DE102007062046A1 - Lichtemittierende Bauelementeanordnung, lichtemittierendes Bauelementes sowie Verfahren zum Herstellen einer Bauelementeanordnung - Google Patents

Lichtemittierende Bauelementeanordnung, lichtemittierendes Bauelementes sowie Verfahren zum Herstellen einer Bauelementeanordnung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bauelements vorgeschlagen, welches ein Bereitstellen eines Substratwafers sowie ein Erzeugen einer Schichtenfolge mit einer zur Lichterzeugung geeigneten aktiven Schicht auf dem Substratwafer umfasst. Sodann werden Anschlusskontakte an die aktive Schicht auf einer einer Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Seite ausgebildet. Auf der gegenüberliegenden Seite wird zudem ein Hilfsträger aufgebracht, der eine Anzahl von in einer Matrix eingearbeiteten Kontaktlöcher zur Kontaktierung der Anschlusskontakte enthält. Sodann wird der Substratwafer von der Schichtenfolge abgelöst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Bauelementeanordnung, ein einzelnes Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bauelementeanordnung.
  • Bei der Herstellung von Leuchtdioden, oder im Allgemeinen lichtemittierenden Bauelementen werden diese oftmals auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt, anschließend vereinzelt und gegebenenfalls weiter prozessiert. Gerade im Bereich von Dünnschichtleuchtdioden ist eine ausreichende Stabilität bei der Prozessierung erforderlich, um die Funktionalität einzelner Bauelemente zu erhalten.
  • Es besteht daher das Bedürfnis, ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Bauelementeanordnung anzugeben, welches sich unter anderem durch möglichst viele gemeinsame Prozessschritte auszeichnet. Weiterhin soll eine lichtemittierende Bauelementeanordnung angegeben werden, die während einer Prozessierung eine ausreichende Stabilität der einzelnen Bauelemente gewährleistet.
  • Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine lichtemittierende Bauelementeanordnung umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Vielzahl lichtemittierender Bauelemente mit jeweils einer epitaktisch gewachsenen Schichtenfol ge, die eine zur Lichterzeugung aktive Schicht sowie eine Hauptabstrahlfläche aufweisen.
  • Die zur Lichterzeugung geeignete aktive Schicht kann einen pn-Übergang aufweisen, eine Doppelheterostruktur, einen Einfachquantentopf oder auch eine Mehrfachquantentopfstruktur. Die Bezeichnung "Quantentopfstruktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Beispielsweise kann sie nulldimensionale Strukturen wie Quantenpunkte oder Quantentröge, auch Q-Punkt oder 0-D Struktur genannt, eindimensionale Strukturen wie Quantendrähte aber auch zweidimensionale Strukturen wie Quantentöpfe oder Quantenwells aufweisen. Beispiele für Mehrfachquantentopfstrukturen sind in den Druckschriften WO 01/39282 , US 5,831,277 , US 6,127,382 und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Die lichtemittierende Bauelementeanordnung umfasst weiterhin eine Vielzahl von Kontaktelementen die auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet sind. Diese kann als Rückseite bezeichnet werden, sofern die Hauptabstrahlfläche eine Vorderseite der lichtemittierenden Bauelementeanordnung bildet. Die Vielzahl von Kontaktelementen kontaktieren jeweils die aktive Schicht eines der Vielzahl der lichtemittierenden Bauelemente elektrisch. Weiterhin können sie mittels einer Trennschicht elektrisch gegeneinander isoliert sein.
  • Schließlich ist ein Hilfsträgerelement vorgesehen, welches auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist und ein Matrixmaterial umfasst, in dem eine Vielzahl mit einem elektrisch leitenden Material gefüllte Kontaktlöcher angeordnet sind, welche die Vielzahl von Kontaktelementen kontaktieren.
  • Mit dieser Ausgestaltung der lichtemittierenden Bauelementeanordnung vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat ist eine stabile Struktur für eine weitere Prozessierung geschaffen. Gleichzeitig erfolgt eine Kontaktierung der aktiven Schicht von der Rückseite beziehungsweise der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche her, so dass die Hauptabstrahlfläche weitestgehend frei bleibt und somit eine größtmögliche Lichtemission über die Hauptabstrahlfläche gewährleistet ist.
  • Die lichtemittierende Bauelementeanordnung kann auf diese Weise besonders einfach weiter prozessiert und die Vielzahl lichtemittierender Bauelemente in der Anordnung anschließend vereinzelt werden. Gemeinsame Prozessierung der Vielzahl auf dem Wafer angeordneter Bauelemente verbessern die Ausbeute und die Funktionalität der einzelnen Bauelemente. Hierzu gewährt das Hilfsträgerelement eine ausreichende Stabilisierung. Eine Vereinzelung kann nach Abschluss aller gemeinsam ausführbaren Prozessschritte erfolgen.
  • Die Kontaktelemente auf der der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche können beispielsweise aus Metall gebildet sein. Entsprechend kann das elektrisch leitende Material in den gefüllten Kontaktlöchern des Hilfsträgerelements ebenfalls ein Metall oder ein leitendes Halbleitermaterial wie beispielsweise Polysilizium sein.
  • In einer anderen Ausgestaltung ist die Vielzahl lichtemittierender Bauelemente mit der Hauptabstrahlfläche auf einem ablösbaren Substratwafer aufgebracht. Dieser Substratwafer kann beispielsweise transparent sein und zur anfänglichen Prozessierung und Erzeugung der Vielzahl lichtemittierender Bauele mente verwendet werden. Im Besonderen ist somit eine gemeinsame Prozessierung im Waferverbund möglich, wobei auch der Hilfsträger in Form eines Wafers ausgebildet sein kann. Zwischen dem Hilfsträger und der gegenüberliegenden Fläche der Vielzahl lichtemittierender Bauelemente kann eine zusätzliche Planarisierungsschicht angeordnet sein, um eine im Wesentlichen glatte Oberfläche zu erzeugen. Dadurch wird bei einer späteren Prozessierung die Stabilität der Anordnung verbessert und mechanische Spannungen verringert. Insbesondere kann bei einem ablösbaren Substratwafer die Wahrscheinlichkeit für Beschädigungen oder Zerstörungen einzelner Bauelemente während eines Ablösevorgangs des Substratwafers von der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge verbessert werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Vielzahl lichtemittierender Bauelemente einen Dünnfilmleuchtdiodenchip bilden. Dieser kann an seiner Vorderseite, welcher der Hauptabstrahlfläche entspricht, ein Trägersubstrat in Form eines Wafers aufweisen. Auf der der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Seite ist das Hilfsträgerelement angeordnet.
  • Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:
    • – an einer zu einem Trägersubstrat hingewandten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Halbleiterschichtenfolge, bei der es sich insbesondere um eine strahlungserzeugende Epitaxie-Schichtenfolge handelt, ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
    • – der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Hilfsträgerelement auf, bei dem es sich nicht um das Wachstumssubstrat handelt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch ge wachsen wurde sondern um ein separates Trägerelement, welches nachträglich an der gewachsenen Halbleiterschichtenfolge befestigt wird;
    • – die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von zwanzig Mikrometer oder weniger, insbesondere im Bereich von zehn Mikrometer auf;
    • – die Halbleiterschichtenfolge ist frei von einem Aufwachssubstrat. Hierbei bedeutet "frei von einem Aufwachssubstrat" das ein gegebenenfalls zum Aufwachsen benutztes Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark gedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines Aufwachssubstrats ungeeignet; und
    • – die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, welche im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Halbleiterschichtenfolge führt. Sie weist damit ein möglichst ergodisch stöchiastisches Streuverhalten auf.
  • Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al. Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Weitere Beispiele für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips finden sich in den Druckschriften EP 0905797 und WO 02/13281 , deren entsprechenden diesbezüglichen Offenbarungsgehalt hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambertscher Oberflächenstrahler und ist demzufolge gut für Anwendungen in Scheinwerfern geeignet. Auch andere Leuchtanwendungen sind mit einem derartigen Strahler sehr gut realisierbar.
  • In einer Ausgestaltung der Bauelementeanordnung weist diese auf der gegenüberliegenden Fläche eine zumindest teilweise verspiegelte Schicht auf. Ein Brechungsindex dieser Spiegelschicht weist von dem Brechungsindex einer Schicht der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge ab, die der Spiegelschicht in Richtung zur Hauptabstrahlfläche nachfolgt und insbesondere an diese angrenzt. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Brechungsindex um den Wert 1 oder mehr abweichen. Die Spiegelschicht kann beispielsweise ein Metall enthalten aber auch ein Dielektrikum wie beispielsweise SiO2.
  • In einer Ausgestaltung kann die Spiegelschicht halbleitend oder elektrisch isolierend sein und einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR, Distributed Bragg Reflector) enthalten. Dieser kann mindestens ein Schichtenpaar mit alternierend hohem oder niedrigem Brechungsindex aufweisen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann es zweckmäßig sein, die Kontaktelemente ebenfalls mit gespiegelten Flächen auszuführen. Zwischen den Kontaktelementen können isoliert ebenfalls verspiegelte Flächen vorgesehen sein, so dass die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegende Fläche einen verspiegelten Teilbereich von mehr als 50% der gesamten Fläche aufweist. In einer Variante kann die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche im Wesentlichen vollständig verspiegelt sein, wobei eine Mehrzahl von isolierten Öffnungen vorgesehen sein können, welche die Kontaktelemente zum Anschluss an die aktive Schicht bilden.
  • Die Spiegelschicht weist beispielsweise aufgrund der Änderung des Brechungsindex einen besonders hohen Reflektionskoeffizienten auf, so dass sie in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung besonders effizient in Richtung der Hauptabstrahlfläche reflektiert. Durch die Kontaktelemente, die durch die Spiegelschicht hindurchragen und gleichzeitig von dieser elektrisch isoliert sind kann ein Betriebsstrom besonders homogen in die aktive Schicht der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge eingeprägt werden. Damit wird eine möglichst homogene Lichterzeugung erreicht.
  • In weiteren Ausgestaltungen können die Kontaktelemente mehrere Anschlussschichten aufweisen, die beispielsweise eine Reflektorschicht und/oder eine Stromverteilungsschicht bilden. Zur besseren elektrischen Kontaktierung kann zusätzlich für die Kontaktelemente eine Stromaufweitungsschicht vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid enthalten (TCO, Transparent Conducting Oxid). Mittels der Stromaufweitungsschicht wird die Homogenität der Stromeinprägung in die aktive Schicht weiter verbessert. Durch die Transparenz kann zudem auch in Richtung der Hauptabstrahlfläche ein Strom in die aktive Schicht eingeprägt werden, ohne die Lichtausbeute zu verringern.
  • Das Material für die Kontaktlöcher beziehungsweise auch die Kontaktelemente kann beispielsweise Platin oder Titan enthalten, Silber bei gleichzeitiger Verwendung als Spiegel oder auch Gold mit besonders guter Leitfähigkeit. Weitere Materialien, insbesondere für die Ausfüllung der Kontaktlöcher, auch der Löcher in dem Hilfsträger sind Kupfer, Wolfram, Aluminium oder Polysilizium.
  • Zur weiteren Stabilisierung kann auf dem Hilfsträgerelement zusätzlich eine Schicht ausgebildet sein, die das Matrixmaterial sowie die mit dem Material gefüllten Kontaktlöcher bedeckt. Zumindest einige der Kontaktlöcher in dem Hilfsträger können eine bezüglich einer senkrecht gegenüberliegenden Fläche verlaufenden Achse abgeschrägte Seite aufweisen. Sie können auch rotationsasymmetrisch ausgeführt sein, so dass sie bei einer Vereinzelung der Bauelementeanordnung in einzelne lichtemittierende Bauelemente an einer von der Rückseite verschiedenen Seite freiliegend sind. Der freiliegende elektrisch leitende Bereich, als Stirnseite bezeichnet, kann als Anschlussstelle dienen, so dass ein einzelnes lichtemittierendes Bauelement seitlich stehend weiter verarbeitend werden kann. Dies ermöglicht eine Reduktion der effektiven Bauhöhe, so dass insbesondere eine effiziente Einkopplung abstrakten Lichts in dünne Wellenleiter möglich ist.
  • Im Besonderen können beide Kontaktlöcher die zu den Kontaktelementen für die Kontaktierung der aktiven Schicht führen eine nach einem Chiptrennprozess auf eine der Stirnflächen freiliegende Fläche enthalten. Eine seitliche Bauform und Installation im rechten Winkel zur Hauptabstrahlfläche wird dadurch möglich.
  • In einer Ausgestaltung weist ein derartiges lichtemittierendes Bauelement eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge auf, die eine zur Erzeugung von Licht geeignete aktive Schicht sowie eine Hauptabstrahlfläche enthält. Erste und zweite Kontaktelemente sind jeweils auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet und kon taktieren die aktive Schicht elektrisch. Ein Träger, der auf der gegenüberliegenden Fläche aufgebracht ist, umfasst ein Matrixmaterial, in dem zumindest zwei mit einem elektrisch leitenden Material gefüllte Kontaktlöcher vorgesehen sind. Diese kontaktieren das erste und zweite Kontaktelement. Entsprechend weisen die Kontaktlöcher einen äußeren Anschluss zur Stromzuführung auf, der im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptabstrahlfläche liegt. Diese Ausführung erlaubt eine besonders niedrige Bauhöhe und eine Lichterzeugung und Abstrahlung im Wesentlichen senkrecht zu den äußeren Anschlüssen und damit einer Installation des Bauelements. Die Kontaktlöcher können dabei eine wenigstens teilweise abgeschrägte Seitenfläche enthalten, wobei ein Teil dieser Seitenfläche den äußeren Anschluss bildet.
  • In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bauelements werden unter anderem durchgeführt.
    • – Bereitstellen eines Substratwafers;
    • – Erzeugen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer zur Lichterzeugung geeigneten aktiven Schicht auf dem Substratwafer;
    • – Ausbilden von Anschlusskontakten an die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge auf einer einer Hauptanstrahlfläche gegenüberliegenden Seite;
    • – Aufbringen eines Hilfsträgers auf der gegenüberliegenden Seite, der Hilfsträger aufweisend eine Anzahl von Durchkontaktierungen zur Kontaktierung der Anschlusskontakte. Diese können in einer Matrixschicht eingearbeitet sein und elektrisch leiten. Und schließlich
    • – Ablösen des Substratwafers von der Halbleiterschichtenfolge.
  • Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird somit eine Vielzahl lichtemittierender Bauelemente gemeinsam auf einem Substratwafer hergestellt. Auch der Hilfsträger, welcher mit Durchgangskontakten das heißt elektrisch leitenden Bahnen verschiedenster Form versehen ist wird im Waferverbund aufgebracht. Anschließend kann der Substratwafer von der Schichtenfolge das heißt von der Vielzahl der lichtemittierenden Bauelemente gemeinsam abgelöst werden.
  • Es erfolgt keine Vereinzelung der Bauelemente vor dem Ablösen des Substratwafers. Vielmehr kann eine Prozessierung nach Ablösen des Substratwafers mit der Vielzahl der lichtemittierenden Bauelemente gemeinsam vorgenommen werden. Dadurch wird die Ausbeute bei der Herstellung lichtemittierender Bauelemente erhöht. Gleichzeitig kann der Hilfsträger hinsichtlich seiner Ausdehnung einer Ausdehnung des Substratwafers entsprechen. Dennoch bleibt eine ausreichende Stabilität während des Ablösens und der weiteren Prozessierungen erhalten.
  • Der Hilfsträger hat darüber hinaus den Vorteil, dass er bei Verwendung geeigneter Materialien zusätzlich als Wärmeableiter in einem Betrieb einzelner Bauelemente dient.
  • Bei dem Substratwafer kann es sich um einen transparenten Substratwafer, beispielsweise um einen Glassubstratwafer, einen Saphirsubstratwafer, aber auch um einen nichttransparenten Wafer handeln. Es kann auch ein Substratwafer aus Siliziumcarbid (SIC) sein, dessen Transparenz von einer Dotierung abhängt. Vor dem Erzeugen der eigentlichen Halbleiterschichtenfolge mit der geeigneten aktiven Schicht kann zusätzlich zwischen dem Substratwafer und den später aufzubringenden Schichten der Halbleiterschichtenfolge eine Zwischenschicht vorgesehen sein. Diese kann dazu dienen, den späteren Ablöse vorgang des Substratwafers zu vereinfachen. Die einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge können in einer Ausgestaltung der Erfindung epitaktisch aufgewachsen werden. Unter anderem bietet es sich an für die aktive Schicht wenigstens zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten zu verwenden. Beispielweise kann eine n-dotierte Schicht gefolgt von einer p-dotierten Schicht aufgewachsen werden. Die einzelnen Halbleiterschichten können strukturiert werden, um beispielsweise eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen. Eine elektrische Kontaktierung kann wiederum durch Aufbringen von Metall oder anderen elektrisch leitendem Material erfolgen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird auf der Halbleiterschichtenfolge zusätzlich eine Spiegelschicht aufgebracht. Diese kann strukturiert werden, um eine Kontaktierung zu der aktiven Schicht zu ermöglichen. Ebenso ist es zweckmäßig, abschließend vor dem Aufbringen des Hilfsträgers die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegende Fläche zu planarisieren. Dies kann beispielsweise durch ein flüssiges Epoxidharz erfolgen, welches anschließend aushärtet und dabei die gegenüberliegende Fläche planarisiert. Gegebenenfalls ist es zudem möglich, teilweise die Planarisierungsschicht zu entfernen, bis die elektrischen Kontakte freiliegen.
  • Der Hilfsträger kann einerseits separat hergestellt und anschließend auf die gewachsene Schichtenfolge aufgebracht und mit dieser befestigt werden. Beispielsweise kann der Hilfsträger in Form eines Trägersubstrats mit einer Matrixschicht bereitgestellt werden und darin mehrere Durchkontaktierungen in Teilbereichen vorgesehen werden. Die Durchkontaktierungen sind so gewählt, dass sie nach einem Befestigen des Trägersubstrats an der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge eine Kontaktierung der Anschlusskontakte der Schichtenfolge ermöglichen. Die Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat des Hilfsträgers können nach der Befestigung des Trägersubstrats an der Schichtenfolge aber auch bereits vorher mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt sein.
  • Zu Befestigung kann es hier sinnvoll sein, eventuell vorhandene nicht gewünschte Hohlräume zwischen dem Trägersubstrat und der prozessierten Halbleiteroberfläche durch Aufbringen eines zusätzlichen Underfills zu schließen. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von Druckzyklen, in denen der Underfill eingebracht wird, bei gleichzeitiger leichter Erwärmung erfolgen.
  • Andererseits kann nach einer Herstellung der Halbleiterschichtenfolge und dem Ausbilden der Kontakte eine Matrixschicht auf die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Seite aufgebracht werden. Anschließend werden durch Strukturierung Durchkontaktierungen durch die Matrixschicht ausgebildet, um darunter liegende Anschlusskontakte freizulegen. In den Durchkontaktierungen kann galvanisch oder auf andere Weise ein elektrisch leitendes Material abgeschieden werden, um elektrische Anschlüsse an die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge zu implementieren. Die strukturierte Matrixschicht bildet somit den Hilfsträger oder einen Teil hiervon.
  • Die Matrixschicht kann unter anderem ein Metall oder eine elektrisch leitende Spiegelschicht aufweisen. In dieser Ausgestaltung können die Durchkontaktierungen zusätzlich mit einer Isolationsschicht auf den Seitenwänden versehen sein, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Derartige Ausgestaltungen sind auch vor einem Befestigen des Trägersub strats mit der Matrixschicht an die Halbleiterschichtenfolge möglich.
  • Die Durchkontaktierungen können einen sich über die Dicke der Matrixschicht ändernden Querschnitt aufweisen. Nach einem vereinzeln des Hilfsträgers, wodurch einzelne lichtemittierende Bauelemente erzeugt werden, können Teilbereich der Durchkontaktierungen insbesondere auf einer der Stirnflächen freigelegt werde. Diese freigelegten Flächen können im Wesentlichen nicht parallel zu der Hauptabstrahlfläche liegen. Dadurch wird eine seitliche Bauform eines lichtemittierenden Bauelementes möglich.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine Bauelementeanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 2 einen Querschnitt durch eine Bauelementeanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 eine Draufsicht auf die Rückseite einer Bauelementeanordnung gemäß einer Ausführungsform,
  • 4 einen Querschnitt einer Bauelementeanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
  • 5 ein einzelnes lichtemittierendes Bauelement in einer seitlichen Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 6A bis 6D schematische Querschnitte durch eine lichtemittierende Bauelementeanordnung in verschiedenen Stadien eines Verfahrens zur Herstellung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 7A, 7B schematische Querschnitte durch eine Bauelementeanordnung in weiteren Stadien des Verfahrens zur Herstellung,
  • 8A, 8B schematische Querschnitte durch die lichtemittierende Bauelementeanordnung in verschiednen Stadien des Verfahrens gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse insbesondere auch die Größenverhältnisse einzelner Schichten zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht zu betrachten. Vielmehr dienen sie zur Verdeutlichung der einzelnen Aspekte der Erfindung und können insbesondere zum besseren Verständnis oder besseren Darstellbarkeit übertrieben groß beziehungsweise dick dargestellt werden.
  • 1 zeigt eine lichtemittierende Bauelementeanordnung 10 die in einem Waferverbund hergestellt wurde. Die Bauelementeanordnung 10 kann in weiteren Prozessschritten entlang der möglichen Schnittflächen 19 vereinzelt werden, so dass eine Vielzahl einzelner lichtemittierender Bauelemente mit Anschlusskontakten bereitgestellt wird.
  • Die Bauelementeanordnung umfasst einen Substratträger 11, auf den die einzelnen Bauelemente prozessiert werden. Der Substratträger 11 ist ein Wafer und kann beispielsweise als Saphirwafer, oder auch Siliziumcarbidwafer bereitgestellt werden. Auf diesen werden dann in mehreren Prozessschritten Halbleiterschichten aufgebracht, die zum Teil unterschiedlich dotiert sind. An der Grenzfläche unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten bildet sich beispielsweise ein so genannter pn-Übergang aus, in dem Löcher und Elektronen rekombinieren und dabei Licht erzeugen. Die unterschiedlichen Halbleiterschichten sind zudem strukturiert, um einen elektrisch leitenden Anschluss an den pn-Übergang zu ermöglichen. Der Übersichtlichkeit halber ist hier von einer genauen Darstellung des pn-Übergang abgesehen. Grundsätzlich aber eignen sich die oben erwähnten niedrig-dimensionalen Strukturen ebenso.
  • Zur Lichterzeugung geeigneter Halbleiterschichten basieren beispielsweise auf einem III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial oder auf einem II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial.
  • Eine III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, die beispielsweise Al, Ga, In und ein Element aus der fünften Hauptgruppe die beispielsweise B, N, P, As auf. Insbesondere umfasst der Begriff „III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten. Dies können insbesondere Nitrit- und Phosphid-Verbindungshalbleiter sein. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Zu den III/V-Verbindungs-Halbleitermaterialien gehören beispielsweise Nitrit-III-Verbindungs-Halbleitermaterialien und Phosphid-III-Verbindungs-Halbleitermaterialien wie etwa GaN, GaAs und In-GaAlp.
  • Entsprechend weist ein II/V-Verbindungs-Halbleitermaterial wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, beispielsweise Be, Mg, Ca, oder Sr auf. Weiterhin enthält es ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, beispielsweise O, S, Se. Insbesondere umfasst ein II/V-Verbindungs-Halbleiter eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe enthält. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile enthalten. Zu den II/V-Verbindungs-Halbleitern gehören zum Beispiel ZnO, ZnMgO, CdS, Cn, CdS oder MgBeO.
  • In der Bauelementeanordnung 10 dargestellt in 1 sind die Halbleiterschichten aus Übersichtsgründen zu einer gemeinsamen epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 12 zusammengefasst. Die Schichtenfolge 12 ist an ihrer Unterseite, also der von dem Substratträger 11 abgewandten Seite verspiegelt. Dadurch wird während des Betriebs erzeugtes Licht in die Richtung der Hauptabstrahlfläche 12a reflektiert. Letztere liegt in Richtung des Trägersubstrats 11. Auf der rückwärtigen Oberfläche der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge sind eine Vielzahl von Kontaktelementen 15 und 16 angeordnet. Diese beispielsweise aus Silber, welches auch zur Verspieg lung dient, kontaktieren die aktiven Schichten der Halbleiterschichtenfolge 12.
  • Während der einzelnen Herstellungsprozesse werden auf der gegenüberliegenden Seite der Hauptabstrahlfläche 12a Unebenheiten 13, 13' erzeugt. Diese sind zum einen durch die vorhandenen Kontaktelemente 15 und 16 gegeben, die über die Fläche der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 12 hinausragen. Andererseits kann es auch aufgrund von Strukturierungen zu Unebenheiten 13 kommen, die hier übertrieben groß dargestellt sind. Zwischen den einzelnen Kontakten 15 und 16 befindet sich ebenfalls eine freiliegende Fläche 13'. Diese Bereiche 13 und 13' sind mit einem Füllmaterial aufgefüllt, so dass sich eine im Wesentlichen glatte und ebene Oberfläche auf der Rückseite der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 12 gebildet wird. Dies ist erforderlich und zweckmäßig, um eine weitere Prozessierung insbesondere ein Ablösen des Trägers 11 zu vereinfachen. Andernfalls, insbesondere bei Hohlräumen können während des Ablöseprozesses des Substratträgers 11 mechanische Spannungen entstehen, die zu einer Beschädigung der einzelnen Bauelemente führen können.
  • Auf die ebene und glatte Oberfläche wird nun im Waferverbund ein Hilfsträger aufgebracht, der vorliegend ein Matrixmaterial 14 beispielsweise in Form eines Kunststoffs enthält. Alternativ kann das Matrixmaterial 14 auch ein Epoxydharz, ein Metall, ein Halbleiter oder ein isolierendes Material wie beispielsweise SiO2 sein. Die Dicke des Hilfsträgers insbesondere des Matrixmaterials 14 ist derart gewählt, dass eine ausreichende Stabilität der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 12 bei einer weiteren Prozessierung gewährleistet wird.
  • Innerhalb des Hilfsträgers 14a mit dem Matrixmaterial 14 sind mehrere Durchkontaktierungen 150 und 160 vorgesehen. Diese sind über den Kontaktelementen 15 und 16 auf der Oberfläche der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 12 angeordnet und gehen vollständig durch das Matrixmaterial 14 des Hilfsträgers 14a hindurch.
  • Weiterhin sind die Durchkontaktierungen 150 und 160 mit einem elektrisch leitenden Material aufgefüllt. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Metall wie Kupfer, Wolfram, Gold oder Aluminium als auch ein Halbleitermaterial wie beispielsweise dotiertes Silizium, Polysilizium oder andere.
  • Der Hilfsträger kann ein einzelnes Matrixmaterial enthalten, jedoch auch mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien. Einige oder alle dieser Schichten können isolierend wirken so dass ein Kurzschluss zwischen den einzelnen Durchkontaktierungen und den darin enthaltenen elektrisch leitenden Materialien vermieden werden. Der Hilfsträger 14a kann in der Größe des Substratwafers 11 separat hergestellt werden und dann als Ganzes auf die Rückseite des Wafers und die Kontaktelemente 16 gebondet werden.
  • Im Fall einer separaten Herstellung des Hilfsträgers 14a und einer anschließenden Befestigung des Hilfsträgers an die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge kann es zweckmäßig sein ein bestimmtes vorgegebenes Raster der Durchkontaktierung 150 und 160 zu verwenden, um somit einerseits eine waferseitige elektrische Kontaktierung durchzuführen, andererseits aber einen Kurzschluss zwischen Kontakten zu vermeiden. Diesbezüglich zeigt 3 eine Draufsicht von der Rückseite des Hilfsträgers her. Bei diesen ist eine Bauelementeanordnung, mit dem epitaktisch gewachsene Schichtenfolge und dem Hilfs träger separat hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden.
  • Die Bauelementeanordnung 30 zeigt auf der Rückseite mehrere großflächige Kontakte 36 die jeweils einem einzelnen lichtemittierenden Bauelement zugeordnet sind. Entlang der hier gestrichelt dargestellten Schnittachsen 39 kann die Bauelementeanordnung vereinzelt werden und einzelne Bauelemente aus dem Waferverbund gelöst werden. Die einzelnen Kontakte 35 und 36 auf der Rückseite sind von einer isolierenden Schicht 351 beziehungsweise 361 umgeben. Des Weiteren ist die Rückseite der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge elektrisch isoliert, so dass ein Kurzschluss vermieden wird.
  • Wie dargestellt sind die Durchkontaktierungen 350, 360, 350', 360' durch den Hilfsträger 34a in regelmäßigen Abständen angeordnet. Dabei ist der Abstand der Durchkontaktierungen so gewählt, dass wenigstens zwei Durchkontaktierungen 350, 360 jeweils ein darunter liegendes Kontaktelement 35 beziehungsweise 36 kontaktieren. Gleichzeitig wird durch die Abmessung der Durchkontaktierung verhindert, dass eine Durchkontaktierung auf zwei benachbarten Kontaktelementen 35 beziehungsweise 36 zu liegen kommt und diese somit kurzschließt. Dazwischen liegende Durchkontaktierungen 360' die jeweils mit keinem Kontaktelement in Verbindung stehen, dienen jedoch weiterhin zur Wärmeabfuhr aufgrund des hohen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform im Querschnitt einer Vielzahl lichtemittierender Bauelemente die im Waferverbund gemeinsam auf einem Substratträger 21 prozessiert wurden. Die Bauelementeanordnung enthält auch hier wieder einen Substratträger 21 sowie eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 22. Zwischen dem Substratträger 21 und der Schichtenfolge 22 ist eine gering dotierte hier nicht dargestellte Pufferschicht gewachsen, die unter anderem eine Anpassung der Gitterkonstante zwischen dem Substrat 21 und den nachfolgenden epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten bewirkt. Die Pufferschicht kann undotiert oder schwach dotiert sein. Beispielsweise beträgt die Konzentration der Dotierstoffe in der Pufferschicht 1 × 1017 Atome pro Kubikzentimeter oder etwas weniger. Darüber hinaus kann die Pufferschicht dazu verwendet werden, einen späteren Ablösevorgang des Trägersubstrats 21 von der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge zu erleichtern.
  • Zur Kontaktierung der aktiven Schichten in der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge 22 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine geschlossene Metallschicht, ein so genannter "Seed-Layer" verwendet. Dieser enthält beispielsweise Gold, Aluminium, Nickel, Kupfer oder ein anderes leitfähiges Metall. Nach dem Aufbringen einer derart geschlossenen Metallschicht, die darüber hinaus auch zu einer Verspiegelung dienen kann, werden lithographisch laterale Strukturen für die Kontakte 25, 26 definiert. Dieses erfolgt beispielsweise mittels SU-8 oder einer Fotofolie, wobei Dicken bis zu 100 Mikrometer verwendet werden. Nach der Strukturierung werden die elektrischen Anschlüsse 250, 260 zum Beispiel galvanisch aufgewachsen. Nach einer Entfernung der Maske wird der "Seed-Layer" elektrisch durchtrennt, um eine Separation der elektrischen Anschlüsse zu erzielen. Die damit zwischen den Kontakten 25 und 26 entstehenden Hohlräume können nun mit einem permanenten Füllmaterial aufgefüllt werden. Dieses Füllmaterial 23 kann das Gleiche für den später verwendeten Hilfsträger 28 sein. Hierzu eignen sich insbesondere isolierende Ma terialien, beispielsweise SiO2 oder auch Harze, die die Hohlräume ausfüllen und anschließend aushärten.
  • Abhängig von der Dicke des Füllmaterials 23 und der galvanisch aufgewachsenen Kontakte 250 und 260 auf den "Seed-Layer"-Kontakten 25 und 26 kann eine weitere Trägerschicht aus Stabilisationsgründen zweckmäßig sein. Diese ist wie hier dargestellt durch die zusätzlich isolierende Schicht 27 gegeben und überdeckt die Durchkontaktierungen 250 und 260 vollständig. Letztere Schicht 27 lässt sich nach einer endgültigen Prozessierung der lichtemittierenden Bauelemente durch Abschleifen entfernen, bis die elektrischen Kontakte 250, 260 freigelegt sind. Auch hier wird durch das Auffüllen aller Hohlräume 23' mit dem Füllmaterial 23 eine spätere Beschädigung beim Ablösen des Trägersubstrats 21 aufgrund mechanischer oder thermischer Belastung vermieden.
  • Natürlich ist es in diesem Zusammenhang möglich, den Hilfsträger 28 zum Teil auf der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge abzuscheiden und zum Teil in einem separaten Herstellungsprozess später im Waferverbund mit der Bauelementeanordnung zu verbinden. Beispielsweise lassen sich der "Seed-Layer" sowie die daraus resultierende Strukturierung und Teile des Füllmaterials 23 in einem Herstellungsprozess auf die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 22 aufbringen. Ein weiteres Füllmaterial 23 zusammen mit dem zusätzlichen Träger 27 kann in einem separaten Herstellungsprozess erzeugt werden und an der Bauelementeanordnung befestigt werden. Dies erlaubt im Allgemeinen eine flexible und anwendungsorientierte Herstellung lichtemittierender Bauelement in einem gesamten Waferverbund.
  • 4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer Bauelementeanordnung zur Herstellung einzelner lichtemittierender Bauelemente, die vorliegend als so genannte "Side-Looker" ausgeführt sind. Diese erlauben eine geeignete laterale Orientierung auf einer späteren Platine, was eine unmittelbare "Pick and Place Funktionalität" erlaubt. Dabei wird eine Hauptabstrahlfläche senkrecht zur Bestückungsrichtung realisiert, wodurch eine Umlenkung beispielsweise durch einen Spiegel des von dem Bauelementes abgestrahlten Lichts eingespart werden kann. Im Ergebnis wird mit dem lichtemittierenden Bauelement eine effektive Bauhöhe reduziert, die entscheidend ist für eine effiziente Einkopplung in dünne, das heißt kleiner als 0,6 Millimeter dicke Wellenleiter. Dadurch werden dünne Wellenleiter sinnvoll effizient bedient. Darüber hinaus werden durch die hier vorgegebenen großflächigen Kontaktelemente 45 und 46 und die damit elektrisch leitenden Durchkontaktierungen 450 und 460 eine sehr gute thermische Ankopplung an eine direkt damit verbundene Platine erreicht.
  • Die Bauelementeanordnung 40 mit den einzelnen Bauelementen 40a ist auch hier wieder vor einer Vereinzelung und Separierung der einzelnen lichtemittierenden Bauelemente dargestellt. Der Substratträger 41 und die lichtemittierende Schichtenfolge 42 sind noch verbunden. Auf der Rückseite sind die verspiegelten großflächigen Kontaktelemente 45 und 46 angeordnet, die mit den mit einem elektrisch leitenden Material gefüllten Durchkontaktierungen 450 und 460 des Hilfsträgers 48 verbunden sind. Hohlräume 43' zwischen den großflächigen Kontaktelementen 45 und 46 sind mit einem Füllmaterial aufgefüllt, um eine möglichst ebene Fläche zu bilden. Das die Durchkontaktierungen des Hilfsträgers 48 verbindende Matrixmaterial 43 ist isolierend, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
  • Wie hier dargestellt sind die Seitenwände der Durchkontaktierungen 460 abgeschrägt. Mit anderen Worten verändert sich der Querschnitt der Durchkontaktierungen 460 über die Dicke des Hilfsträgers 48 hin.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist der Bereich 462 der Durchkontaktierung 460 so ausgestaltet, dass er die spätere Trennachse 49 zur Vereinzelung der Bauelemente schneidet. Bei einer Separierung der einzelnen Bauelemente liegt somit ein Teilbereich einer Stirnfläche der Durchkontaktierung 460 frei. Diese freiliegende Stirnfläche kann als direkter Anschlusskontakt für eine waagrechte Bestückung auf einer Platine dienen.
  • 5 zeigt ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel in seiner Seitenansicht. Dabei ist ein einzelnes lichtemittierendes Bauelement 50a auf einer Platine 501 befestigt. Ein elektrischer Anschluss erfolgt über die Stirnfläche 562, die aufgrund der Vereinzelung der Bauelemente und der abgeschrägten Seite der Durchkontaktierung 560 freigelegt ist. Das Matrixmaterial 53' und 53 sorgt gleichzeitig für eine ausreichende Stabilität des lichtemittierenden Bauelements. An die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge 52 ist benachbart zu ihrer Hauptabstrahlfläche 510 ein Wellenleiter 500 angeschlossen. Die Hauptabstrahlfläche ist in ihrer Größe derart gewählt, dass der benachbarte Wellenleiter 500 möglichst vollständig das über die Hauptabstrahlfläche 510 abgestrahlte Licht einfängt und weiterleitet.
  • Der Anschluss des lichtemittierenden Bauelementes über die Stirnfläche 562 liegt im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptabstrahlrichtung des Bauelements. Die Lichtabstrahlung erfolgt somit unmittelbar seitwärts, wodurch eine zusätzliche Umlenkung des abgestrahlten Lichts vermieden wird. Dadurch kann ein lichtemittierendes Bauelement realisiert werden, dessen Gesamthöhe im Wesentlichen dem Durchmesser des dafür vorgesehenen Wellenleiters 500 entspricht.
  • Die 6A bis 6D zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Bauelementeanordnung für einen Dünnfilm-Leuchtdiodenchip. Bei dem Verfahren wird gemäß 6A auf einem Aufwachssubstrat 61 eine erste n-dotierte Schichtfolge 620 aufgewachsen. Das Aufwachssubstrat 61 kann einen Wafer aus Saphir, Siliziumcarbid oder einem ähnlichen Material umfassen, welches für spätere epitaktische Abscheideprozesse geeignet ist. Auf der n-dotierten Schicht 620 wird weiterhin eine p-dotierte Schicht 630 aufgewachsen, so dass zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Schichten 620 und 630 ein pn-Übergang 640 ausgebildet wird. Abhängig von der Dotierkonzentration reicht dieser pn-Übergang unterschiedlich weit in eine der beiden Schichten 620 beziehungsweise 630. Der pn-Übergang 640 bildet eine verarmte Ladungszone.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann die Halbleiterschichtfolge 62 auch als npn-Schichtfolge ausgebildet sein, bei der auf der von der n-dotierten Schicht 620 abgewandten Seite der p-dotierten Schicht 630 eine weitere n-dotierte Schicht abgeschieden wird. Ebenso ist es möglich, auf dem Aufwachssubstrat 61 eine p-dotierte Schicht und auf diese dann eine n-dotierte Schicht aufzuwachsen.
  • In einer weiteren Variante kann zudem zwischen dem Aufwachssubstrat 61 und der ersten n-dotierten Schicht 620 eine Pufferschicht aufgewachsen sein. Diese dient zur Anpassung der unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen dem Trägersubstrat 61 und der n-dotierten Schicht. Sie kann einerseits da zu dienen, ein späteres Ablösen des Aufwachssubstrats 61 von der n-dotierten Schicht zu erleichtern und eine Beschädigungsgefahr durch eine elektrostatische Ladung zu verringern.
  • In 6B sind weitere Prozessschritte zur Erzeugung der Vielzahl der lichtemittierenden Bauelemente dargestellt. Hierbei werden in der Schichtenfolge 62 eine Vielzahl von Kontaktzuführungen 65 beispielsweise in Form von Gräben oder Vertiefungen ausgebildet. Zu diesem Zweck wird beispielsweise auf der Unterseite der dotierten Schicht 630 eine Fotomaske aufgetragen, diese mit einer Struktur belichtet und anschließend ein Ätzprozess zur Erzeugung der Durchkontaktierungen ausgeführt. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Durchkontaktierung 65 pro lichtemittierendes Bauelement vorgesehen. In einer alternativen Ausgestaltungsform können hierfür auch mehrere separate Durchkontaktierungen ausgebildet werden, wodurch sich eine besonders homogene laterale Stromverteilung erzielen lässt.
  • Die Durchkontaktierungen 65 führen durch die p-dotierte Schicht 630, den pn-Übergang 640 und enden innerhalb der n-dotierten Schicht 620. Die Durchkontaktierung 65 hat beispielsweise die Form eines Kreiszylinders, eines elliptischen Zylinders, eines Quaders, eines Kegels oder Kegelstumpfs, einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs. Sie kann als Graben ausgebildet sein, der eine im Wesentlichen ebene Bodenfläche aufweist. Anschließend wird eine elektrisch leitende Kontaktschicht 64 auf die p-dotierte Schicht 630 aufgebracht. Dies erfolgt derart, dass das Material der Kontaktschicht 64 möglichst nicht in die Vertiefungen 65 gelangt.
  • In einer alternativen Ausgestaltungsform wird auf der p-dotierten Schicht 630 als erstes großflächig eine Kontakt schicht 64 aufgedampft. Anschließend wird eine Fotomaske aufgebracht, diese strukturiert und belichtet und sodann die Durchführungen 65 geätzt. Auf diese Weise wird die in 6B dargestellte Struktur erhalten.
  • Abhängig von den verwendeten Materialien können hierfür verschiedene Ätzverfahren herangezogen werden.
  • Die zusätzliche Kontaktschicht 64 weist vorzugsweise ein Material auf, welches einen hohen Reflektionskoeffizienten besitzt. Hierfür eignet sich unter anderem Silber beziehungsweise ein anderes spiegelndes Material. Die Kontaktschicht 64 ist elektrisch leitend und kann überall die gleiche Schichtdicke enthalten, jedoch auch in verschiedenen Teilgebieten eine geringere Schichtdicke aufweisen als in anderen. Als Dicke eignen sich wenige Nanometer bis einige Mikrometer, wobei zusätzlich gewährleistet sein soll, dass die Kontaktschicht 64 eine möglichst gute laterale Stromverteilung in die darüber liegende p-dotierte Schicht 630 erlaubt.
  • Nachfolgend wird gemäß 6C eine isolierende Trennschicht 66 auf der Kontaktschicht 64 sowie auf den Seitenwänden der Durchkontaktierungen 65 aufgebracht. Die isolierende Trennschicht bedeckt somit im Bereich 660 die Seitenwände der Kontaktierungen 65, wodurch diese einen nunmehr geringeren Durchmesser besitzen. Zur Herstellung kann es diesbezüglich zweckmäßig sein, wenn die isolierende Trennschicht 66 möglichst gleichmäßig auf der Oberfläche 64 sowie in den Durchkontaktierungen 65 aufgebracht wird und anschließend der Boden der Trennschicht in den Durchkontaktierungen 65 wieder entfernt wird. Somit ist weiterhin eine elektrische Kontaktierung durch die Durchkontaktierungen und Vertiefungen 65 möglich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dicke der isolierenden Trennschicht 66 auf den Kontaktschichten 64 größer ausgebildet, als die entsprechenden isolierenden Seitenwände in den Durchkontaktierungen. Entsprechend kann durch anisotropes Ätzen die Dicke auf der der Hauptstrahlfläche abgewandten Seite und damit die Dicke auf der Kontaktschicht 64 wieder verringert werden.
  • Die isolierende Trennschicht 66 umfasst beispielsweise ein Dielektrikum wie SiO2, SiN oder SiON.
  • Anschließend werden in nachfolgenden Schritten die Durchkontaktierungen 65 mit einem weiteren Material 68 aufgefüllt. Dadurch wird eine elektrische Kontaktierung der der Hauptabstrahlfläche zugewandten n-dotierten Schicht 620 erreicht. Sodann werden in den Bereichen mit der Kontaktschicht 64 durch die isolierende Zwischenschicht 66 hindurch Löcher geätzt, um die darunter liegende Kontaktschicht 64 zu erreichen. In die entstandenen Löcher wird ein weiteres elektrisches Material 67 eingebracht.
  • Das in den Durchkontaktierungen eingebrachte Material 67, 68 kann verschiedene leitfähige Materialien zur Verbesserung der lateralen Stromeinkopplung enthalten. Als solche eignen sich unter anderem Kupfer, Wolfram, Aluminium, Gold und Silber, sowie Nickel und dotiertes oder undotiertes Polysilizium.
  • Als letztes wird der Kontaktbereich 63 in der der Hauptabstrahlfläche 620a abgewandten Seite planarisiert, um eine möglichst ebene Oberfläche zu bilden. In der Ausgestaltung gemäß 6 bilden je zwei mit leitendem Material gefüllte Kontakte und die zwischen ihnen befindliche aktive Schicht ein lichtemittierendes Bauelement. Zum Ablösen des Aufwachs substrats 61 kann nunmehr in unterschiedlichen Schritten ein Hilfsträger aufgebracht werden.
  • Eine erste Alternative für einen solchen Hilfsträger und die Prozessierung desselben ist in den 7A und 7B dargestellt. Bei diesem Verfahren wird nach einer Planarisierung der Oberfläche ein metallischer Hilfsträger 78 mit einer Dicke h aufgebracht. Als Materialien für einen derart leitenden Hilfsträger eignet sich GaAs oder auch Silizium, die sich unter anderem durch eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Dadurch kann das lichtemittierende Bauelement besonders gut gekühlt werden. Die auf den Kontakten 67 und 68 sowie den isolierenden Zwischenschichten aufgebrachte Schicht 72 wird auch als Matrixschicht oder Matrix bezeichnet.
  • Anschließend wird die Matrixschicht 72 mit einer Fotomaske bedeckt, diese strukturiert und mehrere Vertiefungen 71 geätzt, um darunter liegende Kontakte 67 und 68 freizulegen. Die Durchkontaktierungen 71 in der Matrixschicht 72 sind dabei derart gewählt, dass ihr Querschnitt deutlich größer ist als der Querschnitt der Durchkontaktierungen 67 oder 68. Mit anderen Worten wird für die Durchkontaktierung 71 in der Matrixschicht auch Material entfernt, welches sich über der isolierenden Zwischenschicht 66 befindet. Dies dient dazu, einen späteren Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Kontakten zu vermeiden.
  • Gemäß 7B werden nun die Durchkontaktierungen 71 teilweise und insbesondere an ihren Seitenrändern mit einer isolierenden Schicht 73 versehen. Wie in der 7B dargestellt ist die Dicke der isolierenden Schicht 73 so gewählt, dass sie über den freigelegten Bereichen der isolierenden Zwischenschicht 66 und einem Teilgebiet der Durchkontaktie rung 67 beziehungsweise 68 eines jeden lichtemittierenden Bauelements liegt. Damit isoliert die Schicht 73 das leitende Matrixmaterial 72 einerseits von dem leitenden Durchkontaktierungsmaterial in den Durchkontaktierungen 67 und 68 andererseits von einem elektrisch leitenden Material, mit welchem der restliche Zwischenraum 74 gefüllt wird. Anschließend wird auf der Oberfläche noch ein Kontakt 76 aufgebracht.
  • Damit wird ein Hilfsträger 78 bereitgestellt, der eine ausreichende mechanische Stabilität für die spätere Prozessierung der einzelnen lichtemittierenden Bauelemente beziehungsweise der gesamten lichtemittierenden Anordnung gewährleistet. Die Verwendung eines Trägers für die gesamte Bauelementeanordnung insbesondere eines Trägers für das gesamte Aufwachssubstrat vermeidet einen aufwändigen Einzelchipprozess und erlaubt es ganze Waferscheiben in einem Arbeitsschritt zu prozessieren. Es kann nun ein Abtrennen des Aufwachssubstrats erfolgen, beispielsweise mittels Lasers. Hierzu weist das Aufwachssubstrat oder die Halbleiterschichtfolge eine Opferschicht auf, die bei Laserbestrahlung zersetzt wird, so dass sich das Aufwachssubstrat ablösen lässt.
  • Die Verwendung eines metallischen Matrixmaterials als Hilfsträger 78 verbessert aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit die Kühlung der thermischen Bauelemente. Bei einer guten Steifigkeit kann der Hilfsträger zudem sehr dünn im Bereich von 100 Mikrometern oder geringer ausgestaltet werden. Die isolierenden Seitenwände 73 der Durchkontaktierungen durch den Hilfsträger verhindern Kurzschlüsse in dem sie zumindest über den isolierenden Zwischenschichten 66 der lichtemittierenden Bauelementeanordnung aufgebracht sind. Der Hilfsträger 78 mit seinem Matrixmaterial kann direkt abgeschieden werden, oder auch in einem besonders ausgestalteten Bondprozess mit der lichtemittierenden Bauelementeanordnung verbunden werden.
  • In dem Verfahren gemäß den 7A und 7B werden die Kontaktierungen 74 mit Hilfe vollständiger Isolationsschichten von dem Matrixmaterial des Hilfsträgers getrennt. Alternativ ist es bei der Verwendung eines Leiters als Matrixmaterial jedoch möglich, einen der beiden elektrischen Anschlüsse für die Kontaktierung durch die Matrix selbst auszuführen. Lediglich der zweite Anschluss muss dann mittels einer entsprechenden Durchführung einschließlich einer Isolation von dem Matrixmaterial realisiert werden.
  • 7C zeigt das Ergebnis eines derartigen Herstellungsprozesses. Bei diesem ist das Matrixmaterial 72 über einen Teil der isolierenden Trennschichten 66 sowie der Kontaktierung 67 aufgebracht. Eine Durchkontaktierung 71' ist mit einer isolierenden Seitenwand 73 versehen und kontaktiert die zweiten Kontaktelemente 67 der lichtemittierenden Bauelementeanordnung. Die Verwendung des Matrixmaterials 72 zur Kontaktierung erlaubt es gleichzeitig auch, den Hilfsträger thermisch gut an das lichtemittierende Bauelement anzukoppeln und so eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
  • Eine andere Ausführungsform, bei der der Hilfsträger separat hergestellt und in einem Bond- oder einem ähnlichen Befestigungsprozess mit der Bauelementeanordnung verbunden wird, zeigt das Verfahren gemäß den Ausführungsformen in den 8A und 8B.
  • Bei diesem ist der Hilfsträger 88 mit einem isolierenden Matrixmaterial 82 ausgeführt. Beispielsweise kann hierfür AlN SiO2 aber auch Poymere oder Kunststoffe verwendet werden. In dieses werden in regelmäßigen Abständen Durchkontaktierungen 81 und 84 eingebracht und diese mit einem leitfähigen Material versehen. Alternativ kann das leitfähige Material in den Durchkontaktierungen 84 und 81 auch nach einer Verbindung des Hilfsträgers 88 an die Bauelementeanordnung eingebracht werden.
  • Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens werden zudem einige Durchkontaktierungen 81 asymmetrisch ausgeführt, so dass sie bei einer späteren Vereinzelung eine freiliegende Stirnfläche zeigen, die gleichzeitig Anschlusskontakte darstellen. Die Verwendung dieses Hilfsträgers mit den asymmetrischen Durchgangskontakten hat den Vorteil, dass man mit ihnen das Konzept eines "Side-Lookers" in "Chip–Size-Package" umsetzen kann. Anschließend wird gemäß 8B der Hilfsträger an der Schichtenfolge befestigt, so dass eine weitere Prozessierung im Waferverbund erfolgen kann. Hierfür eignet sich ein Bonden der elektrischen Kontakte, aber auch eine Verbindung über einen entsprechenden Klebstoff. Wie zu erkennen, ist bei dieser Ausgestaltung es zudem möglich, einen leichten lateralen Versatz des Hilfsträgers 88 zu der dafür vorgesehenen Oberfläche und den einzelnen Kontaktstellen zu erlauben.
  • Ein derartig möglicher Versatz erleichtert die Herstellung. Dennoch wird eine ausreichende Kontaktierung der einzelnen Bauelemente durch die mit Metall gefüllten Durchgangslöcher im Hilfsträger 88 erreicht. Anschließend dann das Wachstumssubstrat 61 beispielsweise mit Hilfe eines laserinduzierten Prozesses entfernt werden. Eine ausreichende Stabilität der lichtemittierenden Bauelemente ist durch den Hilfsträger 88 weiterhin gewährleistet.
  • Durch eine entsprechend geeignete in 8B durch gestichelte Linien dargestellte Vereinzelung zur Erzeugung einzelner lichtemittierender Bauelemente wird ein Teilbereich 811 der jeweiligen asymmetrischen Durchgangslöcher 81 freigelegt. Dadurch kann das Bauelement um 90 Grad gedreht direkt mit einer Platine elektrisch leitend verbunden werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen für sich genommen beschrieben sind. Insbesondere lassen sich die einzelnen Verfahrensschritte abwandeln, durch andere ersetzen und/oder kombinieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 01/39282 [0006]
    • - US 5831277 [0006]
    • - US 6127382 [0006]
    • - US 5684309 [0006]
    • - EP 0905797 [0015]
    • - WO 02/13281 [0015]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - I. Schnitzer et al. Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 [0015]

Claims (26)

  1. Lichtemittierende Bauelementeanordnung, umfassend: – eine Vielzahl lichtemittierender Bauelemente mit je einer epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge, die eine zur Lichterzeugung aktive Schicht und eine Hauptabstrahlfläche aufweist; – eine Vielzahl von Kontaktelementen, die auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet sind und jeweils die aktive Schicht eines der Vielzahl lichtemittierender Bauelemente elektrisch kontaktieren; – ein Hilfsträgerelement, welches auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, und ein Matrixmaterial umfasst, in dem eine Vielzahl mit einem elektrisch leitenden Material gefüllte Kontaktlöcher angeordnet sind, welche die Vielzahl von Kontaktelementen kontaktieren.
  2. Die Bauelementeanordnung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl lichtemittierender Bauelemente mit der Hauptabstrahlfläche auf einem ablösbaren Substratwafer aufgebracht ist.
  3. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, weiter umfassend: – eine Planarisierungsschicht die auf der gegenüberliegenden Fläche zwischen der Vielzahl von Kontaktelementen angeordnet ist, um eine im Wesentlichen glatte Oberfläche zu erzeugen.
  4. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Kontaktlöcher des Hilfsträgers in regelmäßigen Abständen angeordnet sind.
  5. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Material in den Kontaktlöchern , Kupfer, Wolfram, Aluminium oder Polysilizium enthält.
  6. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Hilfsträgerelement eine zusätzliche Schicht aufweist, die auf dem Matrixmaterial und den mit Material gefüllten Kontaktlöchern aufgebracht ist.
  7. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Bauelementeanordnung auf einem Wafer prozessiert ist.
  8. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei eine Anzahl Kontaktelemente der Vielzahl Kontaktelemente zumindest teilweise durch die Schichtenfolge hindurch eine Teilschicht der aktiven Schicht kontaktieren.
  9. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegende Fläche zumindest teilweise verspiegelt ist.
  10. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem zumindest einige der Kontaktlöcher eine bezüglich einer senkrecht zur gegenüberliegenden Fläche verlaufenden Achse abgeschrägte Seite aufweisen.
  11. Die Bauelementeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Vielzahl lichtemittierender Bauelemente entlang einer Schnittfläche vereinzelbar ist.
  12. Die Bauelementeanordnung nach Anspruch 11, bei der einige der mit einem elektrisch leitenden Material gefüllten Kon taktlöcher auf einer den Kontaktelementen abgewandten Seite des Hilfsträgerelements eine über die Schnittfläche hinausgehende Ausdehnung aufweisen.
  13. Lichtemittierendes Bauelement, umfassend: – eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge, die eine zur Erzeugung von Licht geeignete aktive Schicht und eine Hauptabstrahlfläche aufweist; – ein erstes und ein zweites Kontaktelement, die auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet sind und jeweils die aktive Schicht elektrisch kontaktieren; – einen Träger, der auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, und ein Matrixmaterial umfasst, in dem zumindest zwei mit einem elektrisch leitenden Material gefüllten Kontaktlöcher angeordnet sind, welche das erste und zweite Kontaktelement kontaktieren, wobei die Kontaktlöcher einen äußeren Anschluss zur Stromzuführung aufweisen, der im Wesentlichen senkrecht zur Hauptabstrahlfläche liegt.
  14. Lichtemittierendes Bauelement nach Anspruch 13, bei dem die Kontaktlöcher eine zumindest teilweise abgeschrägte Seitenfläche aufweisen, wobei ein Teil der Seitenfläche den äußeren Anschluss bildet.
  15. Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Bauelementeanordnung, umfassend: – Bereitstellen eines Substratwafers; – Erzeugen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer zur Lichterzeugung geeigneten aktiven Schicht auf dem Substratwafer; – Ausbilden von Anschlusskontakten an die aktive Schicht auf einer einer Hauptabstrahlfäche gegenüberliegenden Fläche; – Aufbringen eines Hilfsträgers auf der gegenüberliegenden Fläche, der Hilfsträger aufweisend eine Anzahl von in eine Matrixschicht eingearbeiteten elektrisch leitender Durchkontaktierungen zur Kontaktierung der Anschlusskontakte; – Ablösen des Substratwafers von der Schichtenfolge.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Erzeugen der Schichtenfolge umfasst: – epitaktisches Abscheiden von wenigstens zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten; und – Strukturieren der dotierten Halbleiterschichten zu ihrer elektrischen Kontaktierung.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, bei dem das Erzeugen der Schichtenfolge ein Aufbringen eines spiegelnden Materials auf der der Hauptabstrahlfäche gegenüberliegenden Fläche umfasst.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, weiter umfassen ein Planarisieren der der Hauptabstrahlfäche gegenüberliegenden Fläche vor dem Aufbringen des Hilfsträgers.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Planarisieren umfasst: – Abscheiden eines nichtleitenden Füllmaterials auf der gegenüberliegenden Fläche; und – Entfernen einen Teil des Füllmaterials bis die Anschlusskontakten, so dass eine im Wesentlichen planare Oberfläche entsteht.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem der Schritt des Aufbringens des Hilfsträgers umfasst: – Aufbringen der Matrixschicht; – Ausbilden von Durchkontaktierungen durch die Matrixschicht, um die Anschlusskontakte freizulegen; – Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials in den Durchkontaktierungen.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Matrixschicht ein Metall oder ein Halbleiter aufweist und das Ausbilden von Durchkontaktierungen ferner ein Erzeugen einer Isolationsschicht auf Seitenwänden der Durchkontaktierungen umfasst.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem der Schritt des Aufbringens des Hilfsträgers umfasst: – Bereitstellen eines Trägersubstrats mit der Matrixschicht; – Ausbilden von Durchkontaktierungen in Teilbereichen der Matrixschicht; – Befestigen des Trägersubstrats an der der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche derart, dass die Durchkontaktierungen über den Anschlusskontakten liegen.
  23. Verfahren nach einem der Anspruch 22, bei dem die Durchkontaktierungen nach dem Befestigen mit einem leitenden Material gefüllt werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, bei dem die in der Matrixschicht eingearbeiteten elektrisch leitenden Durchkontaktierungen galvanisch erzeugt werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei dem zumindest einige der Durchkontaktierungen einen sich über die Dicke der Matrixschicht ändernden Querschnitt aufweisen.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, weiter umfassend: – ein Vereinzeln der lichtemittierenden Bauelementeanordnung durch Trennen, wobei das Trennen derart erfolgt, dass ein Teil der zumindest einige der Durchkontaktierungen freigelegt wird.
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