DE102014113380A1

DE102014113380A1 - Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102014113380A1
Application number: DE102014113380.3A
Authority: DE
Inventors: Alvaro Gomez-Iglesias; Marika Hirmer; Alexander Frey; Lorenzo Zini; Harald Laux
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-09-18
Also published as: DE102014113380B4; US9490389B2; US20160079468A1

Abstract

Das Verfahren ist zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips eingerichtet und umfasst die Schritte: A) Bereitstellen eines Trägersubstrats (1), B) Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge (2) auf das Trägersubstrat (1), und C) Ablösen der fertig hergestellten Halbleiterschichtenfolge (2) von dem Trägersubstrat (1) mittels Laserstrahlung (R) mit einer Wellenlänge (L) durch das Trägersubstrat (1) hindurch, wobei – die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Pufferschichtenstapel (20) und einen Funktionsstapel mit einer aktiven Schicht (21) zur Erzeugung von Licht (22) aufweist, – die Absorberschicht (23) innerhalb des Pufferschichtenstapels (20) aus einem Material zur Absorption der Laserstrahlung (R) gewachsen wird und alle verbleibenden Schichten (24, 25) des Pufferschichtenstapels (20) für die Laserstrahlung (R) durchlässig sind, – bevorzugt ein Material des Funktionsstapels (23) für die Laserstrahlung (R) absorbierend wirkt, und – im Schritt C) ein Ablösen der Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Absorberschicht (23) erfolgt

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Halbleiterschichtenfolge effizient von einem Trägersubstrat ablösbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der fertig hergestellte optoelektronische Halbleiterchip einen Funktionsstapel. Der Funktionsstapel ist Teil einer auf einem Trägersubstrat aufgebrachten, bevorzugt aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Bei dem Trägersubstrat kann es sich also, bevorzugt, um ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge handeln. Ebenso kann das Trägersubstrat ein temporärer Zwischenträger sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge während des Herstellungsverfahrens zeitweilig befestigt ist.
Der Funktionsstapel umfasst mindestens eine aktive Schicht zur Erzeugung von Licht. Insbesondere umfasst die zumindest eine aktive Schicht eine Einfach-Quantentopfstruktur, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur und/oder zumindest einen pn-Übergang. Die Wellenlänge des in der aktiven Schicht erzeugten Lichts, bezogen auf eine Wellenlänge maximaler Intensität, liegt bevorzugt bei mindestens 380 nm oder 430 nm oder 460 nm und/oder bei höchstens 1500 nm oder 1300 nm oder 980 nm oder 530 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Trägersubstrats. Das Trägersubstrat ist zum Beispiel strahlungsdurchlässig für eine in der zumindest einen aktiven Schicht erzeugten Strahlung. Insbesondere ist eine Bandkante eines Materials des Trägersubstrats größer als eine Bandkante der aktiven Schicht oder der aktiven Schichten mit der geringsten Bandkante. Die Bandkante ist dabei der energetische Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des entsprechenden Materials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens, insbesondere des Aufwachsens einer Halbleiterschichtenfolge auf das Trägersubstrat. Das Aufbringen oder Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge erfolgt bevorzugt epitaktisch und/oder über Gasphasenabscheidung und/oder über Sputtern. Beispielsweise erfolgt das Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge, wie in der Druckschrift WO 2013/160343 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug mit aufgenommen wird. Insbesondere wird die Halbleiterschichtenfolge zusammenhängend und am Stück auf das Trägersubstrat aufgewachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Ablösens der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge von dem Trägersubstrat auf. Das Ablösen erfolgt teilweise oder vollständig mittels Laserstrahlung. Bei dem Ablösen handelt es sich mit anderen Worten um ein Laserabhebe-Verfahren, englisch: Laser Lift-Off process oder kurz LLO.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Laserstrahlung, die eine Laserwellenlänge aufweist, durch das Trägersubstrat hin zu der Halbleiterschichtenfolge geführt. Eine Photonenenergie, kurz E_P, der Laserstrahlung mit EP = hc/L, wobei L der Wellenlänge maximaler Intensität der Laserstrahlung entspricht, ist dabei kleiner als die Bandkante des Materials des Trägersubstrats. Entsprechend ist das Trägersubstrat durchlässig für die Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge, in Richtung weg von dem Trägersubstrat, einen Pufferschichtenstapel und den Funktionsstapel auf. Das Trägersubstrat, der Pufferschichtenstapel und der Funktionsstapel folgen dabei bevorzugt unmittelbar in der angegebenen Reihenfolge aufeinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich innerhalb des Pufferschichtenstapels mindestens eine Absorberschicht. Die eine oder die mehreren Absorberschichten liegen also nicht an einem Rand des Pufferschichtenstapels und grenzen daher weder unmittelbar an das Trägersubstrat noch an den Funktionsstapel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Absorberschicht aus einem Material gewachsen, das zu einer Absorption der Laserstrahlung eingerichtet ist. Mit anderen Worten weist das Material der Absorberschicht eine Bandkante auf, die kleiner ist als die Photonenenergie der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle verbleibenden Schichten des Pufferschichtenstapels, also alle Schichten mit Ausnahme der zumindest einen Absorberschicht, für die Laserstrahlung durchlässig. Durchlässig bedeutet dabei bevorzugt, dass eine Bandlücke all dieser verbleibenden Schichten größer ist als die Photonenenergie der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wirkt ein Material des Funktionsstapels absorbierend für die Laserstrahlung. Dies gilt entweder für den gesamten Funktionsstapel oder zumindest für eine Schicht des Funktionsstapels, die dem Trägersubstrat am Nächsten liegt. Bei einer solchen Schicht handelt es sich beispielsweise um eine Stromaufweitungsschicht in dem fertigen Halbleiterchip. Mit anderen Worten weist das Material des Funktionsstapels zumindest an einer dem Trägersubstrat nächstgelegenen Seite dann eine Bandkante auf, die kleiner ist als die Photonenenergie der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Ablösen der Halbleiterschichtenfolge von dem Trägersubstrat im Bereich der Absorberschicht. Mit anderen Worten wird durch die Laserstrahlung die Absorberschicht zerstört oder derart beschädigt, dass im Bereich der Absorberschicht eine mechanische Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem Funktionsstapel geschwächt oder aufgelöst wird.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips, insbesondere Leuchtdiodenchips, eingerichtet und umfasst mindestens die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

A) Bereitstellen eines Trägersubstrats,
B) Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge auf das Trägersubstrat, und
C) Ablösen der fertig aufgebrachten Halbleiterschichtenfolge von dem Trägersubstrat mittels Laserstrahlung mit einer Laserwellenlänge durch das Trägersubstrat hindurch, wobei die Halbleiterschichtenfolge, in Richtung weg von dem Trägersubstrat, einen Pufferschichtenstapel und einen Funktionsstapel aufweist, wobei der Funktionsstapel mindestens eine aktive Schicht zur Erzeugung von Licht aufweist und die mindestens eine Absorberschicht sich innerhalb des Pufferschichtenstapels befindet, wobei die Absorberschicht aus einem Material zur Absorption der Laserstrahlung hergestellt wird und alle verbleibenden Schichten des Pufferschichtenstapels für die Laserstrahlung durchlässig sind, wobei bevorzugt ein Material des Funktionsstapels zumindest in einem dem Trägersubstrat nächstgelegenen Bereich für die Laserstrahlung absorbierend wirkt und im Schritt C) ein Ablösen der Halbleiterschichtenfolge von dem Trägersubstrat im Bereich der Absorberschicht erfolgt.

Epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolgen, die auf Substraten mit geringer elektrischer und/oder thermischer Leitfähigkeit aufgewachsen werden, werden üblicherweise an Trägern angebracht und von dem Trägersubstrat abgelöst. Eine Möglichkeit, das Ablösen vom Trägersubstrat zu erzielen, sind Laserabhebeverfahren oder englisch Laser Lift-Off processes oder kurz LLO. Dabei wird die Laserstrahlung durch das Substrat üblicherweise in einen Funktionsstapel der Halbleiterschichtenfolge gelenkt. Die Wellenlänge der Laserstrahlung ist so gewählt, dass diese durch das Substrat propagieren kann, jedoch an der Halbleiterschichtenfolge stark absorbiert wird.
Diese Absorption der Laserstrahlung führt zu einem Aufheizen des die Laserstrahlung absorbierenden Materials und damit zu einem Ablösen an dem absorbierenden Material, sodass der Funktionsstapel von dem Substrat getrennt wird. Durch die vergleichsweise hohen Energiedichten, die für diese Art des Ablösens erforderlich sind, können das Substrat und auch die verbleibenden Schichten des Funktionsstapels beschädigt werden. Insbesondere falls das Substrat für einen neuerlichen Aufwachsprozess nicht wiederverwendet werden kann, gehen damit erhöhte Herstellungskosten einher. Auch können aufgrund der hohen Energiedichten Defekte in dem Funktionsstapel entstehen, die eine Lebensdauer und/oder eine Leistungsfähigkeit des herzustellenden Halbleiterchips beeinträchtigen können.
Dadurch, dass die Absorberschicht bei dem hier beschriebenen Verfahren innerhalb des Pufferschichtenstapels angeordnet ist, könnte der Pufferschichtenstapel eine insbesondere thermische Barriere sowohl hin zu dem Trägersubstrat als auch hin zu dem Funktionsstapel bilden. Dadurch sind Schäden durch das Ablösen mittels der Laserstrahlung sowohl an dem Trägersubstrat als auch an dem Funktionsstapel verhinderbar oder reduzierbar.
Ebenso ist es möglich, dass durch die Struktur des Pufferschichtenstapels eine Leistungsdichte der eingestrahlten Laserstrahlung in der Absorberschicht interferometrisch erhöht wird, beispielsweise durch Mehrfachreflexionen an Schichten in dem Pufferschichtenstapel. Hierdurch ist auch eine Intensität der eingestrahlten Laserstrahlung insgesamt reduzierbar, wodurch ebenso Schäden an dem Trägersubstrat und/oder an dem Funktionsschichtenstapel unterdrückbar sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand der Absorberschicht zu Rändern des Pufferschichtenstapels, entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, mindestens L/(4n). Hierbei steht L für die Wellenlänge der Laserstrahlung, insbesondere für die Wellenlänge maximaler Intensität. n bezeichnet den mittleren Brechungsindex des Pufferschichtenstapels, insbesondere an der entsprechenden Seite des Pufferschichtenstapels. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Abstand der Absorberschicht zu den Rändern je mindestens 30 nm oder 40 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Pufferschichtenstapel insgesamt eine Dicke von mindestens L/(2n) auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke des Pufferschichtenstapels bei mindestens 80 nm oder 120 nm oder 200 nm oder 0,5 µm. Ebenso ist es möglich, dass der Pufferschichtenstapel eine maximale Dicke von 5 µm oder 2 µm oder 1,5 µm oder 0,75 µm oder 0,4 µm oder (2L)/n aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Absorberschicht in Schritt C) in einem Maximum einer Strahlungsstärke der Laserstrahlung in der Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlungsstärke ist hierbei proportional zu einem Quadrat der elektrischen Feldstärke der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Absorberschicht im zweiten Maximum der Strahlungsstärke in dem Pufferschichtenstapel, vom Trägersubstrat her gezählt.
Mit anderen Worten liegt die Absorberschicht dann nicht in dem ersten Intensitätsmaximum innerhalb des Halbleiterschichtenstapels vom Trägersubstrat her gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Pufferschichtenstapel eine Dicke von [(1 + 2N)L]/(4n) auf. Dabei ist L die Wellenlänge der Laserstrahlung. n stellt den mittleren Brechungsindex des Pufferschichtenstapels dar. N ist eine natürliche Zahl ≥ 1 oder ≥ 2. Bevorzugt ist N ≤ 5 oder N ≤ 4. Die genannte Dicke des Pufferschichtenstapels liegt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 5 nm oder 2 nm vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Pufferschichtenstapel im Bereich zwischen dem Trägersubstrat und der Absorberschicht oder ist der Pufferschichtenstapel insgesamt als eine Antireflexschicht für die Laserstrahlung gestaltet. Beispielsweise weist der Pufferschichtenstapel dann zwischen dem Trägersubstrat und der Absorberschicht eine Dicke von L/(4n) auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Pufferschichtenstapel im Bereich zwischen der Absorberschicht und dem Funktionsstapel oder ist der Pufferschichtenstapel insgesamt als ein Bragg-Spiegel für die Laserstrahlung gestaltet. Der Funktionsstapel umfasst dann eine Abfolge von Schichten mit hohem Brechungsindex und mit niedrigem Brechungsindex, wobei diese Schichten abwechselnd aufeinander folgen. Eine Dicke der einzelnen Schichten liegt bevorzugt bei L/(4n), beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 5 nm oder 2 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Pufferschichtenstapel genau eine Absorberschicht. Alternativ ist es möglich, dass der Pufferschichtenstapel genau zwei oder genau drei oder genau vier Absorberschichten aufweist. Liegen mehrere Absorberschichten vor, so befinden sich diese bevorzugt jeweils in einem Maximum der Strahlungsstärke der Laserstrahlung. Besonders bevorzugt liegt jedoch genau eine Absorberschicht in dem Pufferschichtenstapel und damit auch in dem Halbleiterschichtenstapel vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Absorberschicht dünn gestaltet. Dünn kann bedeuten, dass eine Dicke der Absorberschicht bei mindestens 1 nm oder 1,5 nm oder 2 nm liegt und/oder dass die Dicke bei höchstens L/(4n_A) oder L/(8n_A) oder L/(12n_A) liegt, wobei n_A der Brechungsindex der Absorberschicht ist. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Absorberschicht bei höchstens 15 nm oder 10 nm oder 7 nm oder 4 nm. Mit anderen Worten ist die Absorberschicht dann derart dünn gewählt, sodass die Absorberschicht keinen oder keinen signifikanten Einfluss auf eine Lage von Maxima und Minima der Strahlungsstärke der Laserstrahlung in der Halbleiterschichtenfolge ausübt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Absorberschicht vergleichsweise dick gestaltet. Dies kann bedeuten, dass die Absorberschicht eine Dicke von mindestens L/(4n_A) aufweist. Bevorzugt liegt die Dicke der Absorberschicht bei L/(2n_A), beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 5 nm oder 2 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der Absorberschicht mindestens 75 nm oder 100 nm und/oder höchstens 200 nm oder 150 nm oder 100 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Pufferschichtenstapel ein Übergitter oder ist der Pufferschichtenstapel vollständig durch ein Übergitter gebildet, etwa nur mit Ausnahme der Absorberschicht. Das Übergitter ist durch eine Vielzahl sich einander abwechselnder Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex gebildet. Die Schichten des Übergitters sind bevorzugt transparent für die Laserstrahlung. Das heißt, eine Absorptionskante der Materialien der sich einander abwechselnden Schichten liegt bei einer höheren Energie als die Photonenenergie E_P der Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Schichten des Übergitters jeweils eine Dicke auf, die kleiner ist als L/(4n) oder L/(12n). Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der sich einander abwechselnden Schichten des Übergitters bei mindestens 1 nm oder 1,5 nm oder 2 nm und/oder bei höchstens 15 nm oder 10 nm oder 7 nm oder 3,5 nm. Bei den Schichten des Übergitters handelt es sich dann nicht um die Schichten eines Bragg-Spiegels. Die Absorberschicht ist bevorzugt innerhalb des Übergitters platziert und kann beispielsweise eine der Schichten mit hohem Brechungsindex ersetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Übergitter mindestens fünf oder zehn oder 20 Paare der sich einander abwechselnden Schichten auf. Alternativ oder zusätzlich weist das Übergitter höchstens 75 oder 50 oder 35 solcher Paare auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Brechungsindexunterschied zwischen den sich einander abwechselnden Schichten bei mindestens 0,05 oder 0,1 oder 0,15. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Brechungsindexunterschied bei höchstens 0,5 oder 0,35 oder 0,25. Entsprechende Brechungsindexunterschiede können auch für Schichten eines Bragg-Spiegels gelten, der von dem Pufferschichtenstapel umfasst ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Trägersubstrat um ein Saphirsubstrat oder ein SiC-Substrat. Eine Aufwachsfläche des Trägersubstrats, auf dem die Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen wird, kann eben oder auch strukturiert sein. Beispielsweise handelt es sich um ein strukturiertes Saphirsubstrat, englisch Patterned Sapphire Substrate oder kurz PSS.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge 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. Besonders bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Absorberschicht aus GaN oder aus InGaN gewachsen. Dotierungen bleiben hierbei unberücksichtigt. Ist die Absorberschicht eine InGaN-Schicht, so kann die Absorberschicht den gleichen In-Anteil aufweisen wie eine aktive Schicht des Funktionsstapels. Beispielsweise liegt der In-Gehalt, also der Anteil an Ga-Gitterplätzen, der durch In ersetzt ist, bei mindestens 1 % oder 3 % oder 5 % oder 10 % und/oder bei höchstens 30 % oder 23 % oder 18 % oder 10 %. Durch InGaN-Schichten ist ein höherer Absorptionsquerschnitt für die Laserstrahlung erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die verbleibenden Schichten des Pufferschichtenstapels aus AlN und/oder aus AlGaN gewachsen. Im Falle von AlGaN-Schichten beträgt der Al-Anteil bevorzugt mindestens 1 % oder 5 % oder 15 % und/oder höchstens 50 % oder 35 % oder 25 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht des Funktionsstapels, die dem Trägersubstrat am nächsten gelegen ist, eine GaN-Schicht. Eine Dicke dieser GaN-Schicht liegt beispielsweise bei mindestens 0,5 µm oder 1 µm oder 2 µm und/oder bei höchstens 5 µm oder 3 µm. Mit anderen Worten ist diese Schicht des Funktionsstapels, die dem Trägersubstrat am nächsten gelegen ist, vergleichsweise dick, relativ zu der Absorberschicht. Ebenso ist diese Schicht des Funktionsstapels bevorzugt dicker als der gesamte Pufferschichtenstapel. Eine Dicke dieser Schicht des Funktionsstapels übersteigt eine Dicke des gesamten Pufferschichtenstapels beispielsweise um mindestens einen Faktor 2 oder 4 oder 8.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laserstrahlung eine Wellenlänge maximaler Intensität auf, die bei mindestens 150 nm oder 200 nm oder 240 nm oder 280 nm oder 340 nm liegt. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Wellenlänge bei höchstens 450 nm oder 410 nm oder 360 nm. Insbesondere liegt die Wellenlänge der Laserstrahlung bei ungefähr 355 nm. Zum Beispiel kann auch ein Excimerlaser auf Basis von ArF bei 193 nm oder auf Basis von KrF bei 428 nm verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Laserstrahlung um eine gepulste Laserstrahlung. Eine Energiedichte der Laserstrahlung liegt an der Absorberschicht bevorzugt bei mindestens 100 mJ/cm² oder 200 mJ/cm² und/oder bei höchstens 850 mJ/cm². Eine Impulsdauer der Laserstrahlung beträgt insbesondere mindestens 1 ns oder 2 ns oder 5 ns und/oder höchstens 100 ns oder 40 ns oder 15 ns.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren ein Leuchtdiodenchip hergestellt. Der Leuchtdiodenchip umfasst dabei mindestens den Funktionsstapel der Halbleiterschichtenfolge. Ebenso ist es möglich, dass der Leuchtdiodenchip zumindest einen Teil des Pufferschichtenstapels umfasst, beispielsweise diejenigen Schichten des Pufferschichtenstapels, die zwischen der Absorberschicht und dem Funktionsstapel liegen. Der Leuchtdiodenchip kann auch einen Teil der Absorberschicht beinhalten.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 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 4 bis 6 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips, und
2 und 3 schematische Darstellungen von Abwandlungen von hier beschriebenen Verfahren.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens dargestellt. Auf einem Trägersubstrat 1, beispielsweise einem Saphir-Substrat als Aufwachssubstrat, wird eine Halbleiterschichtenfolge 2 aufgewachsen, die auf dem Materialsystem AlInGaN basiert. Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst einen Pufferschichtenstapel 20 sowie einen Funktionsstapel 22. Der Pufferschichtenstapel 20 befindet sich unmittelbar zwischen dem Trägersubstrat 1 und dem Funktionsstapel 22, entlang einer Wachstumsrichtung G. Der Funktionsstapel 22 umfasst eine oder mehrere aktive Schichten 21 zur Erzeugung von Licht, zum Beispiel von blauem Licht.
Der Pufferschichtenstapel 20 beinhaltet eine Absorberschicht 23. Die Absorberschicht 23 befindet sich innerhalb des Pufferschichtenstapels 20. Die Absorberschicht 23 ist von weiteren Schichten 24, 25 des Pufferschichtenstapels 20 umgeben. Ein Abstand zwischen der Absorberschicht 23 und dem Trägersubstrat 1 sowie dem Funktionsstapel 22 liegt bei mindestens L/(4n), wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, wobei L die Wellenlänge der Laserstrahlung bezeichnet und n der mittlere Brechungsindex der Pufferschicht 20 ist.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 wird nach dem Wachsen vom Trägersubstrat 1 mittels einer Laserstrahlung R abgelöst. Die Laserstrahlung R wird durch das Trägersubstrat 1 hindurch zu der Halbleiterschichtenfolge 2 geführt. Es weist die Laserstrahlung R beispielsweise eine Wellenlänge von 355 nm auf. Die Laserstrahlung R wird in der Absorberschicht 23 absorbiert, sodass die Absorberschicht 23 zumindest teilweise thermisch und/oder fotochemisch zerstört wird und sodass ein Ablösen der Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der Absorberschicht 23 erfolgt. Durch die weiteren Schichten 24, 25 ist dabei die Absorberschicht 23 von dem Funktionsstapel 22 sowie dem Trägersubstrat 1 separiert, um Schäden durch die Laserstrahlung R in dem Funktionsstapel 22 oder an dem Trägersubstrat 1 zu verhindern.
Die weiteren Schichten 24, 25 sowie das Trägersubstrat 1 sind durchlässig, bevorzugt transparent für die Laserstrahlung R. Dies bedeutet, dass eine Absorption des Trägersubstrats 1 oder der weiteren Schichten 24, 25 für die Laserstrahlung R bevorzugt höchstens 100 cm^–1 beträgt. Die Absorberschicht 23 ist aus einem Material geformt, das eine Bandkante derart aufweist, sodass die Laserstrahlung R in der Absorberschicht 23 absorbiert wird. Eine dem Trägersubstrat 1 nächstgelegene Schicht des Funktionsstapels 22 weist beispielsweise ebenfalls eine Bandkante derart auf, dass diese Schicht für die Laserstrahlung R absorbierend wirkt. Durch die Absorberschicht 23 jedoch ist die Laserstrahlung R von dieser Schicht des Funktionsstapels 22, die sich dem Trägersubstrat 1 am nächsten befindet, ferngehalten oder bezüglich der Intensität zumindest reduziert. Dabei kann jedoch auch über mehrere hundert Nanometer hinweg in dem Funktionsstapel 22 noch, ausgehend von dem Pufferschichtenstapel 20, noch ein Aufheizen und/oder eine Absorption der Laserstrahlung R erfolgen, allerdings ohne signifikanten Effekt auf das Ablösen im Bereich der Absorberschicht 23.
Weitere Herstellungsschritte für den Halbleiterchip wie das Aufbringen von elektrischen Kontaktstrukturen oder Spiegelschichten, das Erzeugen einer Aufrauung oder das Zerteilen des Funktionsstapels 22 in einzelne Halbleiterchips sind zur Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet.
In den 2 bis 6 sind Abwandlungen sowie weitere Ausführungsbeispiele des hier beschriebenen Verfahrens illustriert. In den 2 bis 6 ist je eine Position x in nm aufgetragen gegenüber einer Strahlungsstärke S der Laserstrahlung R in willkürlichen Einheiten, kurz a.u., sowie ein Brechungsindex n des Trägersubstrats 1 und der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Skala für den Brechungsindex n befindet sich jeweils linksseitig und die Skala für die Strahlungsstärke S rechtsseitig in den Figuren. Dies ist angedeutet in den 2 bis 6 durch einen Pfeil nach links oder nach rechts, ausgehend von der zugehörigen Kurve. Eine Strahlungsstärke S = 1 entspricht dabei derjenigen in das Trägersubstrat 1 eingestrahlten Strahlungsstärke.
Bei der Abwandlung, wie in 2 illustriert, ist die Halbleiterschichtenfolge 2 frei von einem Pufferschichtenstapel. Das heißt, der Funktionsstapel 22 folgt unmittelbar auf das Trägersubstrat 1. Eine Ablösestelle D befindet sich daher direkt an der Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat 1 und der Halbleiterschichtenfolge 2, da an dieser Stelle beginnend die Laserstrahlung absorbiert wird. Hierdurch sind das Trägersubstrat 1 und die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem Funktionsstapel 22 der Gefahr ausgesetzt, durch den Ablöseprozess beschädigt zu werden.
Ferner ist die Strahlungsstärke S an der Ablösestelle D auf ungefähr 95 % der auf das Trägersubstrat 1 gesendeten Strahlungsstärke reduziert, da an der Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat 1 und der Halbleiterschichtenfolge 2 eine teilweise Reflexion der Laserstrahlung R erfolgt. Um die für das Ablösen notwendige Strahlungsstärke an der Ablösestelle D bereitzustellen, ist also in das Trägersubstrat 1 eine größere Strahlungsstärke einzustrahlen.
Bei der Abwandlung in 3 befindet sich zwischen dem Funktionsstapel 22 und dem Trägersubstrat 1 eine Pufferschicht 20 als einzige Schicht. Die Pufferschicht 20 weist eine Dicke von L/(4n) auf. Mit anderen Worten ist durch die Pufferschicht 20 eine Antireflexschicht für die Laserstrahlung realisiert. Hierdurch wird eine Reduzierung der Strahlungsstärke S an der Ablösestelle D reduziert und eine höhere Intensität erzielt. Jedoch befindet sich die Ablösestelle D unmittelbar an dem Funktionsstapel 22, sodass der Funktionsstapel 22 durch das Ablösen beschädigt werden kann.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gezeigt. Zwischen dem Trägersubstrat 1 und dem Funktionsstapel 22 befindet sich der Pufferschichtenstapel 20. Direkt an dem Trägersubstrat 1 weist der Pufferschichtenstapel 20 eine Schicht etwa aus AlN auf, die als Antireflexschicht wirkt und die eine Dicke von L/(4n) aufweist. Dieser Antireflexschicht folgt die Absorberschicht 23 nach. Dabei weist die Absorberschicht 23, die etwa aus GaN geformt ist, eine vergleichsweise große Dicke von L/(2n_A) auf, wobei n_A der mittlere Brechungsindex der Absorberschicht 23 ist.
Zwischen der Absorberschicht 23 und dem Funktionsstapel 22 befinden sich fünf Paare etwa aus AlN-Schichten 25 mit niedrigem Brechungsindex und AlGaN-Schichten 24 mit hohem Brechungsindex. Durch diese weiteren Schichten 24, 25 ist ein Bragg-Spiegel realisiert, der die Laserstrahlung in Richtung weg von dem Funktionsstapel 22 reflektiert. Die Schichten 24, 25 weisen jeweils eine Dicke von L/(4n) auf. Hierdurch ist die Strahlungsstärke S an dem Funktionsstapel 22 deutlich reduziert. Die Absorberschicht 23 befindet sich bevorzugt in einem Maximum der Strahlungsstärke S. Die Strahlungsstärke S ist aufgrund des Bragg-Spiegels durch die Schichten 24, 25 interferometrisch um fast einen Faktor 2 gegenüber dem Aufbau, wie in 2 dargestellt, erhöht.
Unmittelbar an dem Funktionsstapel 22 befindet sich bevorzugt eine der Schichten mit hohem Brechungsindex 24 aus AlGaN. Die dem Pufferschichtenstapel 20 nächstgelegene Schicht des Funktionsstapels 22 weist eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke des gesamten Pufferschichtenstapels 20. Diese Schicht des Funktionsstapels 22 ist beispielsweise eine GaN-Schicht. Die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2 basiert auf dem Materialsystem AlInGaN.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Pufferschichtenstapel 20 weist insgesamt eine Dicke von (3L)/(4n) auf und ist aus zwei Schichten 25 etwa aus AlN gebildet, zwischen denen sich die Absorberschicht 23 etwa aus GaN befindet. Das Trägersubstrat 1 ist ein Saphir-Substrat und die dem Trägersubstrat 1 nächstgelegene Schicht des Funktionsstapels 22 ist eine GaN-Schicht.
Die Absorberschicht 23 befindet sich in dem vom Trägersubstrat 1 her gerechnet zweiten Maximum der Strahlungsstärke S. Die Absorberschicht 23 weist dabei eine vergleichsweise kleine Dicke von 5 nm auf. Alternativ kann, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, die Absorberschicht 23 aus InGaN gewachsen werden. Die Ablösestelle D liegt im Bereich der Absorberschicht 23.
In den 6A und 6B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. 6B stellt dabei eine Vergrößerung eines Ausschnitts aus 6A dar. Der Pufferschichtenstapel 20 ist aus einem Übergitter mit einander abwechselnden Schichten etwa aus AlN und AlGaN gebildet. Eine Dicke der Schichten des Übergitters liegt zum Beispiel bei 2 nm und das Übergitter umfasst zum Beispiel 28 Paare aus AlN-Schichten und AlGaN-Schichten.
Die Absorberschicht 23 ist eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 5 nm. Die Absorberschicht 23 befindet sich in einem zweiten Intensitätsmaximum der Strahlungsstärke S, gerechnet ab der Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat 1 und der Halbleiterschichtenfolge 2. Das Übergitter ist in 6B detaillierter zu sehen.
Durch das Übergitter sowie durch die Positionierung der Absorberschicht 23 in dem Maximum der Strahlungsstärke S ist eine Intensität der Laserstrahlung an der Absorberschicht um zirka 30 % erhöht, im Vergleich zu dem Aufbau der Halbleiterschichtenfolge, wie in 2 illustriert. Die gesamte Dicke des Pufferschichtenstapels 20 beträgt, wie auch in 5, (3L)/(4n). Entsprechend lässt sich die Intensität der auf das Trägersubstrat 1 eingestrahlten Laserstrahlung deutlich reduzieren, bei gleichbleibender Intensität an der Absorberschicht 23.
Die hier beschriebene 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.
Bezugszeichenliste

1: Trägersubstrat
2: Halbleiterschichtenfolge
20: Pufferschichtenstapel
21: aktive Schicht
22: Funktionsstapel
23: Absorberschicht
24: weitere Schicht mit einem ersten Brechungsindex
25: weitere Schicht mit einem zweiten Brechungsindex
D: Ablösestelle
G: Wachstumsrichtung
L: Wellenlänge der Laserstrahlung
n: Brechungsindex
R: Laserstrahlung
S: Strahlungsstärke in willkürlichen Einheiten (a.u.)
x: Position in nm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/160343 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterchips mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Trägersubstrats (1), B) Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge (2) auf das Trägersubstrat (1), und C) Ablösen der fertig hergestellten Halbleiterschichtenfolge (2) von dem Trägersubstrat (1) mittels Laserstrahlung (R) mit einer Wellenlänge (L) durch das Trägersubstrat (1) hindurch, wobei – die Halbleiterschichtenfolge (2), in Richtung weg von dem Trägersubstrat (1), einen Pufferschichtenstapel (20) und einen Funktionsstapel (22) aufweist, – der Funktionsstapel (22) mindestens eine aktive Schicht (21) zur Erzeugung von Licht aufweist, – sich innerhalb des Pufferschichtenstapels (20) mindestens eine Absorberschicht (23) befindet, – die Absorberschicht (23) aus einem Material zur Absorption der Laserstrahlung (R) gebildet wird und alle verbleibenden Schichten (24, 25) des Pufferschichtenstapels (20) für die Laserstrahlung (R) durchlässig sind, und – im Schritt C) ein Ablösen der Halbleiterschichtenfolge (2) vom Trägersubstrat (1) im Bereich der Absorberschicht (23) erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Abstand der Absorberschicht (23) zu Rändern des Pufferschichtenstapels (20) entlang einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2) mindestens L/(4n) beträgt, wobei L die Wellenlänge der Laserstrahlung (R) und n der mittlere Brechungsindex des Pufferschichtenstapels (20) ist, wobei eine Dicke des Pufferschichtenstapels (20) zwischen einschließlich 80 nm und 5 µm liegt, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) epitaktisch oder mittels Sputtern auf das Trägersubstrat (1) aufgewachsen wird, sodass das Trägersubstrat (1) ein Aufwachssubstrat ist, und wobei ein Material des Funktionsstapels (23) für die Laserstrahlung (R) absorbierend wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Absorberschicht (23) im Schritt C) in einem Maximum einer Strahlungsstärke (S) der Laserstrahlung (R) befindet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich die Absorberschicht (23) im zweiten Maximum im Pufferschichtenstapel (20) befindet, vom Trägersubstrat (1) her gezählt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pufferschichtenstapel (20) eine Dicke von [(1 + 2N)L]/(4n) aufweist, wobei L die Wellenlänge der Laserstrahlung (R) ist, n der mittlere Brechungsindex des Pufferschichtenstapels (20) ist und N eine natürliche Zahl größer oder gleich Eins ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pufferschichtenstapel (20) im Bereich zwischen dem Trägersubstrat (1) und der Absorberschicht (23) eine Antireflexschicht für die Laserstrahlung (R) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pufferschichtenstapel (20) im Bereich zwischen der Absorberschicht (23) und dem Funktionsstapel (22) ein Bragg-Spiegel für die Laserstrahlung (R) ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei die genau eine Absorberschicht (23) eine Dicke von L/(2n_A) aufweist, wobei L die Wellenlänge der Laserstrahlung (R) ist und n_A der Brechungsindex der Absorberschicht (23) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Dicke der genau einen Absorberschicht (23), entlang der Wachstumsrichtung (G), zwischen einschließlich 1,5 nm und L/(12n_A) beträgt, wobei L die Wellenlänge der Laserstrahlung (R) ist und n_A der Brechungsindex der Absorberschicht (23) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pufferschichtenstapel (20) ein Übergitter mit einer Vielzahl sich einander abwechselnder Schichten (24, 25) mit hohem und niedrigem Brechungsindex aufweist, wobei eine Schichtdicke der sich einander abwechselnder Schichten (24, 25) je zwischen einschließlich 1,5 nm und 15 nm liegt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Übergitter zwischen einschließlich 5 und 50 Paare der sich einander abwechselnden Schichten (24, 25) umfasst, wobei ein Brechungsindexunterschied zwischen den sich einander abwechselnden Schichten (24, 25) zwischen einschließlich 0,1 und 0,35 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat (1) ein Saphirsubstrat ist und die Halbleiterschichtenfolge (2) auf AlInGaN basiert, wobei die Absorberschicht (23) aus GaN oder InGaN gewachsen wird und die verbleibenden Schichten (24, 25) des Pufferschichtenstapels (20) aus AlN und/oder AlGaN gewachsen werden und eine dem Trägersubstrat (1) nächstgelegene Schicht des Funktionsstapels (22) eine GaN-Schicht ist, und wobei die GaN-Schicht des Funktionsstapels (22) die Dicke des Pufferschichtenstapels (20) um mindestens einen Faktor 2 übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge (L) der Laserstrahlung (R) zwischen einschließlich 240 nm und 380 nm liegt, eine Energiedichte der gepulsten Laserstrahlung (R) an der Absorberschicht (23) zwischen einschließlich 100 mJ/cm² und 850 mJ/cm² pro Impuls liegt und eine Impulsdauer der Laserstrahlung (R) zwischen einschließlich 2 ns und 40 ns beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Leuchtdiodenchips hergestellt werden, die den Funktionsstapel (22) und zumindest einen Teil des Pufferschichtenstapels (20) umfassen.