DE102013101598A1

DE102013101598A1 - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102013101598A1
Application number: DE102013101598.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Dirscherl; I-Hsin Lin; Gertrud Kräuter; Norwin von Malm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-19
Also published as: WO2014124854A1; DE102013101598B9; DE102013101598B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (100) mit den Schritten:
– Bereitstellen eines Substrats (1),
– Erzeugen eines Mehrschichtaufbaus mit einer Halbleiterschichtenfolge (2) und einer Barriereschicht (3) auf dem Substrat (1),
– wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
– wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine dem Substrat (1) abgewandte Strahlungshauptseite (12) aufweist,
– wobei die zumindest eine Barriereschicht (3) auf der Strahlungshauptseite (12) der Halbleiterschichtenfolge (2) oder auf zumindest einer Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) oder innerhalb oder unterhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) oder Kombinationen daraus aus einer Beschichtungsflüssigkeit erzeugt wird, welche Polysilazan oder deren Derivate und/oder eine Perhydropolysilazan oder deren Derivate umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Strahlung emittierende Bauelemente sind häufig bei deren Verwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, einer salzsauren Atmosphäre und/oder Schadgasen (H₂S, SO₂, etc.), ausgesetzt. Ursächlich hierfür ist eine gewisse Permeabilität der in den Strahlung emittierenden Bauelementen befindlichen Vergussmaterialien (Silikone) für Feuchtigkeit und Schadgase. Vergussmaterialien auf Basis von Epoxiden sind ebenfalls nur begrenzt feuchteresistent und zudem noch nicht vergilbungsstabil und gering lichtdurchlässig. Einzelne Komponenten der Strahlung emittierenden Bauelemente, beispielsweise optoelektronische Halbleiterchips, Metallisierungen oder das gesamte optoelektronische Bauelement sind der Feuchtigkeit oder Schadgasen ausgesetzt und letztlich korrosionsanfällig.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements anzugeben, dass einen verbesserten Schutz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsform und Weiterbildung der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform umfasst folgende Schritte:

– Bereitstellen eines Substrats,
– Erzeugen eines Mehrschichtaufbaus mit einer Halbleiterschichtenfolge und einer Barriereschicht auf dem Substrat,
– wobei die Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
– wobei die Halbleiterschichtenfolge eine dem Substrat abgewandte Strahlungshauptseite aufweist,
– wobei die zumindest eine Barriereschicht auf der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge oder auf zumindest einer Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge oder innerhalb oder unterhalb der Halbleiterschichtenfolge oder Kombinationen daraus aus einer Beschichtungslösung oder Beschichtungsflüssigkeit erzeugt wird, welche Polysilazan oder eine Polysilazan-Lösung oder deren Derivate und/oder Perhydropolysilazan oder eine Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivate umfasst oder daraus besteht.

Unter dem Begriff ”Halbleiterbauelement” sind nicht nur fertige Bauelemente, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden zu verstehen, sondern auch Substrate und/oder Halbleiterschichten, sodass beispielsweise bereits ein Verbund einer Kupfer-Schicht und einer Halbleiterschicht ein Bauelement darstellen und einen Bestandteil eines übergeordneten zweiten Bauelements bilden kann, in dem beispielsweise zusätzlich elektrische Anschlüsse vorhanden sind. Das erfindungsgemäße optoelektronische Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein Dünnfilm-Halbleiterchip, insbesondere ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip sein.
Hier und im Folgenden wird unter dem Begriff „Lösung” in Beschichtungslösung, Polysilazan-Lösung oder deren Derivate und/oder in Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivate auch verstanden, dass das Polysilazan und/oder Perhydropolysilazan als zumindest ein polymeres an sich flüssiges Molekül vorliegt, aus dem dann durch weitere Vernetzung eine feste Schicht erzeugt werden kann. Dabei ist ein Lösungsmittel nicht unbedingt erforderlich. Alternativ kann Lösung auch die Bildung einer Solvathülle um Polysilazan- und/oder Perhydropolysilazan-Moleküle bezeichnen, also eine Mischung dieser Moleküle mit einem Lösungsmittel.
Unter Beschichtungsflüssigkeit kann hier und im Folgenden eine Flüssigkeit ohne Zusatz eines Lösungsmittels verstanden werden.
Beschichtungslösung kann in dieser Anmeldung auch als Beschichtungsflüssigkeit und umgekehrt bezeichnet werden.
Polysilazan-Lösung kann in dieser Anmeldung auch als Polysilazan und umgekehrt bezeichnet werden.
Perhydropolysilazan-Lösung kann in dieser Anmeldung auch als Perhydropolysilazan und umgekehrt bezeichnet werden.
Unter ”Mehrschichtaufbau” ist in diesem Zusammenhang eine Schichtenfolge zu verstehen, die mehr als eine übereinander angeordnete Schichten umfasst, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Mehrschichtaufbau eine Halbleiterschichtenfolge und eine Barriereschicht umfassen, wobei die in der Halbleiterschichtenfolge eingesetzten Halbleitermaterialien nicht beschränkt sind, sofern diese zumindest teilweise Elektrolumineszenz aufweisen. Es werden beispielsweise Verbindungen aus Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silizium, Kohlenstoff und Kombinationen daraus ausgewählt sind. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die Schichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, 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 beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Die obige Formel gibt in vereinfachender Darstellung nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) an, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionelle Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, Pufferschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionellen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Insbesondere umfasst die Halbleiterschichtenfolge gemäß einer Ausführungsform eine erste Kontaktierungsschicht, welche als n-dotierte Ladungsträgertransportschicht ausgestaltet sein kann, und eine zweite Kontaktierungsschicht, welche als p-dotierte Ladungsträgertransportschicht ausgestaltet sein kann.
Erste Kontaktierungsschicht kann gemäß einer Ausführungsform eine n-leitende Halbleiterschicht sein.
Zweite Kontaktierungsschicht kann gemäß einer Ausführungsform eine p-leitende Halbleiterschicht sein.
Erste und/oder zweite Kontaktierungsschicht kann hier und im Folgenden auch als erste und/oder zweite Kontaktschicht bezeichnet werden.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine Strahlungshauptseite, die dem Substrat abgewandt ist. Insbesondere ist die Strahlungshauptseite senkrecht zu einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge des optoelektronischen Halbleiterbauelements orientiert.
Gemäß einer Ausführungsform kann das optoelektronische Halbleiterbauelement als organische Leuchtdiode (OLED) ausgestaltet sein.
Dass eine Schicht oder ein Element „auf” oder „über” einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Dass eine Schicht oder ein Element „innerhalb” der Halbleiterschichtenfolge angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die Schicht, beispielsweise die Barriereschicht, unmittelbar oder mittelbar mit einer anderen Schicht oder dem anderen Element der Halbleiterschichtenfolge in mechanischen und/oder elektrischen Kontakt steht. Die Schicht, beispielsweise die Barriereschicht, kann insbesondere mit dem aktiven Bereich, weiteren funktionellen Schichten und funktionellen Bereichen, p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, Pufferschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus unmittelbar und/oder mittelbar in Kontakt stehen. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein. Insbesondere kann dies auch bedeuten, dass die Halbleiterschichtenfolge die Barriereschicht umfasst.
Dass eine Schicht oder ein Element „unterhalb” der Halbleiterschichtenfolge angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass eine Schicht oder ein Element, beispielsweise die Barriereschicht, „zwischen” Substrat und Halbleiterschichtenfolge angeordnet oder aufgebracht ist. Dass eine Schicht oder ein Element „zwischen” zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur einen der zwei anderen Schichten oder Elementen und in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur anderen der zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Element angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht aus einer Beschichtungslösung, welche eine Polysilazan-Lösung und deren Derivate und/oder eine Perhydropolysilazan-Lösung und deren Derivate umfasst, erzeugt. Durch das Aufbringen der Barriereschicht auf beispielsweise der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge oder auf zumindest einer Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge oder innerhalb oder unterhalb der Halbleiterschichtenfolge oder Kombinationen daraus wird eine Beschichtung erzeugt. Unter Beschichten wird hier und im Folgenden verstanden, das Aufbringen einer Polysilazan-Lösung und deren Derivate und/oder eine Perhydropolysilazan-Lösung und deren Derivate auf die Oberfläche und/oder Seitenfläche zumindest einer Schicht des Mehrschichtaufbaus des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Bei einer Beschichtung kann es sich um eine dünne Barriereschicht mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 500 nm oder um eine dicke Barriereschicht mit einer Schichtdicke von 500 nm bis 50 μm sowie um mehrere in sich zusammenhängende Schichten handeln.
Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform eine Barriereschicht mit einer Schichtdicke von kleiner als 1 μm, insbesondere mit einer Schichtdicke zwischen 50 nm und 500 nm, beispielsweise 300 nm erzeugt.
Polysilazane sind polymere Verbindungen, in denen Silizium und Stickstoffatome in alternierender Anordnung das chemische Grundgerüst bilden. Häufig ist dabei jedes Siliziumatom an zwei Stickstoffatome gebunden und jedes Stickstoffatom an zwei Siliziumatome, so dass sich bevorzugt molekulare Ketten und/oder Ringe der Formel [R₁R₂Si-NR₃]_n bilden. R₁ bis R₃ können dabei Wasserstoffatome oder organische Reste sein. Sind ausschließlich H-Atome als Substituenten vorhanden, bezeichnet man das Polymer als Perhydropolysilazan mit der Formel [H₂Si-NH]_n. Oft wird auch Perhydropolysilazan als Polyperhydridosilazan oder anorganisches Polysilazan bezeichnet. Sind Kohlenwasserstoffreste am Silizium gebunden so wird es hier und im Folgenden als Organopolysilazan bezeichnet. Polysilazane sind aus einer oder mehreren Grundeinheiten, den Monomeren, aufgebaut. Durch Aneinanderreihung dieser Grundeinheiten der Monomere bilden sich unterschiedlich große Ketten und/oder Ringe und dreidimensional vernetzte Makromoleküle mit einer mehr oder weniger breiten Molmassenverteilung.
Die Beschichtungsflüssigkeit kann alternativ oder zusätzlich Polysilazon umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Barriereschicht SiOx, wobei SiOx unter Abspaltung von Ammoniak aus der Beschichtungslösung erzeugt wird. In Anwesenheit von Luft und/oder Feuchtigkeit und/oder polaren Oberflächen, beispielsweise OH-Gruppen, findet eine Kondensationsreaktion statt, bei der Ammoniak (NH3) entweicht. Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht erzeugt, indem eine Kondensation unter Ammoniak-Emission stattfindet.
Folgendes Reaktionsschema zeigt die Erzeugung von SiOx (C) unter Abspaltung von Ammoniak aus der Beschichtungslösung (A), welche eine Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivate umfasst:
Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform als Polysilazan ein Perhydropolysilazan vorgesehen, also ein nur mit Wasserstoff gesättigtes Polysilazan ohne organischen Rest. Ein Vorteil des Perhydropolysilazans kann darin bestehen, dass es zu einem SiO_x-Netzwerk aushärten kann. Das Netzwerk ist dann also vorzugsweise frei von Stickstoff und Kohlenstoff.
SiOx ist gemäß einer Ausführungsform glasartig. Das x in SiOx ist maximal 2. In der Regel ist x kleiner als 2. Ist gemäß einer Ausführungsform x kleiner als 2, dann entfällt der Rest zu 2 auf die OH-Gruppen (siehe obiges Reaktionsschema). SiOx ist feuchtigkeitsunempfindlich. Damit verliert eine Schicht aus SiOx seine Barriere-, Isolation- bzw. Schutzfunktion auch unter Feuchtigkeitseinfluss nicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Barriereschicht umfassend SiO_x erzeugt, wobei die Barriereschicht dicht ist. „Dicht” bedeutet dabei, dass die Barriereschicht eine Permeationsrate von kleiner oder gleich 0,1 g H₂O/m² Tag, beispielsweise 10^–5 g H₂O/m² Tag aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform härtet die Beschichtungslösung, welche Perhydropolysilazan-Lösung und deren Derivate umfasst oder daraus besteht, also zu einem glasartigen Formkörper. Insbesondere ist der Formkörper eine Barriereschicht und zum Beispiel auf der Oberfläche einer weiteren Schicht oder eines Elements des Mehrschichtaufbaus angeordnet. Die Barriereschicht hat insbesondere eine in einer Richtung parallel zur Schichtebene größere Ausdehnung als in Dickenrichtung, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt eine mindestens 5-, 10-, 20-, 1000-fache Ausdehnung.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Beschichtungslösung durch ein Verfahren, ausgewählt aus Sprühen, Dispensen, Drucken und Spincoating, aufgebracht. Durch Spincoating kann ein gleichmäßiger dünner Film, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 300 nm erzeugt werden. Dabei wird ein Überschuss der Beschichtungslösung auf der Oberfläche einer zu beschichtenden Schicht oder eines Elements platziert, wobei dann die Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit rotiert und somit die Beschichtungslösung durch Zentrifugalkraft verteilt wird.
”Dispensen” kann hier und im Folgenden strukturiertes oder unstruktiertes Aufbringen der Beschichtungslösung bedeuten. Insbesondere kann die Beschichtungslösung strukturiert mittels Druckverfahren erzeugt werden.
”Sprühen” bedeutet hier und im Folgenden das Verteilen einer Beschichtungslösung in feinste Tröpfchen als Aerosol (Nebel) in einem Gas (üblicherweise Luft oder Stickstoff (N₂)) und Niederschlagen auf einer Oberfläche. Dadurch kann eine Barriereschicht mit einer gleichmäßigen Schichtdicke erzeugt werden. Außerdem können Oberflächen-Topographien sicher überformt werden. Dabei kann eine „dichte” Schicht erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Beschichtungslösung zu einer Barriereschicht an- oder ausgehärtet.
Anhärten einer Beschichtungslösung bedeutet hier und im Folgenden, dass die Beschichtungslösung teilweise kondensiert, härtet oder vernetzt, wobei ihre Viskosität zunimmt gegenüber ihrer Viskosität im Zeitpunkt des in Kontakttretens mit der Oberfläche, auf der die Beschichtungslösung aufgebracht wird. Oberfläche bezeichnet hier und im Folgenden nicht nur die obere Fläche oder Strahlungshauptseite des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Vielmehr bezeichnet es auch die Oberflächen und/oder Seitenflächen von Zwischenschichten innerhalb des optoelektronischen Halbleiterbauelements. „Angehärtet” meint konkret einen Zustand, in dem die Viskosität um in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10%, 20%, 30%, 40% zugenommen hat. Besonders bevorzugt entsteht ein Festkörper, was als „Aushärten” bezeichnet wird, der nicht zwingend, aber vorzugsweise starr ist. Beim Anhärten nimmt dann die Vernetzung der Polysilazan-Moleküle zu, beispielsweise hin zu einer gelartigen Konsistenz bzw. Zustand; auch ein Aushärten zu einem Festkörper ist möglich, es kann sich beispielsweise um einen Duromer handeln.
Im Allgemeinen vernetzen beim Anhärten Monomere bzw. Polymere, es verlängern sich bzw. entstehen also Polymerketten beziehungsweise auch Polymerringe. Organische Reste eines Organopolysilazans können auch in Abhängigkeit von ihrer Größe die Eigenschaften der entstehenden Makromoleküle beeinflussen, sodass beispielsweise große Seitengruppen aufgrund eines „Abschirmeffekts” die Wechselwirkung mit Wasser reduzieren können.
Die Beschichtungslösung kann nicht nur angehärtet, sondern auch gemäß einer weiteren Ausführungsform vollständig ausgehärtet werden. Beim vollständigen Aushärten entsteht im Falle von Perhydropolysilazan eine SiOx-Barriereschicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht nach oder zwischen der An- oder Aushärtung strukturiert. Mit anderen Worten kann die Barriereschicht nach der Aushärtung oder zwischen Aufbringen der Barriereschicht und Anhärtung strukturiert werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht während des Aufbaus des „Mehrschichtaufbaus”, beispielsweise nach dem Aufbringen und Strukturieren des zweiten elektrischen Anschlusses (p-Kontakt-Metalls) und vor dem Aufbringen des ersten elektrischen Anschlusses (n-Kontakt-Metalls), also zur Kapselung des zweiten elektrischen Anschlusses (p-Kontakt-Metalls) strukturiert.
Dass eine Barriereschicht strukturiert erzeugt wird bedeutet hier und im Folgenden, dass die Barriereschicht zumindest teilweise als Schicht aufgebracht wird, wobei diese Schicht eine definierte Form und Grundfläche aufweist.
Unstrukturiert bedeutet hier und im Folgenden eine planare Schicht, welche nicht durchbrochen ist und somit eine homogene Schicht ist. Dabei kann die homogene Schicht gemäß einer Ausführungsform mit einer gleichmäßigen Schichtdicke ausgeformt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Anhärten und/oder Aushärten der Beschichtungslösung bei einer Umgebungstemperatur von mindestens Raumtemperatur erzeugt.
Die Beschichtungslösung, welche Polysilazan oder deren Derivate und/oder Perhydropolysilazan oder deren Derivate umfasst, härtet vorzugsweise bei einer Umgebungstemperatur von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 20°C, 25°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C an und/oder aus. Bevorzugte von den eben genannten Untergrenzen unabhängige Obergrenzen liegen in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei höchstens 220°C, 200°C, 180°C, 160°C. Somit kann die Härtung der Beschichtungslösung bei erhöhter Temperatur beschleunigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Beschichtungslösung unter Trockenboxbedingung und unter Einwirkung eines Katalysators, welcher bereits in der Beschichtungslösung enthalten ist oder den man später auf die Barriereschicht einwirken lässt, an- oder ausgehärtet. Trockenboxbedingung bezeichnet hier und im Folgenden eine Luftfeuchte von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt weniger als 20%, 10%, 5%, 2%.
Als Katalysator kann Methylamin verwendet werden, welcher die Reaktion beschleunigen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Barriereschicht direkt oder indirekt auf der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge und/oder direkt oder indirekt an den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge erzeugt werden.
„Indirekt auf der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge” bedeutet dabei, dass weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der Barriereschicht und der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein können.
„Direkt auf der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge” bedeutet dabei, dass die Barriereschicht zumindest in direktem mechanischen Kontakt zur Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge steht.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge eine erste Kontaktschicht auf, wobei die Barriereschicht direkt über der ersten Kontaktschicht erzeugt wird. Dabei stehen erste Kontaktschicht und Barriereschicht in direktem mechanischem Kontakt zueinander.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht innerhalb und unterhalb der Halbleiterschichtenfolge strukturiert oder unstrukturiert erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Strukturierung mittels Ätzen (trocken oder nass) nach dem Aushärten. Trockenätzen kann beispielsweise mit CF₄ erfolgen. Nassätzen kann beispielsweise mit HF und/oder gepufferter HF-Lösung (engl. buffered oxide etch, BOE) erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement eine erste elektrische Anschlussschicht und eine zweite elektrische Anschlussschicht auf, wobei die Barriereschicht die erste Kontaktschicht und eine zweite Kontaktschicht gegen die erste und zweite elektrische Anschlussschicht elektrisch isoliert. Somit wirkt die Barriereschicht als Isolation und verhindert einen elektrischen Kurzschluss. Gleichzeitig schützt sie die erste Kontaktierungsschicht gegen Feuchtigkeit und Umwelteinflüsse.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zumindest einen Durchbruch auf, wobei zumindest an den Seitenwänden des Durchbruchs die Barriereschicht erzeugt wird.
Durchbruch bezeichnet hier und im Folgenden eine vertikale und/oder horizontal verlaufende Verbindung zwischen zumindest einer leitfähigen elektrischen Schicht, beispielsweise eine Metallisierungs- und/oder Spiegelschicht und/oder dem Substrat, und der ersten Kontaktierungsschicht. Durchbruch kann zur elektrischen Verbindung, alternativ oder zusätzlich auch zur Verbesserung der vertikalen Wärmeleitung dienen. Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit werden gemäß einer Ausführungsform zumindest zwei parallel zueinander verlaufende Durchbrüche vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Lösung aus Polysilazan oder deren Derivaten und/oder Perhydropolysilazan oder deren Derivaten in Di-n-buthylether als Beschichtungslösung verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Beschichtungslösung und/oder Barriereschicht weitere Bestandteile, beispielsweise zumindest einen Füllstoff und/oder Konversionsmaterial umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Barriereschicht derart erzeugt, dass kein Sauerstoff, keine Feuchtigkeit, salzsauren Stoffe und/oder Schadgase durch die Barriereschicht diffundieren können.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement eine zweite elektrische Anschlussschicht auf, wobei die zweite elektrische Anschlussschicht durch die Barriereschicht verkapselt wird.
Verkapselt kann dabei bedeuten, dass die zweite elektrische Anschlussschicht formschlüssig und/oder stoffschlüssig von der Barriereschicht umschlossen wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die Figuren zeigen:
1 bis 5 jeweils einen schematischen Querschnitt eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 100 am Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode (LED). Das optoelektronische Halbleiterbauelement 100 weist einen Mehrschichtenaufbau mit einer Halbleiterschichtenfolge 2 und einer Strahlungshauptseite 12, welche auf einem Träger 9 mit Durchbrüchen 10 montiert ist, einen ersten elektrischen Anschluss 4 und einen zweiten elektrischen Anschluss 5 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist in einem Verguss 6, beispielsweise Silikon, eingebettet.
Über dem finalen optoelektronischen Halbleiterbauelement 100 und der in dem Verguss 6 eingebetteten Halbleiterschichtenfolge 2 ist auf der äußeren Oberfläche, der Strahlungshauptseite 12 und/oder Seitenfläche 13 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 100 eine Barriereschicht 3 aufgebracht. Die Barriereschicht 3 bedeckt zumindest teilweise oder vollständig die Oberfläche und/oder Seitenflächen des optoelektronischen Halbleiterbauelements 100. Somit dient die Barriereschicht 3 als Schutzschicht vor Luftfeuchtigkeit und/oder schadhaften Gasen. Die Barriereschicht 3 ist über dem zweiten elektrischen Anschluss 5, welcher als planare Chip-Kontaktierung ausgeformt sein kann, angeordnet. Damit können unedle Metalle des zweiten elektrischen Anschlusses 5, wie Kupfer, durch die Barriereschicht 3 vor Korrosion geschützt werden. Die Barriereschicht 3 ermöglicht durch deren Schutzfunktion zudem den Einsatz von billergeren und korrionsanfälligeren Metallen als ersten und/oder zweiten elektrischen Anschluss. Damit können Kosten gespart werden. Die Barriereschicht 3, welche eine dichte SiOx-Schicht umfasst oder daraus bestehen kann, kann über einem Verguss 6 angeordnet sein, so dass keine Feuchtigkeit oder Schadgase den Verguss 6, beispielsweise Silikon, durchdringen kann.
Ein Konversionselement 8, welches direkt auf der Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest einen Leuchtstoff umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements 100 elektromagnetische Primärstrahlung von der Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem aktiven Bereich emittiert und trifft in einem Konversionselement 8 auf zumindest einen Leuchtstoff, der im Strahlengang der elektromagnetischen Primärstrahlung angeordnet ist und geeignet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren und als elektromagnetische Sekundärstrahlung mit einem zumindest teilweise von der elektromagnetischen Primärstrahlung verschiedenen Wellenlängenbereich zu emittieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Barriereschicht 3 ein Konversionselement 8 umfassend einen Leuchtstoff zumindest auf der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge 12 fixieren und zusätzlich das Konversionselement 8 vor Luftfeuchtigkeit und Schadgasen schützen. Das als Schicht ausgeformte Konversionselement 8 kann mittels elektrophoretischer Abscheidung (EPD) erzeugt werden (5).
2 bis 4 zeigen jeweils einen schematischen Querschnitt je eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 100 am Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode (LED). Das optoelektronische Halbleiterbauelement 100 der 2 bis 4 weist jeweils einen Mehrschichtenaufbau mit einer Halbleiterschichtenfolge 2 und einer Strahlungshauptseite 12, einen ersten elektrischen Anschluss 4 und einen zweiten elektrischen Anschluss 5 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist über dem Substrat 1, welche eine oder keine elektrisch Leitfähigkeit aufweist, angeordnet. In den 2 und 4 ist der erste elektrische Anschluss 4 unterhalb des Substrats 1 angeordnet und als Schicht ausgeformt. In 3 ist der erste elektrische Anschluss 4 als Bond-Pad mit einem Bonddraht ausgeformt und über dem Substrat 1 angeordnet. Der zweite elektrische Anschluss 5 ist in den 2 bis 4 als Bond-Pad mit einem Bonddraht ausgeführt. Zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und dem Substrat 1 können weitere Schichten oder Elemente (14, 15), beispielsweise zumindest eine Metallisierungsschicht oder Spiegelschicht zum Ladungstransport, angeordnet sein. Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst eine erste Kontaktierungsschicht 2-1, eine aktive Schicht 2-2 und eine zweite Kontaktierungsschicht 2-3. Die aktive Schicht 2-2 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist befähigt elektromagnetische (Primär)strahlung 7 über die Strahlungshauptseite 12 der Halbleiterschichtenfolge 2 auszukoppeln.
In 2 weist die Halbleiterschichtenfolge 2 mehrere Durchbrüche 10 auf. Die Barriereschicht 3 ist an den Seitenwänden der vertikal zur Halbleiterschichtenfolge 2 angeordneten Durchbrüche 10 und an den dem Substrat zugewandten Unterseiten der Halbleiterschichtenfolge 2, also horizontal und zwischen den Durchbrüchen 10 angeordnet. Die Barriereschicht 3 isoliert elektrisch den ersten elektrischen Anschluss 4 und das Substrat 1 gegen die zweite Kontaktierungsschicht 2-3 und eine Metallisierungs- oder Spiegelschicht 15. Somit ist in diesem Fall die Barriereschicht 3 eine Isolationsschicht, wobei diese zusätzlich Schutzfunktion gegenüber Feuchtigkeit und Schadgase aufweist.
3 zeigt im Vergleich zu 2 eine zweite Barriereschicht 3-1 auf, welche zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 bzw. einer weiteren Schicht oder eines Elements 14, beispielsweise einer Metallisierungsschicht, und dem Substrat 1 angeordnet ist. Die erste Barriereschicht 3, die wie in 2 ausgestaltet ist, isoliert elektrisch die weitere Schicht oder das Element 14 gegen die zweite Kontaktierungsschicht 2-3. Die zweite Barriereschicht 3-1 isoliert elektrisch die weitere Schicht oder Element 14 gegen das Substrat 1 bzw. Lötschicht 11.
4 zeigt im Vergleich zu den 2 und 3 zumindest eine Verkapselung der Halbleiterschichtenfolge 2 mittels einer zweiten Barriereschicht 3-1. Die zweite Barriereschicht 3-1 ist zumindest mittelbar oder direkt auf der Stahlungshauptseite 12 und den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet. Es können dabei weitere Schichten und/oder Elemente, beispielsweise eine Metallisierungsschicht und/oder Spiegelschicht, von der zweiten Barriereschicht 3-1 eingekapselt werden. Die Kapselung zumindest der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der zweiten Barriereschicht 3-1 verursacht einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit und Schadgasen. Kapselung bedeutet hier und im Folgenden das stoffschlüssige Aufbringen einer Beschichtungslösung, so dass eine homogene zweite Barriereschicht 3-1 erzeugt wird.
4 zeigt weiterhin die Barriereschicht 3, welche an den Seitenwänden der vertikal zur Halbleiterschichtenfolge 2 angeordneten Durchbrüche 10 und an den dem Substrat zugewandten Unterseiten der Halbleiterschichtenfolge 2, also horizontal und zwischen den Durchbrüchen 10 angeordnet ist. Die Barriereschicht 3 isoliert elektrisch den ersten elektrischen Anschluss 4 und das Substrat 1 gegen die zweite Kontaktierungsschicht 2-3 und einer Metallisierungs- oder Spiegelschicht 15.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Barriereschicht 3-1 die gleichen Definitionen und Merkmale aufweisen, wie sie für die Barriereschicht 3 beschrieben sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Barriereschicht 3 oder die zweite Barriereschicht 3-1 oder eine Kombination daraus in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement 100 angeordnet sein. Insbesondere ist die Barriereschicht 3 (2 bis 4) in dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 100 angeordnet. Die Anordnung der zweiten Barriereschicht 3-1 in dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 100 kann optional sein.
Alternativ ist es möglich, dass die zweite Barriereschicht 3-1 lediglich die Strahlungshauptseite 12 und nicht die Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 bedeckt. Dies kann beispielsweise hinsichtlich eines geringeren Materialverbrauchs vorteilhaft sein. Dadurch können Material und Kosten gespart werden.
Im Falle sämtlicher Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 4 kann eine Beschichtungslösung, welche eine Polysilazan-Lösung oder deren Derivate und/oder eine Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivate umfasst, genutzt werden. Die Beschichtungslösung kann durch eines von Sprühen, Dispensen, Drucken oder Spin-Coating aufgebracht werden.
Im Falle von Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivaten als Beschichtungslösung kann nach einem thermischen Aushärten, beispielsweise bei 150°C für 1 Stunde, eine dichte glasartige SiOx-Schicht erzeugt werden. Zusätzlich kann ein Katalysator zugegeben werden. Insbesondere ist die SiOx-Schicht dünner als 1 μm. Es kann sich alternativ beispielsweise auch eine Schicht mit einer Dicke von einigen Mikrometern bilden, die das optolelektronische Halbleiterbauelement 100 oder die Halbleiterschichtenfolge 2 umschließt. Daraus resultiert eine effizientere Lichtauskopplung und bessere optische Eigenschaften im Vergleich zu Barriereschichten, welche eine größere Schichtdicke, aufweisen.
Im Falle von Polysilazan-Lösung oder deren Derivaten als Beschichtungslösung kann nach einem thermischen Aushärten eine Barriereschicht erzeugt werden, welche wesentlich dicker und weniger hart im Vergleich zu einer Barriereschicht aus Perhydropolysilazan-Lösung oder deren Derivaten als Beschichtungslösung ist. Dadurch kann die Barriereschicht 3 auch eine planarisierende Wirkung zeigen, insbesondere in den Durchbrüchen 10.
Die SiO_x-Schicht als Barriereschicht 3 oder als zweite Barriereschicht 3-1 kann die von der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugte Wärme aufgrund der Materialeigenschaft des SiOx leicht abtransportieren und kann damit zur Kühlung der Halbleiterschichtenfolge 2 beitragen.
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 Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (100) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (1), – Erzeugen eines Mehrschichtaufbaus mit einer Halbleiterschichtenfolge (2) und einer Barriereschicht (3) auf dem Substrat (1), – wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, – wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine dem Substrat (1) abgewandte Strahlungshauptseite (12) aufweist, – wobei die zumindest eine Barriereschicht (3) auf der Strahlungshauptseite (12) der Halbleiterschichtenfolge (2) oder auf zumindest einer Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) oder innerhalb oder unterhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) oder Kombinationen daraus aus einer Beschichtungsflüssigkeit erzeugt wird, welche Polysilazan oder deren Derivate und/oder Perhydropolysilazan oder deren Derivate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtungsflüssigkeit durch eines von Sprühen, Dispensen, Drucken oder Spin-Coating aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Beschichtungsflüssigkeit zu einer Barriereschicht (3) an- oder ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Barriereschicht (3) mit einer Schichtdicke von kleiner als 1 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Anhärten und/oder Aushärten der Beschichtungsflüssigkeit bei einer Umgebungstemperatur von mindestens Raumtemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Anhärten oder Aushärten der Beschichtungsflüssigkeit unter Trockenbox-Bedingungen und unter Einwirkung eines Katalysators, welcher bereits in der Beschichtungsflüssigkeit enthalten ist oder den man später auf die Barriereschicht (3) einwirken lässt, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Barriereschicht (3) direkt oder indirekt auf der Strahlungshauptseite (12) der Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder direkt oder indirekt an den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine erste Kontaktierungsschicht (2-1) aufweist, wobei die Barriereschicht (3) direkt über der ersten Kontaktierungsschicht (2-1) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Barriereschicht (3) innerhalb und unterhalb der Halbleiterschichtenfolge (2) strukturiert oder unstrukturiert erzeugt wird.
Verfahren nach vorherigem Anspruch, wobei die Strukturierung mittels Trockenätzen oder Nassätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (100) eine erste elektrische Anschlussschicht (4) und eine zweite elektrische Anschlussschicht (5) aufweist, wobei die Barriereschicht (3) die erste Kontaktierungsschicht (2-1) und eine zweite Kontaktierungsschicht (2-3) gegen die erste und zweite elektrische Anschlussschicht (4, 5) elektrisch isoliert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) zumindest einen Durchbruch (10) aufweist, wobei zumindest an den Seitenwänden des Durchbruchs die Barriereschicht (3) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Barriereschicht (3) SiOx umfasst, wobei SiOx unter Abspaltung von Ammoniak aus der abgeschiedenen Beschichtungsflüssigkeit erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Lösung aus Polysilazan oder deren Derivaten und/oder Perhydropolysilazan oder deren Derivaten in Di-n-buthylether als Beschichtungsflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (100) eine zweite elektrische Anschlussschicht (5) aufweist, wobei die zweite elektrische Anschlussschicht (5) durch die Barriereschicht (3) verkapselt wird.