert sind.
Um dies teilweise zusammenzufassen, besteht die Erfindung in einer Schicht aus Titan-Wolframnitrid, das durch Sputtern als Zusammensetzung zwischen zwei Schichten aus einer Titan-Wolframlegierung abgelagert ist. Dies verhindert ein Diffundieren von Metall oder von Feuchtigkeit durch die Schichten. Die Titan-Wolframnitridverbindung wirkt als eine Sperrschicht, und verhinderte ein Diffundieren von Metallen wie beispielsweise Gold, Silber oder Aluminium, selbst während oder nach einer Wärmebehandlung. Dies führt dazu, dass diese Sperrschicht kompliziertere oder teurere Sperrschichten wie beispielsweise Platin bei momentanen Sperrschichten ersetzen kann, was zu großen Kosteneinsparungen führt. Obwohl die Grenzschichten aus Titan-Wolfram nicht selbst die Sperrschichten in Bezug auf das Wandern von Silber bilden, stellen sie Haftschichten zum einfacheren und funktionsgerechteren Einbauen in Bauteilkonstruktionen zur Verfügung.
Die Erfindung umfasst weiterhin das Verfahren zur Ausbildung der Lichtemitterdiodenanordnung. Speziell umfasst das Verfahren einen ersten Schritt der Ablagerung einer Schicht aus Titan-Wolfram auf der Diodenvorläuferanordnung (welche die aktive Anordnung enthält, die hier in Bezug auf die Epitaxieschichten 11 und 12 geschildert wurde), bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der Lichtemitterdiode stören könnte.
Ein zweiter Schritt umfasst die Ablagerung einer Schicht aus Titan-Wolframnitrid auf der ersten Titan-Wolframschicht, ebenfalls bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der Lichtemitterdiode stören könnte. Ein dritter Schritt umfasst die Ablagerung einer zweiten Schicht aus Titan-Wolfram auf der Titan-Wolframnitridschicht, und erneutes Durchführen des Ablagerungsschrittes bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der Lichtemitterdiode stören könnte.
Bei beispielhaften Ausführungsformen werden die Schichten aus TiW und TiWN dadurch abgelagert, dass gesputtert wird. Die Art und Weise, das Prinzip und die speziellen Schritte der Sputter-Ablagerung sind auf diesem Gebiet wohlbekannt, und werden nicht im Einzelnen geschildert. Normalerweise wird eine relativ hohe Spannung über einem Gas auf niedrigem Druck angelegt, beispielsweise Argon (Ar) mit beispielsweise 5 MilliTorr, zur Erzeugung eines Plasmas. Während des Sputterns stoßen die mit Energie versorgten Plasmaatome gegen ein Target an, das aus dem gewünschten Beschichtungsmaterial besteht, und führen dazu, dass Atome von diesem Target mit ausreichender Energie abgegeben werden, um sich zum gewünschten Substrat zu bewegen und sich mit diesem zu verbinden.
Momentan, und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, setzt ein bevorzugtes Sputterverfahren gepulste indirekte Gleichstromleistung (DC) ein. Der Einsatz gepulster DC-Energie (im Vergleich zu durchgehender DC-Energie oder Radiofrequenzenergie) zur Dünnfilmablagerung bei der Halbleiterherstellung ist auf diesem Gebiet wohlbekannt. Nützliche Erläuterungen finden sich in verschiedenen Quellen, beispielsweise Belkin et al, Single-Megatron Approach Reactive Sputtering of Dielectrics, Vacuum Technology & Coating, September 2000, oder bei Magnetron- und Stromversorgungsherstellung, beispielsweise Advanced Energy Industries, Inc. aus Fort Collins, Colorado 80525 USA (www.advanced-energy.com) oder Angstrom Sciences, Inc. Duquesne Pennsylvania 15110 USA (www.angstromsciences.com).
Wie in diesen Quellen beschrieben, und auf diesem Gebiet bekannt, können Vorgehensweisen mit Sputtern bei gepulster Gleichspannung als Kaltimpulsübertragungsvorgänge durchgeführt werden, und daher die Auswirkungen einer hohen Temperatur auf das Substrat oder die Beschichtung verhindern, wobei derartig hohe Temperaturen durch andere Arten des Sputterns hervorgerufen werden können. Darüber hinaus kann das Sputtern mit gepulster Gleichspannung dazu eingesetzt werden, entweder leitfähige oder isolierende Materialien auf viele verschiedene Substrate aufzubringen, einschließlich Metallen, Halbleitern, Keramiken, und sogar wärmeempfindliche Polymere.
Im Einzelnen wird die Schicht aus Titan-Wolframnitrid (TiWN) durch reaktives Ionensputtern unter Verwendung des Verfahrens mit gepulster Gleichspannung erzeugt. Reaktives Ionensputtern umfasst ein Ablagerungsquellenmaterial in dem Plasmagas. Daher wird die Titan-Wolframnitridschicht durch Sputtern von Titan und Wolfram von jeweiligen Feststoffquellen bei Vorhandensein von sowohl Argon- als auch Stickstoffgas ausgebildet.
Im Einzelnen werden die jeweiligen Ablagerungsschritte unterhalb der Dissoziationstemperatur der Halbleiter durchgeführt, welche die Epitaxieschichten bilden. Weiterhin sollten die Ablagerungsschritte unterhalb jener Temperaturen durchgeführt werden, die unerwünschte Nebeneffekte fördern, beispielsweise Wandern von Dotierstoffen in den aktiven Schichten, oder Aktivierung von Elementen, Zuständen, oder Fehlern in den Epitaxieschichten, die sämtlich das elektronische Verhalten der aktiven Anordnung beeinflussen können, oder physikalisch das Aussenden von Licht von der sich ergebenden Diode stören könnten.
Da Galliumnitrid zur Dissoziation oberhalb von Temperaturen von etwa 600 °C neigt (abhängig von den Umgebungsbedingungen), sollte eine Durchführung der Ablagerungsschritte unterhalb dieser Temperatur erfolgen, und bevorzugt unterhalb von etwa 500 °C.
Die exakte Durchführung des Sputter-Ablagerungsvorgangs, um diese Anforderungen zu erfüllen, ist auf diesem Gebiet gut verstanden. Einige der relevanten Parameter umfassen die Target-Leistungsdichte, den an die Elektromagneten in dem Ablagerungssystem angelegten Strom, die Flussrate und den Partialdruck von Argon (und, falls erforderlich, Stickstoff), die Ablagerungstemperatur, und die Drehung des Substrats. Fachleute auf diesem Gebiet wissen, dass die exakte Einstellung jedes dieser Parameter sich von System zu System unterscheiden kann, jedoch die Ablagerung ohne zu viele Versuche durchgeführt werden kann.
Die Sputter-Ablagerung wird typischerweise unter Verwendung eines Titan-Wolframlegierungstargets durchgeführt, und von Stickstoff in der Argonatmosphäre für die Titan-Wolframnitridschicht. Die Zusammensetzung der sich ergebenden Beschichtungen lässt sich ausdrücken als Ti_xW_y oder als Ti_xW_yN_z. Bei den TiW-Schichten liegt X zwischen etwa 0,6 und 0,7 (60 bzw. 70 Mol-%), wobei Y den Rest darstellt. Für Titan-Wolframnitrid beträgt X etwa 0,3 und 0,45, Y etwa 0,3 bis 0,4, und Z etwa 0,25 bis 0,3.
Die Qualität der sich ergebenden Schichten, ausgedrückt in Bezug auf das Fehlen einer Wanderung des Silbers, kann unter Verwendung der folgenden Vorgehensweisen festgestellt werden.
Versuchsergebnisse

Die Titan-Wolframnitridschichten wurden auf folgende Art und Weise hergestellt. Zwei Hebe-Monitore für 3 Zoll wurden in zwei Reihen auf einer Palette von SEGI angeordnet. Zwei thermisch oxidierte Wafer von 3 Zoll wurden in zwei Reihen auf der Palette von SEGI angeordnet. Zwei doppelseitig polierte dünne Siliziumwafer von 3 Zoll wurden in zwei Reihen auf einer Palette von SEGI angeordnet. Der innere Waferrand sämtlicher Wafer befand sich 0,5 Zoll entfernt von dem inneren Rand der Palette. Die Titan-Wolframnitridlegierung wurde durch Sputtern abgelagert, unter Einsatz von Gleichspannung, in zehn Versuchen, wie in Tabelle 1 angegeben. Die Dicke wurde von dem Anhebe-Monitor unter Verwendung von P10 gemessen. Der Flächenwiderstand wurde unter Verwendung einer Sonde mit vier Punkten bei Thermooxidmonitoren gemessen. Die mechanische Spannung wurde aus Biegemessungen vorher und hinterher an entgegengesetzten Seiten des Films auf dem dünnen Siliziumwafer berechnet. Der Volumenwiderstand wurde aus Dicken- und Flächenwiderstandsmessungen berechnet. Tabelle 1

Versuch	Druck (mT)	N₂ (sccm)	Ablagerungs-Rate (Å/min)	Flächenwiderstand (uΩ-cm)	Gleichförmigkeit (%)	Spannung (Mpa) in der inneren Reihe	Spannung (Mpa) in der äußeren Reihe
1	6	4	100,7	181,502	7,045	832,001	-766,9439
2	8	8	97,9	254,605	15,495	-235,2911	-349,7162
3	8	6	97,5	221,6175	10,255	-743,4949	-812,4766
4	10	4	96,6	229,695	7,995	-1364,728	-1244,705
5	6	8	111,8	220,4367	8,34	-284,6722	-402,3374
6	8	4	96,6	203,6591	6,775	-1201,083	-1116,352
7	10	8	93.4	287,4503	18,145	-330,6076	-405,7451
8	8	6	96,4	220,5251	10,875	-811,4779	-774,976
9	10	6	89,5	236,368	12,205	-805,2909	-779,5354
10	6	6	100,0	188,2784	6,94	-664,5228	-583,2757

Tabelle 2 gibt Ellipsometermessungen an, die zur Bewertung der sich ergebenden Anordnungen verwendet wurden. Die Winkelmessung erfolgte mit einem Gaertner-Ellipsometer (Gaertner Scientific, Skokie, IL 60076, USA) und ergab, dass die TiWN-Schicht eine feste Sperrschicht gegenüber einer Diffusion von Au/Ag darstellt. Wie Tabelle 2 zeigt, blieben ψ und Δ im Wesentlichen nach der Wärmebehandlung gleich. Die Wafer wurden dann in einen Vakuumofen bei 350 °C verbracht, und Au wurde durch Ellipsometerspektren beurteilt. Tabelle 2

Versuch	Wie abgelagert	350 °C; 1 Stunde		350 °C; 4 Stunden
	ψ	Δ	ψ	Δ	ψ	Δ
1	43,14	109,32	43,24	109,92	43,18	109,56
2	43,1	109,28	43,2	109,67	43,18	109,52
3	43,15	109,53	43,22	109,75	43,22	109,62
4	43,14	109,61	43,22	110,13	43,18	110
5	43,19	109,22	43,22	109,87	43,19	109,66
6	43,19	109,44	43,22	110,18	43,17	110,95
7	43,12	109,19	43,21	109,72	43,19	109,57
8	43,13	109,53	43,13	109,95	43,16	109,81
9	43,12	109,39	43,17	109,88	43,15	109,72
10	43,14	109,24	43,18	109,77	43,16	109,98

Es wurde keine Wechselwirkung zwischen TiWN und Au bei irgendeinem der Wafer festgestellt.
In den Zeichnungen und der voranstehenden Beschreibung wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, und es wurden zwar bestimmte Begriffe benutzt, jedoch sind diese nur allgemein und als beschreibend zu verstehen, und sollen die Erfindung nicht einschränken, wobei der Umfang der Erfindung durch die Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen festgelegt wird, und von den beigefügten Patentansprüchen umfasst sein soll.

Claims

Lichtemitterdiode, bei welcher vorgesehen sind: jeweilige Halbleiter-Epitaxieschichten des p-Typs und des n-Typs zur Erzeugung von Rekombinationen und Photonen bei einem angelegten Strom; eine reflektierende Metallschicht, in der Nähe zumindest einer der Epitaxieschichten, zur Erhöhung der Lichtabgabe in einer gewünschten Richtung; eine erste Schicht aus Wolfram-Titan auf der reflektierenden Metallschicht; eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid auf der ersten Titan-Wolframschicht; und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram auf der Wolfram-Titannitridschicht gegenüberliegend der ersten Titan-Wolframschicht.
Lichtemitterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus reflektierendem Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Gold, Silber, Aluminium, und Kombinationen hieraus.
Lichtemitterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der titanhaltigen Schichten dazu ausreicht, Wandern oder Diffusion des reflektierenden Metalls in den Rest der Diode zu verhindern, aber kleiner ist als jene Dicke, bei welcher die sich ergebende, mechanische Spannung eine Delaminierung und ähnliche konstruktive Probleme in der titanhaltigen Schicht fördert.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Titan-Wolframschicht eine Dicke von etwa 1000 Angström aufweisen, und die Titan-Wolframnitridschicht eine Dicke von etwa 2000 Angström aufweist.
Lichtemitterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Epitaxieschichten Nitride der Gruppe III aufweisen.
Lichtemitterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitersubstrat auf den Epitaxieschichten vorgesehen ist, entgegengesetzt zur reflektierenden Metallschicht, so dass die reflektierende Metallschicht die Lichtabgabe zu dem Substrat erhöht.
Lichtemitterdiodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Siliziumkarbid aufweist.
Verfahren zum Verhindern von Wandern von reflektierenden Metallen in Lichtemitterdiodenanordnungen, wobei das Verfahren umfasst: Ablagerung einer ersten Schicht aus Titan-Wolfram auf einer Schicht eines reflektierenden Metalls, die Teil einer aktiven Lichtemitteranordnung ist, welche Halbleiter-Epitaxieschichten aufweist, und bei einer Ablagerungstemperatur, die unterhalb jener Temperatur liegt, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung stören könnte; Ablagern einer Schicht aus Titan-Wolframnitrid auf der ersten Titan-Wolframschicht bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung beeinträchtigen würde; und Ablagern einer zweiten Schicht aus Titan-Wolfram auf der Titan-Wolframnitridschicht bei einer Temperatur unterhalb jener Temperatur, die anderenfalls den Aufbau oder die Funktionsweise der aktiven Lichtemitteranordnung stören könnte.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der jeweiligen Ablagerungsschritte unterhalb der Dissoziierungstemperatur des Halbleiters durchgeführt wird, welcher die Epitaxieschichten bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Ablagern der jeweiligen Schichten auf einem Reflektormetall, welches Teil einer aktiven Lichtemitteranordnung ist, welche Epitaxieschichten mit Nitriden der Gruppe III aufweist; und Durchführung der jeweiligen Ablagerungsschritte unterhalb der Ablagerungstemperatur der Verbindungen der Nitride der Gruppe III in den Epitaxieschichten.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ablagerungsschritte bei einer Temperatur durchgeführt werden, die ein Wandern von Dotiermitteln oder eine unerwünschte Aktivierung von Elementen, von Zuständen oder Fehlern innerhalb der Epitaxieschichten verhindert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ablagerungsschritte bei Temperaturen unterhalb von 500 °C durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Titan-Wolframschicht durch Sputter-Ablagerung mit gepulster Gleichspannung abgelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerung der Titan-Wolframnitridschicht durch reaktives Sputtern mit gepulster Gleichspannung erfolgt.
Lichtemitterdiode, bei welcher vorgesehen sind: ein Leitungsmuster; eine aktive Anordnung in elektrischem Kontakt mit dem Leitungsmuster; eine Schicht aus reflektierendem Metall zwischen dem Leitungsmuster und der aktiven Anordnung zum Richten ausgesandten Lichts weg von dem Leitungsmuster; eine Sperrschichtanordnung zum Verhindern, dass das Metall in der reflektierenden Schicht innerhalb der Lichtemitterdiode wandert, wobei die Sperrschichtanordnung eine erste Schicht aus Titan-Wolfram aufweist, welche die Schicht aus reflektierendem Metall abdeckt, eine Schicht aus Titan-Wolframnitrid, welche die erste Titan-Wolframschicht abdeckt, und eine zweite Schicht aus Titan-Wolfram, welche die Titan-Wolframnitridschicht abdeckt; und ein ohmscher Kontakt in elektrischer Verbindung mit der aktiven Anordnung gegenüberliegend dem Leitungsmuster.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Anordnung mit Nitrid der Gruppe III vorhanden ist.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtdurchlässiges Substrat zwischen der aktiven Schichtanordnung und dem ohmschen Kontakt vorhanden ist (Flip-Chip-Ausrichtung).
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen zweiten ohmschen Kontakt auf dem Leitungsmuster.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Metallschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Gold, Silber, Aluminium, und Kombinationen hieraus.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktschicht unmittelbar zwischen der reflektierenden Metallschicht und der aktiven Anordnung vorgesehen ist, um den Fluss von Strom durch die Diode zu verbessern.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktschicht Platin aufweist, und die reflektierende Metallschicht Silber aufweist.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Titan-Wolframschicht im Wesentlichen die gesamte reflektierende Metallschicht mit Ausnahme der Oberfläche der reflektierenden Metallschicht abdeckt, welche der aktiven Anordnung zugewandt ist.
Lichtemitterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lotschicht und eine Untermontageanordnung zwischen der zweiten Titan-Wolframschicht und dem zweiten ohmschen Kontakt vorhanden sind.