DE102012102476B4

DE102012102476B4 - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils

Info

Publication number: DE102012102476B4
Application number: DE102012102476.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Plössl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: WO2013139494A1; DE102012102476A1; US9142716B2; US20150041840A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) mit den Schritten:- Bereitstellen mindestens einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht (20) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und eines strahlungsdurchlässigen Bauelements (4),- Aufbringen des Verbindungsmittels (3) an der Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder an dem strahlungsdurchlässigen Bauelement (4), und- mechanisches Verbinden der Halbleiterschichtenfolge (2) mit dem strahlungsdurchlässigen Bauelement (4) mittels eines Verbindungsmittels (3), das schichtartig geformt wird und das strahlungsdurchlässig ist sowie dazu eingerichtet ist, mindestens von einem Teil der in der aktiven Schicht (20) erzeugten Strahlung durchlaufen zu werden, wobei- ein Brechungsindex des Verbindungsmittels (3) von einem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) um höchstens 25 % abweicht,- das Verbindungsmittel (3) mindestens zwei Hauptbestandteile aufweist, bei denen es sich um Elemente aus dem Periodensystem handelt und die bei einer Temperatur von 300 K Feststoffe sind und wenigstens einer der Hauptbestandteile eine Schmelztemperatur von höchstens 750 K aufweist,- die Hauptbestandteile getrennt voneinander in mindestens zwei Teilschichten (31, 32) abwechselnd übereinander aufgebracht werden, sodass die Teilschichten (31, 32) jeweils nur genau einen der Hauptbestandteile aufweisen,- beim Verbinden eine Verbindungstemperatur größer ist als die Schmelztemperatur von mindestens einem der Hauptbestandteile, und- beim Verbinden sich die Hauptbestandteile vermischen, sodass sich die Teilschichten (31, 32) beim Verbinden auflösen und das Verbindungsmittel (3) als homogene Schicht ausgebildet wird.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils angegeben.
Die Druckschrift US 2002 / 0 030 194 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem ein LED-Chip mit einer Linse unter Zuhilfenahme eines Verbindungsmittels verbunden wird.
Aus der Druckschrift DE 11 2009 002 311 T5 sind übereinander gestapelt angeordnete aktive Zonen für ein LED-Bauteil bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils anzugeben, das eine hohe Lichtauskoppeleffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das mit dem Verfahren hergestellte optoelektronische Halbleiterbauteil weist eine oder mehrere Halbleiterschichtenfolgen auf. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine oder mehrere aktive Schichten. Die mindestens eine aktive Schicht ist zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Beispielsweise beinhaltet die aktive Schicht wenigstens einen pn-Übergang oder mindestens eine Quantentopfstruktur. Insbesondere wird in der aktiven Schicht ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung im Betrieb des Halbleiterbauteils erzeugt. Die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung weist eine Hauptwellenlänge auf. Die Hauptwellenlänge, englisch Peak wavelength, ist diejenige Wellenlänge, bei der im bestimmungsgemäßen Betrieb die größte Strahlungsintensität erzeugt wird.
Das mit dem Verfahren hergestellte Halbleiterbauteil umfasst eines oder mehrere strahlungsdurchlässige Bauelemente. Strahlungsdurchlässig bezieht sich hierbei auf die von der Halbleiterschichtenfolge erzeugte Strahlung und/oder auf die von dem optoelektronischen Halbleiterbauteil emittierte Strahlung. Das strahlungsdurchlässige Bauelement übt bevorzugt eine optische Funktion aus und kann aktiv Einfluss nehmen auf eine spektrale Zusammensetzung der von dem Halbleiterbauteil emittierten Strahlung oder kann eine Abstrahlcharakteristik des Halbleiterbauteils maßgeblich beeinflussen. Es ist möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge und das strahlungsdurchlässige Bauelement separat voneinander gefertigt sind.
Das mit dem Verfahren hergestellte Halbleiterbauteil beinhaltet mindestens ein Verbindungsmittel. Das Verbindungsmittel ist schichtartig geformt. Ferner ist das Verbindungsmittel strahlungsdurchlässig für mindestens einen Teil der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung. Bevorzugt ist das Verbindungsmittel klarsichtig.
Das Verbindungsmittel ist dazu eingerichtet, von der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung zum Teil oder in Gänze durchlaufen zu werden. Beispielsweise befindet sich das Verbindungsmittel, entlang einer Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterschichtenfolge und/oder des Halbleiterbauteils, über der Halbleiterschichtenfolge. Das Verbindungsmittel kann eine Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge, in Draufsicht gesehen, vollständig oder im Wesentlichen vollständig überdecken.
Das Bauelement und die Halbleiterschichtenfolge sind über das Verbindungsmittel mechanisch miteinander verbunden. Die mechanische Verbindung ist bevorzugt stabil und dauerhaft. Dies bedeutet, dass die über das Verbindungsmittel hergestellte Verbindung im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterbauteils sich über die Lebensdauer des Halbleiterbauteils hinweg nicht löst.
Die Brechungsindices des Verbindungsmittel und der Halbleiterschichtenfolge weichen um höchstens 25 % oder um höchstens 15 % oder um höchstens 10 % oder um höchstens 5 % voneinander ab. Die Brechungsindex sind hierbei insbesondere auf die Hauptwellenlänge der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung bezogen. Bei den Brechungsindices kann es sich jeweils um mittlere Brechungsindices handeln.
Das Verbindungsmittel weist mindestens zwei oder genau zwei Hauptbestandteile auf. Als Hauptbestandteile werden Elemente aus dem Periodensystem verstanden. Sind chemische oder physikalische Eigenschaften der Hauptbestandteile angegeben, so beziehen sich diese Eigenschaften auf eine makroskopische Stoffmenge aus dem Hauptbestandteil, englisch bulk.
Die Hauptbestandteile sind bei Raumtemperatur, also bei einer Temperatur von ungefähr 300 K, Feststoffe. Bei den Hauptbestandteilen handelt es sich also nicht um Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff. Die Angabe des Aggregatszustands bezieht sich auf einen Druck von 1013 hPa.
Es weist einer der Hauptbestandteile oder weisen zwei oder mindestens zwei der Hauptbestandteile eine Schmelztemperatur von höchstens 750 K oder von höchstens 700 K auf. Mit anderen Worten ist mindestens einer der Hauptbestandteile niedrig schmelzend. Insbesondere liegt die Schmelztemperatur von mindestens einem der Hauptbestandteile unterhalb einer Temperatur, bei der die Halbleiterschichtenfolge Schaden nimmt und/oder in ihrer Lebensdauer signifikant gemindert wird.
Das mit dem Verfahren hergestellte Halbleiterbauteil umfasst mindestens eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung. Das Halbleiterbauteil beinhaltet ferner mindestens ein strahlungsdurchlässiges Bauelement und mindestens ein Verbindungsmittel. Das Verbindungsmittel ist schichtartig geformt. Über das Verbindungsmittel sind die Halbleiterschichtenfolge und das strahlungsdurchlässige Bauelement mechanisch miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist strahlungsdurchlässig und dazu eingerichtet, von mindestens einem Teil der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung durchlaufen zu werden. Ein Brechungsindex des Verbindungsmittels weicht von einem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge um höchstens 25 % oder um höchstens 10 % ab. Das Verbindungsmittel weist mindestens zwei oder genau zwei Hauptbestandteile auf, bei denen es sich um Elemente aus dem Periodensystem handelt. Die Hauptbestandteile sind bei einer Temperatur von 300 K Feststoffe. Wenigstens einer der Hauptbestandteile oder alle der Hauptbestandteile weisen eine Schmelztemperatur von höchstens 750 K auf.
Beispielsweise auf AlInGaN basierende Halbleiterschichtenfolgen für Leuchtdioden zur Erzeugung von weißem Licht weisen einen vergleichsweise hohen optischen Brechungsindex von ungefähr 2,5 auf. Über interne Totalreflexion wird somit an Begrenzungsflächen der Halbleiterschichtenfolge ein relativ hoher Strahlungsanteil an einem Austreten aus der Halbleiterschichtenfolge heraus gehindert. Dieses Problem tritt, neben dem direkten Auskoppeln der Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge, auch auf, wenn die Strahlung in ein strahlungsdurchlässiges Bauelement eingekoppelt werden soll. Auch wenn die Brechungsindices des Bauelements und der Halbleiterschichtenfolge selbst ähnlich zueinander sind, ist eine optische Barriere oft durch ein Verbindungsmittel wie einem Klebstoff mit einen vergleichsweise niedrigen optischen Brechungsindex vorhanden. Somit tritt etwa an dem Klebstoff Totalreflexion auf und es resultieren optische Verluste.
Bei dem beschriebenen Verbindungsmittel handelt es sich insbesondere um ein so genanntes optisches Hartlot, englisch optical brazing alloy. Das Verbindungsmittel weist einen vergleichsweise hohen optischen Brechungsindex auf und Verluste durch interne Totalreflexion lassen sich somit verringern oder vermeiden. Weiterhin können durch das Verbindungsmittel Oberflächenrauhigkeiten der Halbleiterschichtenfolge und/oder des strahlungsdurchlässigen Bauelements kompensiert werden. Dadurch, dass das Verbindungsmittel mindestens einen niedrigschmelzenden Hauptbestandteil aufweist, sind vergleichsweise geringe Fügetemperaturen erzielbar. Hierdurch ist eine Lebensdauer des Halbleiterbauteils steigerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verbindungsmittel eines oder mehrere der nachfolgend genannten Materialien oder besteht aus einem oder aus mehreren dieser Materialien: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, MgSe, MgTe, MgS. Bei dem Material des Verbindungsmittels kann es sich also um eine binäre Verbindung aus S, Se, Te und aus einem Metall handeln, also insbesondere um 2-16-Verbindungen oder um 12-16-Verbindungen, wobei die Zahlen die Gruppenbezeichnung im Periodensystem der Elemente sind.
Ferner ist es möglich, dass das Material des Verbindungsmittels aus einer ternären Verbindung gebildet ist, insbesondere aus Ge₂₅Ga₁₀S₆₅, oder aus einer quaternären Verbindung wie BeMgZnSe. Bei den ternären und quaternären Verbindungen ist bevorzugt eine Komponente jeweils S, Se oder Te und mindestens eine weitere Komponente ist ein Metall oder ein Halbleiter, bevorzugt aus einer der Gruppen 2, 12, 13 oder 14 des Periodensystems der Elemente.
Insbesondere kann es sich bei dem Material des Verbindungsmittels um 11-13-16₂-Verbindungen, auch Chalkopyrite bezeichnet, handeln. Solche Verbindungen sind zum Beispiel CuGaS₂, CuGaSe₂, CuGaTe₂, CuInS₂, CuInSe₂, CuInTe₂, AgAlS₂, AgAlSe₂, AgAlTe₂, AgGaS₂, AgGaSe₂, AgGaTe₂, AgInS₂, AgInSe₂ oder AgInTe₂. Weiterhin können für das Verbindungsmittel 2-11₂-16₂-Verbindungen wie BaCu₂S₂ eingesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungsmittel frei von einer zu einer Strahlungserzeugung vorgesehenen Schicht. Mit anderen Worten wird im bestimmungsgemäßen Gebrauch in dem Verbindungsmittel keine Strahlung im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Material des Verbindungsmittels verschieden von den Materialien der Halbleiterschichtenfolge und/oder des strahlungsdurchlässigen Bauelements. Bevorzugt handelt es sich auch um verschiedene Materialsysteme. Verschiedene Materialsystem kann bedeuten, dass sich die Materialien in mindestens einem oder in allen ihrer Hauptbestandteile voneinander unterscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weichen der Brechungsindex des Verbindungsmittels und der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Bauelements um höchstens 25 % oder um höchstens 15 % oder um höchstens 10 % oder um höchstens 5 % voneinander ab. Hierdurch ist eine effiziente Lichteinkopplung aus dem Verbindungsmittel heraus in das strahlungsdurchlässige Bauelement möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbindungsmittels sowie des strahlungsdurchlässigen Bauelements und/oder der Halbleiterschichtenfolge ähnlich zueinander. Ähnlich kann bedeuten, dass die Ausdehnungskoeffizienten um höchstens einen Faktor 4 oder um höchstens einen Faktor 2 oder um höchstens einen Faktor 1,5 voneinander abweichen. Hierdurch sind thermische Belastungen insbesondere der Halbleiterschichtenfolge reduzierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das strahlungsdurchlässige Bauelement ein Optikkörper oder es umfasst das strahlungsdurchlässige Bauelement mindestens einen Optikkörper. Der Optikkörper kann Strahlungsauskoppelstrukturen wie Aufrauungen oder Oberflächenstrukturierungen aufweisen. Insbesondere dient der Optikkörper zu einer effizienten Auskopplung der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung aus dem Halbleiterbauteil heraus. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das strahlungsdurchlässige Bauelement strahlformende Eigenschaften aufweist und beispielsweise in Form einer Sammellinse oder eines Linsenarrays gestaltet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das strahlungsdurchlässige Bauelement ein Konversionselement zu einer Wellenlängenkonversion der von der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung oder es umfasst das Bauelement ein solches Konversionselement. Insbesondere absorbiert dann das Bauelement die gesamte oder einen Teil der von der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung und wandelt diese in eine Strahlung einer größeren Wellenlänge um. Für die Strahlung dieser größeren Wellenlänge ist das Bauelement durchlässig. Durchlässig bedeutet hierbei bevorzugt, dass die umgewandelte Strahlung das Bauelement verlassen kann. Dabei hat das Bauelement eine Transmission bei der Wellenlänge der umgewandelten Strahlung von zum Beispiel mindestens 2 % oder mindestens 5 % oder mindestens 10 %, in Durchsicht gesehen. Hierdurch kann von dem Halbleiterbauteil eine Mischstrahlung emittiert werden. Bei der Mischstrahlung kann es sich um weißes Licht handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das strahlungsdurchlässige Bauelement eine weitere Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Strahlungserzeugung oder es umfasst das Bauelement eine solche weitere Halbleiterschichtenfolge. Die weitere Halbleiterschichtenfolge kann zur Erzeugung einer Strahlung mit derselben Hauptwellenlänge wie die erste Halbleiterschichtenfolge eingerichtet sein. Ebenso ist es möglich, dass die beiden Halbleiterschichtenfolgen im bestimmungsgemäßen Gebrauch bei voneinander verschiedenen Hauptwellenlängen Strahlung emittieren. Es ist möglich, dass mehr als eine weitere Halbleiterschichtenfolge vorliegt. Zusätzlich zu der weiteren Halbleiterschichtenfolge können weitere der Bauelemente, zum Beispiel in Form eines Optikkörpers oder eines Konversionselements, vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungsmittel von Rauhigkeitsspitzen der Halbleiterschichtenfolge durchdrungen. Mit anderen Worten bildet dann das Verbindungsmittel keine geschlossene Schicht aus. Jedoch kann das Verbindungsmittel eine zusammenhängende Schicht sein. Hierdurch ist eine elektrisch leitfähige Verbindung durch das Verbindungsmittel hindurch realisierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das mit dem Verfahren hergestellte Halbleiterbauteil eine Zwischenschicht. Die Zwischenschicht ist bevorzugt elektrisch leitfähig und strahlungsdurchlässig. Beispielsweise ist die Zwischenschicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, geformt. Die Zwischenschicht befindet sich insbesondere an einer dem Verbindungsmittel zugewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge. Die Zwischenschicht kann in unmittelbarem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge und/oder zu dem Verbindungsmittel stehen. Bei der Zwischenschicht kann es sich um eine Stromaufweitungsschicht für die Halbleiterschichtenfolge handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Zwischenschicht Rauhigkeitsspitzen auf, die das Verbindungsmittel durchdringen. Beispielsweise ist die Zwischenschicht mit einer entsprechenden Oberflächenstrukturierung versehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verbindungsmittel eine mittlere Dicke auf, die mindestens einen Faktor 1,5 oder mindestens einen Faktor 2 oder mindestens einen Faktor 3 über der Summe von mittleren Rauheiten von der Verbindungsmittelschicht zugewandten Seiten der Halbleiterschichtenfolge und des strahlungsdurchlässigen Bauelements liegt. Alternativ übersteigt die mittlere Dicke des Verbindungsmittels die Summe der mittleren Rauheiten der Zwischenschicht sowie der Halbleiterschichtenfolge und/oder des strahlungsdurchlässigen Bauelements. Mit anderen Worten ist dann die Verbindungsmittelschicht derart dick, dass Unebenheiten sowohl der Halbleiterschichtenfolge als auch des strahlungsdurchlässigen Bauelements ausgleichbar sind. Bei dem Verbindungsmittel handelt es sich dann bevorzugt um eine durchgehende, ununterbrochene Schicht, insbesondere ohne Ausnehmungen und Durchdringungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht das Verbindungsmittel in unmittelbarem, physischem Kontakt zu dem strahlungsdurchlässigen Bauelement und/oder zu der Halbleiterschichtenfolge. Es können sich also das Verbindungsmittel und das Bauelement und/oder die Halbleiterschichtenfolge stellenweise oder ganzflächig oder im Wesentlichen ganzflächig berühren.
Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:

- Bereitstellen der Halbleiterschichtenfolge und des strahlungsdurchlässigen Bauelements,
- Aufbringen des Verbindungsmittels an der Halbleiterschichtenfolge und/oder an dem strahlungsdurchlässigen Bauelement, und
- Verbinden der Halbleiterschichtenfolge mit dem strahlungsdurchlässigen Bauelement.

Die Hauptbestandteile des Verbindungsmittel oder mindestens zwei der Hauptbestandteile des Verbindungsmittels werden hierbei jeweils getrennt voneinander in mindestens zwei Teilschichten abwechselnd übereinander aufgebracht. Weist das Verbindungsmittel beispielsweise genau zwei Hauptbestandteile auf, so weisen erste Teilschichten den ersten Hauptbestandteil und zweite Teilschichten den zweiten Hauptbestandteil auf und die ersten und die zweiten Teilschichten folgen abwechselnd aufeinander. Die Teilschichten weisen jeweils nur genau einen der Hauptbestandteile auf, im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Bei dem Verbinden liegt eine Verbindungstemperatur vor. Die Verbindungstemperatur ist größer als die Schmelztemperatur von mindestens einem der Hauptbestandteile. Bei dem Schritt des Verbindens der Halbleiterschichtenfolge mit dem strahlungsdurchlässigen Bauelement vermischen sich die Hauptbestandteile miteinander. Vermischen bedeutet zum Beispiel, dass sich die Hauptbestandteile zufällig durchmischen oder dass eine Reaktion der Hauptbestandteile zu einer stöchiometrischen Verbindung mit einer festen Verteilung der Hauptbestandteile auf geordnete Plätze eines Untergitters eines Kristalls abläuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verbindungstemperatur kleiner oder gleich einem Schmelzpunkt des fertig hergestellten Verbindungsmittels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die Verbindungstemperatur zwischen den Schmelztemperaturen der Hauptbestandteile. Es wird also mit einer vergleichsweise kleinen Verbindungstemperatur die mechanische Verbindung zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem strahlungsdurchlässigen Bauelement hergestellt. Beispielsweise beträgt die Verbindungstemperatur höchstens 750 K oder höchstens 700 K oder höchstens 600 K oder höchstens 550 K.
Mit anderen Worten werden dann beispielsweise nur die ersten Teilschichten aufgeschmolzen und der Hauptbestandteil der ersten Teilschichten löst den Hauptbestandteil in den zweiten Teilschichten an und/oder auf. Es ist möglich, dass die zweiten Teilschichten nicht in eine flüssige Phase übergehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die Verbindungstemperatur oberhalb der Schmelztemperaturen von mindestens zwei der Hauptbestandteilen oder von allen Hauptbestandteilen. Es werden dann bevorzugt alle der Teilschichten kurzzeitig aufgeschmolzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden insgesamt mindestens zwanzig oder mindestens vierzig oder mindestens sechzig der Teilschichten aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich liegt die Zahl der Teilschichten bei höchstens 300 oder bei höchstens 200 oder bei höchstens 160.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens lösen sich die Teilschichten beim Verbinden auf und das Verbindungsmittel wird als homogene Schicht ausgebildet. Homogen kann hierbei bedeuten, dass in dem Verbindungsmittel keine gezielten Materialvariationen vorliegen. Bevorzugt liegt über das gesamte Verbindungsmittel hinweg, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, ein und dasselbe Material vor, das aus den Hauptbestandteilen gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Teilschichten vor dem Schritt des Verbindens solche Dicken auf, dass die Hauptbestandteile in einem stöchiometrisch korrekten Mengenverhältnis zueinander für das Material des Verbindungsmittels vorliegen. Ist das Material des Verbindungsmittel beispielsweise ZnSe, so werden die Teilschichten mit Zn sowie die Teilschichten mit Se in solchen Dicken aufgebracht, dass Zn sowie Se in einem Mengenverhältnis von 1:1 hinsichtlich der Anzahl der Atome vorliegt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass bei dem Verbinden aus den verschiedenen Teilschichten eine stöchiometrisch korrekte Verbindung entsteht, im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mindestens einer der Hauptbestandteile strahlungsundurchlässig für die in der aktiven Schicht erzeugte Strahlung. Mit anderen Worten kann das Verbindungsmittel vor dem Schritt des Verbindens opak sein. Die Strahlungsdurchlässigkeit des Verbindungsmittels wird dann erst bei dem Schritt des Verbindens und bei dem Vermischen und/oder Reagieren der Hauptbestandteile miteinander erreicht.
Werden die Hauptbestandteile jeweils als Teilschichten abgeschieden, ist eine Mindestfügetemperatur durch den niedrigsten Schmelzpunkt der verschiedenen Hauptbestandteile bestimmt. Es ist nicht nötig, dass die Verbindungstemperatur über den Schmelztemperaturen von allen Hauptbestandteilen liegt. Es schmilzt also mindestens der niederschmelzende Hauptbestanteil beim Verbinden auf und erstarrt dabei bevorzugt isotherm unter Bildung des eigentlichen Materials des Verbindungsmittels beim Reagieren/Vermischen mit dem mindestens einen weiteren Hauptbestandteil.
Handelt es sich bei dem fertig hergestellten Verbindungsmittel um eine tertiäre oder um eine quaternäre Verbindung, so liegen bevorzugt genau zwei verschieden zusammengesetzte Arten von Teilschichten vor. Zum Beispiel die ersten Teilschichten umfassen den oder alle der niedrig schmelzenden Hauptbestandteile wie S, Se, Te oder Zn. Die zweiten Teilschichten können dann ausschließlich aus den weiteren Hauptbestandteilen gebildet sein. Die ersten und/oder die zweiten Teilschichten können somit aus einer binären oder tertiären Verbindung geformt sein. Solche Teilschichten sind zum Beispiel mit Sputtern erzeugbar.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Hauptbestandteile jeweils in separaten Teilschichten vorliegen. Jede der Teilschichten umfasst dann genau einen der Hauptbestandteile, im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Ist mindestens einer der Hauptbestandteile in den Teilschichten strahlungsundurchlässig, so kann in die Fügezone Wärme über Strahlung eingekoppelt werden. Hierdurch ist ein gezieltes Aufschmelzen möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Fügeflächen der Reaktionszone unmittelbar insbesondere durch die Halbleiterschichtenfolge und das strahlungsdurchlässige Bauelement begrenzt. Hierdurch ist ein Abdampfen und ein Verflüchtigen von Bestandteilen des Verbindungsmittels beim Verbinden verhinderbar oder reduzierbar. Bevorzugt wird während dem Schritt des Verbindens ein Druck auf die Teilschichten und/oder das Verbindungsmittel ausgeübt.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 und 5 schematische Darstellungen von Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
2 und 3 schematische Schnittdarstellungen von Beispielen von mit hier beschriebenen Verfahren hergestellten optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
4 eine schematische Darstellung von Eigenschaften von Materialien für ein hier beschriebenes Verbindungsmittel.

In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Es wird eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einer aktiven Schicht 20 bereitgestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich an einem Träger 6. Bei dem Träger 6 kann es sich um ein Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 2 oder um ein von einem Aufwachssubstrat verschiedenes Ersatzsubstrat handeln.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine Wachstumsrichtung x auf, die senkrecht zu dem Träger 6 orientiert ist. Eine Hauptemissionsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 2 liegt bevorzugt parallel zu der Wachstumsrichtung x. Ferner wird ein strahlungsdurchlässiges Bauelement 4 bereitgestellt. Auf einer Seite 43 des Bauelements 4 werden erste Teilschichten 31 und zweite Teilschichten 32 eines Verbindungsmittels 3 abwechselnd aufgebracht. Die Teilschichten 31, 32 umfassen jeweils genau einen Hauptbestandteil des Verbindungsmittels 3. Beispielsweise sind die ersten Teilschichten 31 aus Zn geformt und die zweiten Teilschichten 32 aus S.
In 1 sind schematisch nur jeweils zwei der ersten Teilschichten 31 und der zweiten Teilschichten 32 eingezeichnet. Es können deutlich mehr als die gezeichneten Teilschichten 31, 32 vorhanden sein.
Zum Verbinden wird das strahlungsdurchlässige Bauelement 4 mit den Teilschichten 31, 32 relativ zu der Halbleiterschichtenfolge 2 an dem Träger 6 derart positioniert, dass sich das Verbindungsmittel 3 an der der Halbleiterschichtenfolge 2 zugewandten Seite 43 des strahlungsdurchlässigen Bauelements 4 befindet. Anschließend werden die Halbleiterschichtenfolge 2 und das Bauelement 4 aneinandergedrückt, symbolisiert durch den Pfeil zwischen diesen Komponenten in 1. Durch Temperatureinwirkung wird über das Verbindungsmittel 3 dann eine mechanisch feste, dauerhafte Verbindung zwischen dem strahlungsdurchlässigen Bauelement 4 und der Halbleiterschichtenfolge 2 hergestellt.
Das Verbindungsmittel 3 befindet sich in dem fertig hergestellten Halbleiterbauteil 1 entlang der Wachstumsrichtung x zwischen dem strahlungsdurchlässigen Bauelement 4 und der Halbleiterschichtenfolge 2.
Beim Verbinden der Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem Bauelement 4 schmelzen insbesondere die zweiten Teilschichten 32 auf und lösen hierdurch die Zn-Teilschichten 31 auf. Hierdurch entsteht die Schicht mit dem nach dem Verbinden strahlungsdurchlässigen Verbindungsmittel 3. Vor dem Verbinden, solange die Teilschichten 31, 32 vorliegen, ist das Verbindungsmittel 3 für in der aktiven Schicht 20 erzeugte Strahlung undurchlässig.
In 2 ist in einer Schnittdarstellung ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils 1 angegeben. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert zum Beispiel auf AlInGaN und emittiert im Betrieb insbesondere blaues Licht. Bei dem Halbleiterbauteil 1 handelt es sich um eine Leuchtdiode. Das Bauelement 4 ist als Konversionselement gestaltet und umfasst ein keramisches Konverterplättchen. Das Bauelement 4 absorbiert einen Teil der in der aktiven Schicht 20 erzeugten Strahlung, so dass von dem Halbleiterbauteil 1 im Betrieb bevorzugt weißes Mischlicht emittiert wird.
Das Verbindungsmittel 3 ist bevorzugt aus ZnS geformt und weist bei einer Wellenlänge von 468 nm einen Brechungsindex von ungefähr 2,45 auf. Hierdurch ist eine interne Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und dem Verbindungsmittel 3 nahezu verhinderbar. Somit kann Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge 2 sehr verlustarm über das Verbindungsmittel 3 in das Bauelement 4 gelangen. Zudem weist ZnS eine gute thermische Leitfähigkeit auf, so dass das Bauelement 4 über das Verbindungsmittel 3 thermisch effizient an die Halbleiterschichtenfolge 2 und an den Träger 6 gekoppelt ist. ZnS weist einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,5 × 10^-6 1/K auf, der gut an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Materialien wie Saphir oder Germanium, die zum Beispiel für den Träger 6 verwendet werden können, angepasst ist.
Vor dem Schritt des Verbindens ist das Verbindungsmittel 3 beispielsweise aus einem Schichtenstapel mit insgesamt 100 Perioden von 1,5 nm dicken Zinkschichten und von 2,5 nm dicken Schwefelschichten gebildet. Unter einem Anpressdruck von ungefähr 1 MPa und bei einer Verbindungstemperatur von ungefähr 160 °C wird dann das strahlungsdurchlässige Bauelement 4 an der Halbleiterschichtenfolge 2 befestigt.
Optional ist es möglich, dass an der der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite des Trägers 6 eine Metallisierung 9 angebracht ist. Eine solche Metallisierung 9 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
In 3 ist ein weiteres Beispiel des Halbleiterbauteils 1 gezeigt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert insbesondere auf AlGaInP und emittiert im Betrieb im roten, orangen oder grünen Spektralbereich. Bei dem Bauelement 4 handelt es sich um einen Optikkörper mit einer Lichtauskoppelstruktur. Das Bauelement 4 basiert oder besteht beispielsweise aus GaP. Das Bauelement 4 kann mit Strukturierungen versehen sein, wie in der Druckschrift Carr, Photometric Figures of Merit for Semiconductor Luminescent Sources Operating in Spontaneous Mode, in Infrared Physics, 6, Seiten 1 bis 19, 1966, angegeben.
Vor dem Verbinden ist das Verbindungsmittel beispielsweise aus einem Stapel aus 16 Perioden von 64 nm dicken Se-Schichten und von 36 nm dicken Zn-Schichten gebildet. Das Verbinden erfolgt bei einem Druck von ungefähr 0,2 MPa und bei einer Temperatur von ungefähr 250 °C.
Die Teilschichten mit dem Se schmelzen bei einer Temperatur von ungefähr 221 °C. Die Schichtdicke aller Se-Schichten insgesamt, die ungefähr 1 µm beträgt, erlaubt es, Unebenheiten zwischen dem Bauelement 4 und der Halbleiterschichtenfolge 2 beim Aufschmelzen der Se-Schichten auszugleichen, in 3 durch Aufrauungen der dem Verbindungsmittel 3 zugewandten Seiten 23, 43 symbolisiert.
Die verflüssigte Se-Schmelze löst das Zn an und es erfolgt eine Reaktion zu ZnSe, bis alles Zn aufgebraucht ist. Die Reaktion ist beispielsweise nach einer Reaktionszeit von ungefähr 30 min abgeschlossen.
ZnSe weist eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 18 W/m K auf und einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 7,6 × 10^-6 1/K, der möglichen Trägermaterialien GaAs, Ge oder Saphir ähnlich ist.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass sich zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und dem Träger 6 eine Spiegelschicht 8 und/oder eine Fügeschicht 7 befindet.
In 4A ist ein Verlauf des Brechungsindexes n gegenüber der Wellenlänge λ, angegeben in nm, für ZnSe gezeichnet. In 4B sind Bandlücken sowie Quellenangaben hierzu für mögliche Materialien für das Verbindungsmittel 3 zusammengestellt. Die Verbindungen sind in der ersten Spalte angegeben, die Bandlücken in der zweiten Spalte und die Quellenangaben in der dritten Spalte. Gitterkonstanten für derartige Verbindungen sind in der Druckschrift Roland Scheer, Hans-Werner Schock: Chalcogenide Photovoltaics, Verlag Wiley VCH, Weinheim, 2011, angegeben, insbesondere in Verbindung mit 4.8.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens für das optoelektronische Halbleiterbauteil 1 ist in 5 illustriert. Gemäß 5A wird eine erste Halbleiterschichtenfolge 2a auf einem ersten Träger 6a bereitgestellt. Auf der ersten Halbleiterschichtenfolge 2a werden 125 Perioden einer stöchiometrisch korrekten 10 nm dicken Zweifachlage aus Zn und aus S aufgebracht. Es sind also insgesamt 250 Teilschichten 31, 32 vorhanden.
Ferner wird das strahlungsdurchlässige Bauelement 4 bereitgestellt, das die zweite Halbleiterschichtenfolge 2b auf dem zweiten Träger 6b umfasst. Bei dem zweiten Träger 6b handelt es sich bevorzugt um ein Epitaxiesubstrat für die zweite Halbleiterschichtenfolge 2b.
Optional befindet sich an der zweiten Halbleiterschichtenfolge 2b an einer dem zweiten Träger 6b abgewandten Seite eine Zwischenschicht 5b. Die Zwischenschicht 5b ist beispielsweise aus einem transparenten, leitfähigen Oxid geformt. Eine solche weitere Zwischenschicht 5a kann auch zwischen der ersten Halbleiterschichtenfolge 2a und dem Verbindungsmittel 3 angebracht sein. Die Zwischenschichten 5a, 5b können mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sein.
In 5B ist das fertig hergestellte Halbleiterbauteil 1 gezeigt. Das Verbinden zwischen den beiden Komponenten des Halbleiterbauteils 1 erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 400 °C und bei einem Druck von 10 MPa. Hierdurch werden die Teilschichten 31, 32 kurzzeitig aufgeschmolzen. Die Reaktion von Zn und S lässt das Verbindungsmittel zu transparentem ZnS erstarren. Rauhigkeitsspitzen der Zwischenschicht 5b durchstoßen dabei die Schicht des Verbindungsmittel 3. Hierdurch sind die Zwischenschichten 5a, 5b elektrisch miteinander verbunden.
Abweichend von der Darstellung in 5B ist es auch möglich, dass Rauhigkeiten der Halbleiterschichtenfolgen 2a, 2b selbst das Verbindungsmittel 3 durchdringen. Anders als gezeichnet ist es möglich, dass an der dem Träger 6a abgewandten Seite 40 der zweiten Halbleiterschichtenfolge 2b ein weiteres Verbindungsmittel 3 und eine weitere Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Zusätzlich können ebenso andere strahlungsdurchlässige Bauelemente 4, beispielsweise wie in Verbindung mit den 2 oder 3 beschrieben, angebracht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) mit den Schritten: - Bereitstellen mindestens einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht (20) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und eines strahlungsdurchlässigen Bauelements (4), - Aufbringen des Verbindungsmittels (3) an der Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder an dem strahlungsdurchlässigen Bauelement (4), und - mechanisches Verbinden der Halbleiterschichtenfolge (2) mit dem strahlungsdurchlässigen Bauelement (4) mittels eines Verbindungsmittels (3), das schichtartig geformt wird und das strahlungsdurchlässig ist sowie dazu eingerichtet ist, mindestens von einem Teil der in der aktiven Schicht (20) erzeugten Strahlung durchlaufen zu werden, wobei - ein Brechungsindex des Verbindungsmittels (3) von einem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) um höchstens 25 % abweicht, - das Verbindungsmittel (3) mindestens zwei Hauptbestandteile aufweist, bei denen es sich um Elemente aus dem Periodensystem handelt und die bei einer Temperatur von 300 K Feststoffe sind und wenigstens einer der Hauptbestandteile eine Schmelztemperatur von höchstens 750 K aufweist, - die Hauptbestandteile getrennt voneinander in mindestens zwei Teilschichten (31, 32) abwechselnd übereinander aufgebracht werden, sodass die Teilschichten (31, 32) jeweils nur genau einen der Hauptbestandteile aufweisen, - beim Verbinden eine Verbindungstemperatur größer ist als die Schmelztemperatur von mindestens einem der Hauptbestandteile, und - beim Verbinden sich die Hauptbestandteile vermischen, sodass sich die Teilschichten (31, 32) beim Verbinden auflösen und das Verbindungsmittel (3) als homogene Schicht ausgebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Verbindungstemperatur zwischen den Schmelztemperaturen der Hauptbestandteile liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungstemperatur oberhalb der Schmelztemperaturen der Hauptbestandteile liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen einschließlich 20 und 300 der Teilschichten (31, 32) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilschichten (31, 32) mit solchen Dicken aufgebracht werden, dass die Hauptbestandteile in einem stöchiometrisch korrekten Mengenverhältnis zueinander für das Material des Verbindungsmittels (3) vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungsmittel (3), nach dem Schritt des Verbindens, aus mindestens einem der nachfolgend genannten Materialien besteht oder mindestens eines dieser Materialien umfasst: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, MgS, MgSe, MgTe, wobei das Verbindungsmittel (3) frei ist von einer zu einer Strahlungserzeugung vorgesehenen Schicht und das Material des Verbindungsmittels (3) von einem Material der Halbleiterschichtenfolge (2) und von einem Material des strahlungsdurchlässigen Bauelements (4) verschieden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Brechungsindex des Verbindungsmittels (3) von einem Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Bauelements (4) um höchstens 10 % abweicht, nach dem Schritt des Verbindens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmittels (3) von einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des strahlungsdurchlässigen Bauelements (4) und/oder der Halbleiterschichtenfolge (2) um höchstens einen Faktor 2 abweicht, nach dem Schritt des Verbindens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das strahlungsdurchlässige Bauelement (4) ein Optikkörper mit einer Strahlungsauskoppelstruktur ist oder einen solchen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das strahlungsdurchlässige Bauelement (4) ein Konversionselement zu einer teilweisen oder vollständigen Wellenlängenkonversion der von der Halbleiterschichtenfolge (2) erzeugten Strahlung ist oder ein solches umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das strahlungsdurchlässige Bauelement (4) eine weitere Halbleiterschichtenfolge (2b) mit einer aktiven Schicht (20) zur Strahlungserzeugung ist oder eine solche umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungsmittel (3) von Rauhigkeitsspitzen der Halbleiterschichtenfolge (2) durchdrungen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Verbindungsmittel (3) eine Dicke aufweist, die mindestens einen Faktor 1,5 über der Summe von mittleren Rauheiten von der Verbindungsmittelschicht (3) zugewandten Seiten (23, 43) der Halbleiterschichtenfolge (2) und des strahlungsdurchlässigen Bauelements (4) liegt.