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Die
Erfindung betrifft eine lichtemittierende Bauelementeanordnung,
ein einzelnes Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Bauelementeanordnung.
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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.
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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.
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Diese
Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Hilfsträger hat darüber hinaus den Vorteil, dass
er bei Verwendung geeigneter Materialien zusätzlich als
Wärmeableiter in einem Betrieb einzelner Bauelemente dient.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Bauelementeanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 einen
Querschnitt durch eine Bauelementeanordnung gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
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3 eine
Draufsicht auf die Rückseite einer Bauelementeanordnung
gemäß einer Ausführungsform,
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4 einen
Querschnitt einer Bauelementeanordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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5 ein
einzelnes lichtemittierendes Bauelement in einer seitlichen Anordnung
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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6A bis 6D schematische
Querschnitte durch eine lichtemittierende Bauelementeanordnung in
verschiedenen Stadien eines Verfahrens zur Herstellung nach einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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7A, 7B schematische
Querschnitte durch eine Bauelementeanordnung in weiteren Stadien
des Verfahrens zur Herstellung,
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8A, 8B schematische
Querschnitte durch die lichtemittierende Bauelementeanordnung in
verschiednen Stadien des Verfahrens gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Lichterzeugung geeigneter Halbleiterschichten basieren beispielsweise
auf einem III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial oder auf einem II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Abhängig
von den verwendeten Materialien können hierfür
verschiedene Ätzverfahren herangezogen werden.
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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.
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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.
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Die
isolierende Trennschicht 66 umfasst beispielsweise ein
Dielektrikum wie SiO2, SiN oder SiON.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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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]