DE102011012298A1 - Verbundsubstrat, Halbleiterchip mit Verbundsubstrat und Verfahren zur Herstellung von Verbundsubstraten und Halbleiterchips - Google Patents

Verbundsubstrat, Halbleiterchip mit Verbundsubstrat und Verfahren zur Herstellung von Verbundsubstraten und Halbleiterchips Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verbundsubstrat (1) mit einem Träger (2) und einer Nutzschicht (5) angegeben, wobei die Nutzschicht mittels einer dielektrischen Verbindungsschicht (3) an dem Träger (2) befestigt ist und der Träger (2) ein Strahlungskonversionsmaterial enthält. Weiterhin werden ein Halbleiterchip (10) mit einem solchen Verbundsubstrat, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips mit einem Verbundsubstrat angegeben.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verbundsubstrat, einen Halbleiterchip mit einem Verbundsubstrat sowie ein Verfahren zur Herstellung von Verbundsubstraten und von Halbleiterchips.
  • Weißlichtquellen auf der Basis von optoelektronischen Halbleiterchips weisen typischerweise einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterchip und ein Strahlungskonversionsmaterial auf, das dafür vorgesehen ist, die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung teilweise zu konvertieren, so dass insgesamt für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung abgestrahlt wird.
  • Dieses Strahlungskonversionsmaterial ist oftmals in eine Umhüllung des Halbleiterchips eingebettet.
  • Der vergleichsweise niedrige Brechungsindex des für den Verguss verwendeten Materials erschwert eine effiziente Ankopplung des Strahlungskonversionsmaterials an den Halbleiterchip.
  • Eine Aufgabe ist es, eine effiziente und technisch einfach zu realisierende Art der Strahlungskonversion anzugeben. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren angegeben werden, mit dem Strahlungskonversion für Weißlichtquellen auf der Basis von optoelektronischen Halbleiterchips effizient und kostengünstig erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verbundsubstrat beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verbundsubstrat einen Träger und eine Nutzschicht auf, wobei die Nutzschicht mittels einer dielektrischen Verbindungsschicht an dem Träger befestigt ist. Der Träger enthält ein Strahlungskonversionsmaterial.
  • Ein derartiges Verbundsubstrat ist für die Verwendung als Epitaxie-Substrat insbesondere für die Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips besonders geeignet. Eine vom Träger abgewandte Oberfläche der Nutzschicht ist vorzugsweise als eine Abscheideoberfläche vorgesehen.
  • Der Träger ist vorzugsweise so dick, dass er freitragend ist und weiterhin bevorzugt das auf dem Träger abzuscheidende Material, insbesondere auch bei für Epitaxie-Verfahren verwendeten Temperaturen von beispielsweise 700°C bis 1100°C, mechanisch stabilisiert.
  • Der Anteil, zu dem in den Träger eingestrahlte Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen zweiten Wellenlängenbereichs konvertiert wird, ist insbesondere mittels der Effizienz der Anregung, der Dicke des Trägers und/oder der Konzentration des Strahlungskonversionsmaterials einstellbar.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält der Träger eine Keramik und/oder ein Glas.
  • Ein eine Keramik enthaltender Träger ist vorzugsweise zum Großteil durch das Strahlungskonversionsmaterial gebildet. Zum Großteil bedeutet hierbei, dass der Träger das Strahlungskonversionsmaterial zu einem Volumenanteil von mindestens 50% enthält. Bevorzugt enthält der Träger das Strahlungskonversionsmaterial zu einem Volumenanteil von mindestens 75%, besonders bevorzugt zu einem Volumenanteil von mindestens 90%. Zur Erhöhung der Dicke des Trägers bei gleicher Konversionsrate kann das Strahlungskonversionsmaterial aber auch zu einem geringeren Volumenanteil im Träger ausgebildet sein.
  • Die Keramik ist vorzugsweise durch Partikel gebildet, die miteinander und/oder mit weiteren Partikeln zu der Keramik verbunden sind.
  • Als Strahlungskonversionsmaterial eignet sich insbesondere Material, das sich durch Sintern zu einer Keramik verbinden lässt. Beispielsweise kann ein insbesondere mit Metallen der seltenen Erden aktivierter Granat, etwa Y3(Al, Ga)5O12, zum Beispiel aktiviert mit Ce, Anwendung finden.
  • Bei einem ein Glas enthaltenden Träger ist das Glas vorzugsweise als ein Matrixmaterial ausgebildet, in das das Strahlungskonversionsmaterial eingebettet ist.
  • Die Nutzschicht ist zweckmäßigerweise dünner als der Träger. Je dünner die Nutzschicht ist, desto kostengünstiger kann das Verbundsubstrat hergestellt werden. Vorzugsweise weist die Nutschicht eine Dicke von höchstens 1 μm, bevorzugt eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 200 nm auf.
  • Die Nutzschicht enthält in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Material, das für die Abscheidung von nitridischem Verbindungshalbleitermaterial geeignet ist.
  • „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Bevorzugt basiert die Nutzschicht auf einem nitridischen Verbindungshalbleitermaterial. Eine derartige Nutzschicht ist für die Abscheidung von qualitativ hochwertigem nitridischen Verbindungshalbleitermaterial besonders geeignet.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ausschließlich die dielektrische Verbindungsschicht zwischen der Nutzschicht und dem Träger angeordnet. Mit anderen Worten ist das Strahlungskonversionsmaterial nur durch die dielektrische Verbindungsschicht von der Nutzschicht beabstandet. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält die dielektrische Verbindungsschicht ein Oxid, beispielsweise Siliziumoxid, ein Nitrid, beispielsweise Siliziumnitrid oder ein Oxinitrid, beispielsweise Siliziumoxinitrid. Bei der Herstellung zeichnet sich eine derartige Verbindungsschicht durch eine besonders einfache und stabile Verbindung der Nutschicht mit dem Träger aus. Bei einem Oxinitrid ist der Brechungsindex über die Materialzusammensetzung einstellbar.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt ein Brechungsindex der dielektrischen Verbindungsschicht von der Nutzschicht in Richtung des Trägers hin ab. Die Abnahme kann kontinuierlich oder stufenförmig erfolgen. Eine Variation des Materials der dielektrischen Verbindungsschicht ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das für die dielektrische Verbindungsschicht verwendete Material mit dem höheren Brechungsindex einen höheren Absorptionskoeffizienten aufweist als das Material mit dem niedrigeren Brechungsindex.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung grenzt die Verbindungsschicht an zumindest einer Seite an eine strukturierte Grenzfläche an. Insbesondere kann eine der Nutzschicht zugewandte Oberfläche des Trägers und/oder eine dem Träger zugewandte Oberfläche der Nutzschicht eine Strukturierung aufweisen. Die Strukturierung kann unregelmäßig, beispielsweise als Aufrauung, oder regelmäßig, etwa als periodisch wiederkehrendes Muster, ausgebildet sein. Weiterhin kann mittels der Strukturierung ein optisches Element gebildet sein.
  • Das beschriebene Verbundsubstrat ist für die Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips, insbesondere eines Lumineszenzdiodenchips, etwa einer LED, besonders geeignet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Halbleiterkörper, der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweist, auf der Nutzschicht angeordnet, wobei die im Betrieb im aktiven Bereich erzeugte Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs zumindest teilweise mittels des Strahlungskonversionsmaterials in einen vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen zweiten Wellenlängenbereich umgewandelt wird.
  • Bei einem derartigen Halbleiterchip kann also das Verbundsubstrat bei der Herstellung als Epitaxie-Substrat dienen und im Betrieb des Halbleiterchips die Funktion eines in den Halbleiterchip integrierten Strahlungskonversionselements erfüllen. Mit anderen Worten weisen die Halbleiterchips bei der Herstellung noch bereits vor deren Vereinzelung aus einem Halbleiterchipverbund das Strahlungskonversionsmaterial auf.
  • Auf zusätzliches, nachträglich auf den Halbleiterchip aufgebrachtes oder in einen Verguss des Halbleiterchips eingebrachtes Strahlungskonversionsmaterial kann also verzichtet werden.
  • Weiterhin zeichnet sich der Halbleiterchip durch eine besonders gute optische Anbindung des Strahlungskonversionsmaterials an den aktiven Bereich aus, da zwischen dem Strahlungskonversionsmaterial und dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips lediglich die dielektrische Verbindungsschicht des Verbundsubstrats angeordnet ist. Weiterhin kann der Träger den Halbleiterkörper mechanisch stabilisieren, so dass sich der Halbleiterchip insgesamt durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet. Ferner zeichnet sich der Halbleiterchip aufgrund der vergleichsweise hohen thermischen Leitfähigkeit des Trägers und/oder der dielektrischen Verbindungsschicht durch gute Entwärmungseigenschaften aus.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke des Trägers im fertig gestellten Halbleiterchip zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich 200 μm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 20 μm und 100 μm, beispielsweise 50 μm.
  • In einer Ausgestaltungsvariante weist der Träger auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite eine Spiegelschicht auf. Ein solcher Halbleiterchip ist vorzugsweise zur Montage seitens der Spiegelschicht vorgesehen. Vom aktiven Bereich in Richtung des Trägers abgestrahlte Strahlung kann an der Spiegelschicht reflektiert und insbesondere nach zumindest einem weiteren Durchlauf durch den Träger auf einer von der Spiegelschicht abgewandten Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips austreten.
  • In einer alternativen Ausgestaltung bildet eine der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Hauptfläche des Trägers eine Strahlungsaustrittsfläche. Ein derartiger Halbleiterchip eignet sich insbesondere für eine Montage in Flip-Chip-Geometrie.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats mit einem Träger und einer Nutzschicht wird gemäß einer Ausführungsform ein Träger bereitgestellt, der ein Strahlungskonversionsmaterial enthält. An dem Träger wird mittels einer dielektrischen Verbindungsschicht die Nutzschicht befestigt.
  • Das Befestigen der Nutzschicht erfolgt vorzugsweise durch direktes Bonden. Im Unterschied zu adhäsivem Bonden mittels einer Klebeschicht ist für die Befestigung keine Adhäsionsschicht erforderlich. Beispielsweise kann die Verbindung unmittelbar durch Wärmeeintrag und Ausübung von Druck erzielt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Nutzschicht auf einem Hilfsträger bereitgestellt. Nach dem Befestigen an dem Träger wird die Nutzschicht von dem übrigen Hilfsträger abgelöst. Der Hilfsträger dient für die vorzugsweise epitaktische Abscheidung des Materials für die Nutzschicht. Nach dem Ablösen des Hilfsträgers kann dieser für weitere Herstellungsschritte wiederverwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung werden vor dem Befestigen der Nutzschicht Trennkeime ausgebildet, entlang derer die Nutzschicht nach dem Befestigen an dem Träger abgelöst wird. Dies kann beispielsweise durch Implantation von Ionen erzielt werden, wobei die Position der Trennkeime und damit die Dicke der Nutzschicht nach dem Ablösen über die Energie der eingebrachten Ionen einstellbar ist.
  • Das Ablösen erfolgt vorzugsweise durch Erhitzen des Verbunds aus Träger und Hilfsträger.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips wird gemäß einer Ausführungsform ein Verbundsubstrat bereitgestellt. Auf dem Verbundsubstrat wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich abgeschieden, vorzugsweise epitaktisch, etwa mittels MBE oder MOCVD.
  • Das Verbundsubstrat mit der Halbleiterschichtenfolge wird in eine Mehrzahl von Halbleiterchips vereinzelt. Das Vereinzeln kann beispielsweise mittels kohärenter Strahlung, mechanisch oder chemisch erfolgen.
  • Bei der Herstellung stabilisiert das Verbundsubstrat die Halbleiterschichtenfolge mechanisch. Im fertig gestellten Halbleiterchip kann das Verbundsubstrat vollständig oder zumindest teilweise im Bauteil verbleiben und die Funktion eines Strahlungskonversionselements erfüllen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Träger nach dem Abscheiden der Halbleiterschichtenfolge gedünnt. Zur mechanischen Stabilisierung während der epitaktischen Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge kann der Träger also eine größere Dicke aufweisen als im fertig gestellten Halbleiterchip. Das Dünnen kann vor oder nach dem Vereinzeln des Verbundsubstrats erfolgen.
  • Vorzugsweise ist der Halbleiterchip beim Dünnen bereits elektrisch kontaktiert, so dass durch das Dünnen der Farbort der vom Halbleiterchip abgestrahlten Strahlung, insbesondere für jeden Halbleiterchip individuell und gesondert, einstellbar ist.
  • Die beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats beziehungsweise einer Mehrzahl von Halbleiterchips sind für die Herstellung eines weiter oben beschriebenen Verbundsubstrats beziehungsweise eines Halbleiterchips besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Verbundsubstrat oder dem Halbleiterchip beschriebene Merkmale können daher auch für die Herstellungsverfahren herangezogen werden oder umgekehrt.
  • Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • Es zeigen:
  • Die 1A und 1B ein erstes beziehungsweise zweites Ausführungsbeispiel für ein Verbundsubstrat in schematischer Schnittansicht;
  • die 2A bis 2E ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten;
  • die 3A und 3B ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip mit einem Verbundsubstrat (3A) sowie ein Bauelement mit einem solchen Halbleiterchip (3B);
  • die 4A und 4B ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip mit einem Verbundsubstrat (4A) und ein Bauelement mit einem solchen Halbleiterchip (4B) jeweils in schematischer Schnittansicht;
  • und die 5A bis 5C ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten.
  • Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verbundsubstrat ist in 1A schematisch in Schnittansicht dargestellt. Das Verbundsubstrat 1 weist einen Träger 2 und eine Nutzschicht 5 auf. Zwischen dem Träger und der Nutzschicht ist eine dielektrische Verbindungsschicht 3 angeordnet. Eine vom Träger 2 abgewandte Oberfläche der Nutzschicht ist als eine Abscheideoberfläche für eine epitaktische Abscheidung ausgebildet.
  • Der Träger 2 weist ein Strahlungskonversionsmaterial auf, beispielsweise ein lumineszierendes oder phosphoreszierendes Material. Der Träger kann als eine Keramik ausgebildet sein, bei der das Strahlungskonversionsmaterial zur Herstellung des Trägers in Form von Leuchtstoffpartikeln zu einer Keramik zusammengefügt wird, beispielsweise durch Sintern. Zur Herstellung der Keramik können zusätzlich zu dem Strahlungskonversionsmaterial weitere Partikel und/oder Zusatzstoffe beigemengt werden. Die Zusatzstoffe können während der Herstellung vollständig aus dem Träger austreten oder zumindest teilweise im Träger verbleiben.
  • Ein Träger auf Keramik-Basis ist vorzugsweise zum Großteil durch das Strahlungskonversionsmaterial gebildet. Vorzugsweise enthält der Träger das Strahlungskonversionsmaterial zu einem Volumenanteil von mindestens 75%, besonders bevorzugt von mindestens 90%.
  • Eine Keramik mit einem Strahlungskonversionsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Keramik ist in der Druckschrift WO 2010/045915 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
  • Als Strahlungskonversionsmaterial eignet sich insbesondere ein mit Metallen der seltenen Erden, beispielsweise Ce, dotierter Granat, beispielsweise Y3(Al, Ga)5O12.
  • Alternativ oder ergänzend kann der Träger zumindest eines der folgenden Materialen enthalten: mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Erdalkalisulfide, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Thiogallate, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Aluminate, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Orthosilikate, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Chlorosilikate, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Erdalkalisiliziumnitride, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Oxinitride und mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Aluminiumoxinitride, mit Metallen der seltenen Erden aktivierte Siliziumnitride.
  • Alternativ oder ergänzend kann der Träger ein Matrixmaterial aufweisen, beispielsweise ein Glas, in das das Strahlungskonversionsmaterial eingebettet ist. In diesem Fall sind das Strahlungskonversionsmaterial und das Glas zweckmäßigerweise derart aneinander angepasst, dass der Strahlungskonversionsstoff beim Einbringen in die Glasschmelze nicht degradiert oder zerstört wird. Der Volumenanteil des Strahlungskonversionsmaterials beträgt in diesem Fall vorzugsweise zwischen einschließlich 5% und einschließlich 30%.
  • Die dielektrische Verbindungsschicht 3 enthält vorzugsweise ein Oxid, beispielsweise Siliziumoxid, ein Nitrid, beispielsweise Siliziumnitrid, oder ein Oxinitrid, beispielsweise Siliziumoxinitrid. Bei Siliziumoxinitrid ist der Brechungsindex durch Variation des Stickstoff-Gehalts zwischen etwa 1,45 und 2,5 einstellbar, wobei der Brechungsindex umso höher ist, je größer der Stickstoffgehalt ist.
  • Die Zusammensetzung der dielektrischen Verbindungsschicht 3 kann in senkrechter Richtung, also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Verbundsubstrats 1 verlaufenden Richtung, variieren. Vorzugsweise weist die dielektrische Verbindungsschicht 3 auf der der Nutzschicht 5 zugewandten Seite einen höheren Brechungsindex auf als auf der dem Träger 2 zugewandten Seite. Der Brechungsindex kann zum Träger hin kontinuierlich oder stufenförmig abnehmen.
  • Für Siliziumoxinitrid steigt mit zunehmendem Stickstoffgehalt nicht nur der Brechungsindex, sondern auch der Absorptionskoeffizient. Eine dielektrische Verbindungsschicht mit einem zum Träger hin abnehmenden Stickstoffgehalt zeichnet sich daher im Vergleich mit einer reinen Siliziumoxid-Schicht durch eine bessere Brechungsindexanpassung an Halbleitermaterial und im Vergleich mit einer reinen Siliziumnitridschicht durch eine geringere Absorption bei gleicher Dicke aus.
  • Die Nutzschicht 5 ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass sie für die Abscheidung von III-V-Verbindungshalbleitermaterial geeignet ist. Vorzugsweise basiert die Nutzschicht 5 auf einem nitridischen Verbindungshalbleitermaterial. Davon abweichend kann die Nutschicht aber auch ein anderes Material, insbesondere ein anderes Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium, Siliziumkarbid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
  • Das in 1B dargestellte zweite Ausführungsbeispiel für ein Verbundsubstrat entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1A beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu weist das Verbundsubstrat 1 eine Strukturierung 25 auf, die exemplarisch an einer Grenzfläche zwischen dem Träger 2 und der dielektrischen Verbindungsschicht 3 ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Grenzfläche zwischen der Nutzschicht und der dielektrischen Verbindungsschicht 3 strukturiert sein.
  • Die Strukturierung 25 kann beispielsweise mittels einer Aufrauhung unregelmäßig ausgebildet sein. Auch eine regelmäßige, insbesondere periodisch wiederkehrende Strukturierung kann Anwendung finden. Die Strukturierung ist insbesondere dafür vorgesehen, Wellenleitereffekte von in das Verbundsubstrat 1 eingestrahlter Strahlung und/oder mittels des Strahlungskonversionsmaterials konvertierter Strahlung zu verringern. Alternativ oder ergänzend kann die Strukturierung 25 die Funktion eines optischen Elements, beispielsweise einer Linse oder eines Beugungsgitters erfüllen. Weiterhin kann die Strukturierung und/oder das optische Element alternativ oder ergänzend auch auf der der Nutzschicht 5 abgewandten Seite des Trägers 2 ausgebildet sein.
  • In den 2A bis 2E ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Verbundsubstrats anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten gezeigt.
  • Wie in 2A dargestellt, wird ein Halbleitermaterial 50 auf einem Hilfsträger 4 bereitgestellt. Der Hilfsträger 4 dient insbesondere der epitaktischen Abscheidung des Halbleitermaterials 50, beispielsweise mittels MBE oder MOCVD.
  • In dem Halbleitermaterial 50 werden durch Implantation von Ionen, beispielsweise Wasserstoff-Ionen, Trennkeime 51 ausgebildet (In 2B durch Pfeile dargestellt). Die Trennkeime verlaufen in einer Ebene, die sich parallel zu einer vom Hilfsträger 4 abgewandten Oberfläche des Halbleitermaterials 50 erstreckt. Die Energie der Ionen bestimmt die Eindringtiefe der Ionen in das Halbleitermaterial und damit die Dicke des nachfolgend zu übertragenden Halbleitermaterials.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke höchstens 1 μm, bevorzugt zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 500 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 200 nm.
  • Auf dem Halbleitermaterial 50 wird eine erste dielektrische Teilschicht 31 abgeschieden, die im fertiggestellten Verbundsubstrat einen Teil der dielektrischen Verbindungsschicht 3 darstellt.
  • Der Träger 2 wird mit einer zweiten dielektrischen Teilschicht 32 beschichtet. Wie in Schritt 2D dargestellt, werden der Träger 2 und der Hilfsträger 4 so zueinander positioniert, dass die erste dielektrische Teilschicht 31 und die zweite dielektrische Teilschicht 32 unmittelbar aneinander angrenzen. Die dielektrischen Teilschichten 31, 32 werden durch direktes Bonden, beispielsweise durch Zusammenpressen bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1200°C, miteinander verbunden und bilden gemeinsam die dielektrische Verbindungsschicht 3. Eine Adhäsionsschicht wie eine Klebeschicht oder eine Lotschicht ist für die Herstellung der Verbindung nicht erforderlich.
  • Nach dem Herstellen der direkten Bondverbindung wird der Hilfsträger 4 mit einem Teil des Halbleitermaterials 50 entlang der Trennkeime abgelöst. Dies erfolgt vorzugsweise thermisch induziert. Das auf dem Träger 2 verbleibende Halbleitermaterial bildet die Nutzschicht 5 des Verbundsubstrats 1 (2E). Der Hilfsträger kann nach dem Ablösen für die Herstellung weiterer Verbundsubstrate wiederverwendet werden.
  • Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend ist auch denkbar, dass das Halbleitermaterial 50 für die Nutzschicht 5 direkt von dem Hilfsträger 4 stammt. Die epitaktische Abscheidung auf dem Hilfsträger ist in diesem Fall nicht erforderlich.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip ist in 3A in schematischer Schnittansicht dargestellt. Der Halbleiterchip 10 weist exemplarisch ein Verbundsubstrat 1 auf, das wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben ausgeführt ist.
  • Auf dem Verbundsubstrat 1 ist ein Halbleiterkörper 7 mit einer Halbleiterschichtenfolge 700 angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolge, die den Halbleiterkörper bildet, weist einen aktiven Bereich 70 auf, der zwischen einer ersten Halbleiterschicht 71 und einer zweiten Halbleiterschicht 72 angeordnet ist. Die erste Halbleiterschicht 71 und die zweite Halbleiterschicht 72 sind zweckmäßigerweise bezüglich ihres Leitungstyps voneinander verschieden. Beispielsweise kann die erste Halbleiterschicht 71 n-leitend und die zweite Halbleiterschicht 72 p-leitend ausgebildet sein oder umgekehrt.
  • Die erste Halbleiterschicht 71 und die zweite Halbleiterschicht 72 sind jeweils mit einem ersten Kontakt 81 beziehungsweise einem zweiten Kontakt 82 elektrisch leitend verbunden. Die Kontakte 81, 82 sind zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 10 vorgesehen. Im Betrieb des Halbleiterchips 10 können über die Kontakte Ladungsträger von unterschiedlichen Seiten in den aktiven Bereich 70 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs rekombinieren.
  • Die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs wird im Verbundsubstrat 1, insbesondere im Träger 2, teilweise in Strahlung eines vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen zweiten Wellenlängenbereichs umgewandelt.
  • Beispielsweise kann der aktive Bereich 70 zur Erzeugung von Strahlung im blauen Spektralbereich und das Strahlungskonversionsmaterial im Träger 2 zur Strahlungskonversion in Strahlung im gelben Spektralbereich vorgesehen sein, so dass aus dem Halbleiterchip 10 für das menschliche Auge weiß erscheinendes Mischlicht austritt. Die Strahlungskonversion erfolgt also bereits im Halbleiterchip selbst. Im Unterschied zu einem Bauelement, bei dem Strahlungskonversionsmaterial in eine Umhüllung eingebettet ist oder bei dem ein Strahlungskonversionselement mittels einer Adhäsionsschicht an dem Halbleiterchip befestigt ist, durchläuft die Strahlung vor der Strahlungskonversion kein Material mit einem vergleichsweise niedrigen Brechungsindex wie beispielsweise Silikon. Wegen des verglichen mit Silikon hohen Brechungsindizes der dielektrischen Verbindungsschicht 3, die das Strahlungskonversionsmaterial des Trägers 2 von dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips 10 trennt, ist das Strahlungskonversionsmaterial optisch besonders effizient an das Halbleitermaterial angebunden. Weiterhin ist der thermische Widerstand durch die dielektrische Verbindungsschicht im Vergleich zu einem Halbleiterchip, an dem mittels einer Adhäsionsschicht ein Konversionselement befestigt ist, verringert. Beispielsweise ist die Wärmeleitung einer 250 nm dicken dielektrischen Verbindungsschicht 3 aus Siliziumoxid etwa zehnfach so hoch wie bei einer Silikonschicht mit 1 μm Dicke.
  • Ein Ausführungsbeispiel für ein strahlungsemittierendes Bauelement 100 mit einem solchen Halbleiterchip ist in 3B schematisch in Schnittansicht dargestellt. Der Halbleiterchip 10 ist an einem Anschlussträger 9 befestigt. Der erste Kontakt 81 und der zweite Kontakt 82 sind jeweils mit einer ersten Anschlussfläche 91 beziehungsweise einer zweiten Anschlussfläche 92 elektrisch leitend mit dem Anschlussträger verbunden.
  • Der Anschlussträger 9 kann beispielsweise eine Leiterplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB), ein Zwischenträger (submount), beispielsweise ein Keramikträger, oder ein Gehäusekörper für ein insbesondere oberflächenmontierbares Bauelement sein. Insbesondere können die erste Anschlussfläche 91 und die zweite Anschlussfläche 92 durch einen Leiterrahmen gebildet sein.
  • Der Halbleiterchip 10 ist in eine Verkapselung 95 eingebettet. Die Verkapselung ist zweckmäßigerweise für die vom Halbleiterchip 10 abgestrahlte Strahlung transparent oder zumindest transluzent. Insbesondere kann die Verkapselung frei von Strahlungskonversionsmaterial sein, da dieses bereits im Träger 2 des Verbundsubstrats 1 enthalten ist. Für die Verkapselung eignet sich insbesondere ein Silikon, ein Epoxid oder ein Hybridmaterial mit einem Silikon und einem Epoxid.
  • Alternativ kann aber zusätzlich zu dem Strahlungskonversionsmaterial im Träger 2 ein weiteres Strahlungskonversionsmaterial und/oder Diffusormaterial in der Verkapselung enthalten sein. Das weitere Strahlungskonversionsmaterial kann insbesondere zur Abstimmung des Farborts der vom strahlungsemittierenden Bauelement 100 abgestrahlten Strahlung vorgesehen sein.
  • Der Halbleiterchip 10 ist in Flip-Chip-Geometrie auf dem Anschlussträger 9 angeordnet, das heißt, das Verbundsubstrat 1 ist auf der dem Anschlussträger 9 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 7 angeordnet. Im Betrieb des Halbleiterchips bildet der Träger 2 also eine oberseitige, also dem Anschlussträger abgewandte, Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips 10.
  • Im Unterschied zu einem Dünnfilm-Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat entfernt wird, verbleibt das Verbundsubstrat vollständig oder zumindest teilweise im Halbleiterchip. Der Träger 2 kann so den Halbleiterkörper 7 mechanisch stabilisieren, wodurch die Gefahr von Brüchen reduziert ist.
  • Die Dicke des Trägers 2 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 10 μm und einschließlich 200 μm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 20 μm und einschließlich 100 μm, beispielsweise 50 μm. Während der epitaktischen Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge kann der Träger auch eine größere Dicke aufweisen. Die Gefahr einer Verbiegung des Trägers bei den vergleichsweise hohen Temperaturen für eine epitaktische Abscheidung kann so verringert werden. Ein dicker Träger wird nach der Abscheidung auf die genannte Dicke gedünnt. Über die Dicke ist der Farbort der von den fertig gestellten Halbleiterchips abgestrahlten Strahlung einstellbar.
  • Bei der Herstellung des Bauelements 100 kann vor dem Ausbilden der Verkapselung der Halbleiterchip 10 zur Bestimmung des Farborts der abgestrahlten Strahlung elektrisch kontaktiert werden. Zur Anpassung des Farborts, insbesondere zur Verringerung des Anteils der im Träger 2 konvertierten Strahlung, kann der Träger gedünnt werden, beispielsweise mechanisch, etwa mittels Schleifens, Läppens oder Polierens oder chemisch, etwa nasschemisch oder trockenchemisch oder mittels Materialabtrags durch kohärente Strahlung, etwa Laserstrahlung. So kann, insbesondere auch gesondert für jeden einzelnen Halbleiterchip, der Farbort der vom Halbleiterchip abgestrahlten Strahlung individuell eingestellt werden. Erforderlichenfalls kann der Halbleiterchip auch zur Einstellung des Farborts mit einer Beschichtung versehen werden, die ebenfalls Strahlungskonversionsmaterial enthalten kann.
  • Das in 4A dargestellte zweite Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip 10 entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3A beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist auf der dem Halbleiterkörper 7 abgewandten Seite des Verbundsubstrats 1 eine Spiegelschicht 96 ausgebildet, die dafür vorgesehen ist, die im aktiven Bereich 70 erzeugte Strahlung zu reflektieren. Die vorzugsweise metallische Spiegelschicht 96 weist zweckmäßigerweise für die im aktiven Bereich 70 erzeugte und/oder die im Träger 2 mittels des Strahlungskonversionsmaterials konvertierte Strahlung eine hohe Reflektivität auf. Im sichtbaren Spektralbereich eignet sich beispielsweise Aluminium oder Silber.
  • Weiterhin ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel auf der zweiten Halbleiterschicht 72 eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht 821 ausgebildet, über die die in den zweiten Kontakt 82 injizierten Ladungsträger großflächig und gleichmäßig in die zweite Halbleiterschicht 72 eingeprägt werden können.
  • Die strahlungsdurchlässige Kontaktschicht 821 enthält vorzugsweise ein transparentes leitfähiges Oxid (Transparent Conductive Oxide, TCO), beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO). Alternativ oder ergänzend kann die strahlungsdurchlässige Kontaktschicht eine Metallschicht aufweisen, die so dünn ist, dass sie für die im Halbleiterchip erzeugte Strahlung durchlässig ist.
  • Wie in 4B dargestellt, eignet sich ein derartiger Halbleiterchip insbesondere für eine Montage, bei der die Spiegelschicht 96 dem Anschlussträger 9 zugewandt ist.
  • Die elektrisch leitende Verbindung der Kontakte 81, 82 mit den Anschlussflächen 91, 92 kann über Verbindungsleiter 97, beispielsweise über Drahtbondverbindungen erfolgen.
  • Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips ist in den 5A bis 5C schematisch anhand von Zwischenschritten dargestellt.
  • Wie in 5A gezeigt, wird ein Verbundsubstrat mit einem Träger 2, der Strahlungskonversionsmaterial enthält, einer dielektrischen Verbindungsschicht 3 und einer Nutzschicht 5 bereitgestellt.
  • Zur vereinfachten Darstellung ist ein Bereich des Verbundsubstrats 1 in den Figuren gezeigt, aus dem bei der Herstellung der Halbleiterchips zwei Halbleiterchips hervorgehen, wobei das Verfahren exemplarisch für Halbleiterchips beschrieben wird, die wie im Zusammenhang mit 4A beschrieben ausgeführt sind.
  • Auf der Nutzschicht 5 des Verbundsubstrats 1 wird epitaktisch, etwa mittels MBE oder MOCVD, eine Halbleiterschichtenfolge mit einer ersten Halbleiterschicht 71, einem aktiven Bereich und einer zweiten Halbleiterschicht 72 abgeschieden (5B). Im Unterschied zu einer Adhäsionsschicht wie einer Klebeschicht oder einer Lotschicht hält die dielektrische Verbindungsschicht den typischen Temperaturen bei der Epitaxie, beispielsweise zwischen 700°C und 1100°C stand, so dass der Träger 2 die Halbleiterschichtenfolge während der Abscheidung mechanisch stabilisieren kann.
  • Zum Ausbilden des ersten Kontakts 81 wird die erste Halbleiterschicht 71 bereichsweise freigelegt. Dies kann insbesondere chemisch, etwa nasschemisch oder trockenchemisch erfolgen.
  • Die Abscheidung der Kontakte 81, 82 sowie der strahlungsdurchlässigen Kontaktschicht und der Spiegelschicht 96 erfolgt vorzugsweise mittels Aufdampfens oder Aufsputterns.
  • Nachfolgend erfolgt eine Vereinzelung in Halbleiterchips, beispielsweise mittels Laserstrahlung, mechanisch, etwa mittels Sägens oder chemisch, etwa mittels nasschemischen oder trockenchemischen Ätzens.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren erfolgt also die epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichten auf einem Verbundsubstrat, das bereits das Strahlungskonversionsmaterial enthält.
  • Bei der Vereinzelung in Halbleiterchips gehen also Halbleiterchips hervor, die bereits das Strahlungskonversionsmaterial enthalten.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • 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 2010/045915 [0052]

Claims (15)

  1. Verbundsubstrat (1) mit einem Träger (2) und mit einer Nutzschicht (5), die mittels einer dielektrischen Verbindungsschicht (3) an dem Träger befestigt ist, wobei das Verbundsubstrat (1) ein Strahlungskonversionsmaterial enthält.
  2. Verbundsubstrat nach Anspruch 1, bei dem die Nutzschicht ein nitridisches Verbindungshalbleitermaterial enthält.
  3. Verbundsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Nutzschicht eine Dicke von höchstens 1 μm aufweist.
  4. Verbundsubstrat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die dielektrische Verbindungsschicht ein Oxid, ein Nitrid oder ein Oxinitrid enthält.
  5. Verbundsubstrat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein Brechungsindex der dielektrischen Verbindungsschicht von der Nutzschicht in Richtung des Trägers abnimmt.
  6. Verbundsubstrat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Verbindungsschicht an zumindest einer Seite an eine Grenzfläche mit einer Strukturierung (25) angrenzt.
  7. Halbleiterchip mit einem Verbundsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf der Nutzschicht ein Halbleiterkörper (7) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (70) angeordnet ist, wobei die im Betrieb erzeugte Strahlung zumindest teilweise mittels des Strahlungskonversionsmaterials umgewandelt wird.
  8. Halbleiterchip nach Anspruch 7, bei dem der Träger auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eine Spiegelschicht (96) aufweist.
  9. Halbleiterchip nach Anspruch 7, bei dem eine dem Halbleiterkörper abgewandte Hauptfläche des Trägers eine Strahlungsaustrittsfläche bildet.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats (1) mit einem Träger (2) und einer Nutzschicht (5) mit den Schritten: – Bereitstellen des Trägers (2), der ein Strahlungskonversionsmaterial enthält; und – Befestigen der Nutzschicht (5) an dem Träger (2) mittels einer dielektrischen Verbindungsschicht (3).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Nutzschicht durch direktes Bonden an dem Träger befestigt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Nutzschicht auf einem Hilfsträger (4) bereitgestellt wird und die Nutzschicht nach dem Befestigen an dem Träger von dem übrigen Hilfsträger abgelöst wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem vor dem Befestigen der Nutzschicht Trennkeime (51) ausgebildet werden, entlang derer die Nutzschicht nach dem Befestigen an dem Träger abgelöst wird.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Halbleiterchips (10) mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Verbundsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 6; b) Abscheiden einer Halbleiterschichtenfolge (700) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf dem Verbundsubstrat; und c) Vereinzeln des Verbundsubstrats mit der Halbleiterschichtenfolge in eine Mehrzahl von Halbleiterchips.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Träger nach Schritt b) gedünnt wird.
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