DE102016109874B4

DE102016109874B4 - Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements und strahlungsemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102016109874B4
Application number: DE102016109874.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rückerl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: US20200287091A1; US11075323B2; DE102016109874A1; WO2017207406A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements (100) mit den Schritten:A) Bereitstellen einer dielektrischen Schicht (1), die durch Umwelteinflüsse (4) degradiert,B) Aufbringen einer ersten Schutzschicht (2) auf die dielektrische Schicht (1) mittels eines Atomlagenabscheideverfahren,C) Aufbringen einer zweiten Schutzschicht (3) auf die erste Schutzschicht, wobei die zweite Schichtschicht (3) elementares Si umfasst, wobei die erste Schutzschicht (2) Si elementar oder in Verbindung umfasst,wobei die Schichtdicke der ersten Schutzschicht (2) kleiner oder gleich 1 nm ist, so dass die erste Schutzschicht (2) eine Degradation der dielektrischen Schicht (1) vermindert oder verhindert,wobei im Falle einer Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) die zweite Schutzschicht (3) selbstständig die Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) heilt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements und ein strahlungsemittierendes Bauelement.
Strahlungsemittierende Bauelemente, wie beispielsweise anorganische Leuchtdioden, organische Leuchtdioden oder Laser, müssen vor allem im Automobilbereich oder bei Anwendung im Outdoorbereich vor Degradationserscheinungen, die durch Umwelteinflüsse ausgelöst werden, geschützt werden. Zu diesen Degradationserscheinungen gehören beispielsweise die Silbermigration, die Hydrolyse oder die Reaktion mit gebundenem Schwefel. Strahlungsemittierende Bauelemente werden vor diesen Degradationserscheinungen durch die Verwendung von optisch transparenten Dielektrika geschützt, die in der Regel einen kleinen Wert für WVTR (water vapour transmission rate) besitzen und das Eindringen von Wasser und/oder Feuchte in das Bauelement verhindern. Es können beispielsweise Dielektrika aus Aluminiumoxid verwendet werden. Aluminiumoxid besitzt eine sehr kleine WVTR, gilt als „Pinhole“-frei und kann mithilfe beispielsweise des Atomlagenabscheideverfahrens (atomic layer deposition, ALD) so gut wie in jeder Geometrie erzeugt werden.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass die meisten Dielektrika, wie beispielsweise Aluminiumoxid, unter Gegenwart von Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchte- und/oder Hitzestress, altern. Es bildet sich Aluminiumhydroxid. Die Schutzwirkung der Dielektrika, wie beispielsweise Aluminiumoxid, geht dabei verloren, so dass Feuchte in das strahlungsemittierende Bauelement eindringen und damit die Degradation des Aluminiumoxids zu einer Zerstörung des strahlungsemittierenden Bauelements führen kann.
Die Druckschrift US 2011/0168436 A1 offenbart einen Dünnfilmstapel auf einem Substrat mit einer elektrisch leitfähigen Schicht mit Pinholes oder Defekten und einem metallischen Dünnfilm aus einem selbstheilenden Metall als Barriere gegen Umwelteinflüsse.
Die Druckschrift „Gas diffision barriers on polymers using multilayers fabricated by Al₂O₃ and rapid SiO₂ atomic layer deposition“ (A.A. Dameron, J. Phys. Chem. C 112 (2008), S. 4573-4580) offenbart Gasdiffusionsbarrieren zum Schutz von beispielsweise OLEDs, die über ALD-Verfahren als Mehrfachschichten aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid erzeugt werden.
Die Druckschrift WO 2006/014591 A2 offenbart flexible Permeationsbarrieren, die aus einem Dünnfilm auf einem flexiblen Substrat und einer über Atomlagenabscheidung (ALD) auf dem Dünnfilm erzeugten Deckschicht aus anorganischem Material bestehen. Die Deckschicht passt sich den Defekten der Folie an und heilt diese.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements bereitzustellen, das ein stabiles strahlungsemittierendes Bauelement herstellt. Ferner ist eine Aufgabe der Erfindung, ein stabiles, insbesondere gegen Umwelteinflüssen stabiles, strahlungsemittierendes Bauelement bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß dem Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des strahlungsemittierenden Bauelements sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 14.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements oder Bauelements die Schritte auf:

A) Bereitstellen einer dielektrischen Schicht, die durch Umwelteinflüsse degradiert oder degradierbar ist, die insbesondere naturgemäß, wie beispielsweise bei Al₂O₃ unter Degradationserscheinungen unter bestimmten Umwelteinflüssen leiden kann,
B) Aufbringen einer ersten Schutzschicht auf die dielektrische Schicht mittels eines Atomlagenabscheideverfahren,
C) Aufbringen einer zweiten Schutzschicht auf die erste Schutzschicht, wobei die zweite Schichtschicht elementares Si umfasst,

Es wird weiterhin ein strahlungsemittierendes Bauelement angegeben. In zumindest einer Ausführungsform weist das strahlungsemittierende Bauelement eine dielektrische Schicht auf, die Aluminium umfasst. Ferner weist das strahlungsemittierende Bauelement eine erste Schutzschicht auf, die auf der dielektrischen Schicht angeordnet ist und zur Verkapselung der dielektrischen Schicht gegenüber Umwelteinflüssen eingerichtet ist. Die dielektrische Schicht und/oder die erste Schutzschicht werden oder sind mittels Atomlagenabscheideverfahren erzeugt. Die erste Schutzschicht weist Silizium elementar und/oder Silizium in Verbindung auf oder besteht aus diesen Materialien. Die Schichtdicke der ersten Schutzschicht ist kleiner oder gleich 1 nm. Die erste Schutzschicht vermindert und/oder verhindert eine Degradation der dielektrischen Schicht. Ferner ist auf die erste Schutzschicht eine zweite Schutzschicht aufgebracht, die elementares Si umfasst, wobei im Falle einer Beschädigung der ersten Schutzschicht und/oder der dielektrischen Schicht die zweite Schutzschicht selbstständig die Beschädigung der ersten Schutzschicht und/oder der dielektrischen Schicht heilt.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des strahlungsemittierenden Bauelements angegeben. Dabei gelten die Ausführungsformen sowohl für das Verfahren als auch für das strahlungsemittierende Bauelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem strahlungsemittierenden Bauelement um eine anorganische Leuchtdiode (LED), eine organische Leuchtdiode (OLED) oder um einen Laser. Das strahlungsemittierende Bauelement weist insbesondere einen Halbleiterchip auf. Der Halbleiterchip ist bevorzugt dazu eingerichtet, blaues Licht, weißes Licht, gelbes Licht, grünes Licht, orangefarbenes Licht und/oder rotes Licht zu emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des strahlungsemittierenden Bauelements weist der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder auch um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Ebenso kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Al_xGa_1-xAs handeln mit 0 ≤ x ≤ 1. 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 beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten, infraroten und/oder sichtbaren Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 680 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen Schritt A) auf, Bereitstellen einer dielektrischen Schicht, die durch Umwelteinflüsse degradiert oder degradierbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die dielektrische Schicht Aluminium. Aluminium kann vorzugsweise in Verbindung beispielsweise als Aluminiumoxid (Al₂O₃), vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht Aluminiumoxid auf oder besteht daraus und wird mittels Atomlagenabscheideverfahren erzeugt.
Umwelteinflüsse bezeichnen hier und im Folgenden insbesondere physikalische, chemische oder sonstige Einwirkungen auf das strahlungsemittierende Bauelement, die zu Degradationserscheinungen des Bauelements führen können. Insbesondere wird unter Umwelteinflüssen Silbermigration, Hydrolyse und/oder der Einfluss von Feuchtigkeit und/oder Hitze verstanden.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren einen Schritt B) auf, Aufbringen einer ersten Schutzschicht auf die dielektrische Schicht mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens. Das Atomlagenabscheideverfahren (atomic layer deposition, ALD) ist einem Fachmann hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Statt des ALDs kann auch das MLD (molecule layer deposition, Moleküllagenabscheideverfahren) verwendet werden.
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 mechanischem und/oder elektrischem 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.
Vorzugsweise wird die erste Schutzschicht direkt auf der dielektrischen Schicht aufgebracht. Mit direkt wird hier und im Folgenden unmittelbarer mechanischer Kontakt verstanden, dass also keine weiteren Schichten oder Elemente zwischen der ersten Schutzschicht und der dielektrischen Schicht vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht Aluminium in Verbindung, beispielsweise Aluminiumoxid, auf oder umfasst dieses und bildet nach Schritt B) eine kovalente Anbindung an die erste Schutzschicht aus. Vorzugsweise weist die entstandene kovalente Anbindung der ersten Schutzschicht die kovalente Bindung Al-O-Si an der Grenzfläche auf.
Vorzugsweise weist die entstandene kovalente Anbindung der ersten Schutzschicht die kovalente Bindung Al[-O-Si-]n auf. Insbesondere ist n = 1, also dass die erste Schutzschicht als Monolage ausgeformt wird. Alternativ kann n = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 sein. Benachbarte Si-Atome können quervernetzen, so dass Si-O-Si quer zur Oberfläche zwischenvernetzt ist.
Gemäß zumindest Ausführungsform ist die Schichtdicke der ersten Schutzschicht kleiner oder gleich 1 nm, 0,9 nm, 0,8 nm, 0,7 nm, 0,5 nm, 0,4 nm, 0,3 nm, 0,2 nm, 0,1 nm oder 0,05 nm, so dass die erste Schutzschicht eine Degradation der dielektrischen Schicht vermindert oder verhindert. Besonders bevorzugt ist die Schichtdicke der ersten Schutzschicht genau eine Monolage oder genau zwei Monolagen oder genau drei Monolagen.
Erfindungsgemäß umfasst die erste Schutzschicht elementares Silizium. Alternativ oder zusätzlich umfasst oder besteht die erste Schutzschicht aus Silizium in Verbindung. „Silizium in Verbindung“ bedeutet hier und im Folgenden, dass das Silizium an einem anderen Element des Periodensystems, beispielsweise an Sauerstoff, gebunden ist und damit beispielsweise Siliziumoxid bildet. Mit Siliziumoxid werden hier sämtliche Oxide des Siliziums bezeichnet, wobei die stöchiometrische Zusammensetzung variabel sein kann. Vorzugsweise wird hier mit Siliziumoxid das Siliziumdioxid (SiO₂) bezeichnet.
Mit anderen Worten verkapselt die erste Schutzschicht die dielektrische Schicht derart, dass keine oder nur geringfügig Umwelteinflüsse an die dielektrische Schicht gelangen können und zu einer Alterung oder Degradation der dielektrischen Schicht führen können.
Erfindungsgemäß weist die erste Schutzschicht elementares Silizium auf oder besteht daraus. Im Falle einer Beschädigung der ersten Schutzschicht kann die dielektrische Schicht dadurch freigelegt werden. Die erste Schutzschicht heilt selbstständig die Beschädigung, so dass die dielektrische Schicht gegenüber Umwelteinflüssen passiviert ist. Selbstständig heilen bedeutet hier und im Folgenden, dass diese Heilung werkzeuglos oder ohne zusätzliche (externe) Prozessschritte erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Heilung durch chemische Reaktion des Siliziums der ersten Schutzschicht zu Kieselsäure und deren Derivaten und anschließend die kovalente Anbindung der Kieselsäure an die dielektrische Schicht gemäß der Strukturformel Al-O-Si, insbesondere Al-O-Si(OH)₃. Die Kieselsäuren untereinander können unter Wasserabspaltung vernetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform können folgende Reaktionen allein oder in Kombination in oder an dem strahlungsemittierenden Bauelement sattfinden:

1) Alterung von ALD-Al₂O₃: ALD-Al₂O₃ + H₂O → 2AlOOH (→ unerwünschte Reaktion) Prinzipiell könnten auch andere Alterungsprodukte, wie beispielsweise Al(OH)₃, entstehen.
2) Dissoziation von Wasser: H₂O → H⁺ + OH^-
3) Basizität einer hydroxilierten ALD-Al₂O₃ Oberfläche: Al*-OH + H⁺ → Al*-OH₂ ⁺ Das * zeigt an, dass es eine Oberflächengruppe des ALD-Al2O3 ist.
4) Ätzen von Silizium → Entstehung von Kieselsäureresten: Si + 2 OH^- + 2 H₂O → [SiO₂(OH)₂]^2- + 2 H₂
5) Zersetzen von SiO₂ → Entstehung von Kieselsäure: SiO₂ + 2 H₂O → Si(OH)₄
6) Reaktion von Kieselsäureresten mit ALD-Al₂O₃-Oberflächengruppen: [SiO₂(OH)_2] ^2- + Al*-OH₂ ⁺ → Al*-O-SiO(OH)₂ ^- + H₂O Diese angebundenen Kieselsäurereste können dann auf der Oberfläche unter Bildung von Si-O-Si Bindungen und Abspaltung von Wasser oder OH^- quervernetzen.
7) Zusätzliche Kondensationsreaktionen möglich zwischen:
1. a) OH-Gruppen von Kieselsäuren → Die kovalente Bindung Si-O-Si kann in einem Kieselsäuredimer + H₂O entstehen. Si(OH)₄ + Si(OH)₄ → ₃(HO)-Si-O-Si(OH)₃ + H₂O Neben Dimeren können auch längere und quervernetzte Kieselsäurekondensate entstehen, auch wenn das aufgrund der niedrigen Kieselsäurereaktionen kaum zu erwarten ist.
2. b) OH-Gruppe und O^- von Kieselsäure(-resten) → Die kovalente Bindung „Si-O-Si“ + OH^- kann entstehen, wobei die Reaktion ähnlich zur Reaktion zwischen zwei Kieselsäuren ist, nur dass OH^- entstehen kann.
3. c) zwischen OH-Gruppen von Kieselsäure und Al*-OH Gruppen→ „Al-O-Si“ + H₂O entsteht: [Si(OH)₄] + Al*-OH → Al*-O-Si(OH)₃ + H₂O Diese angebundenen Kieselsäuren können dann auf der Oberfläche unter Bildung von Si-O-Si Bindungen und Abspaltung von Wasser quervernetzen. und/oder
4. d) zwischen O^- Gruppen von Kieselsäureresten und Al*-OH Gruppen → „Al-O-Si“ + OH^- entsteht: [SiO₂(OH)₂]^2- + Al*-OH → Al*-O-SiO(OH)₂ ^- + OH^-

Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die erste Schutzschicht formschlüssig die dielektrische Schicht. Mit anderen Worten umhüllt die erste Schutzschicht die dielektrische Schicht derart, dass keine Umwelteinflüsse an die dielektrische Schicht gelangen können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Schutzschicht Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, auf, wobei die erste Schutzschicht die dielektrische Schicht formschlüssig bedeckt.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren einen zusätzlichen Schritt auf:
C) Aufbringen einer zweiten Schutzschicht auf die erste Schutzschicht, wobei die zweite Schichtschicht elementares Silizium umfasst oder daraus besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Schutzschicht eine Schichtdicke von höchstens 3 nm, 2 nm, 1,5 nm, 1 nm, 0,8 nm oder 0,6 nm auf, beispielsweise eine Schichtdicke von 1 nm +/- 0,2 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die zweite Schutzschicht strukturiert aufgebracht. Mit „strukturiert“ ist hier und im Folgenden zu verstehen, dass die zweite Schutzschicht, insbesondere auf die erste Schutzschicht, derart aufgebracht wird, dass die zweite Schutzschicht zumindest die dielektrische Schicht und/oder die erste Schutzschicht nicht formschlüssig bedeckt wird.
Erfindungsgemäß kann im Falle einer Beschädigung der ersten Schutzschicht und/oder der dielektrischen Schicht die zweite Schutzschicht selbständig, das heißt ohne Einwirkung eines Werkzeuges, einer Person oder weiterer Prozessschritte, die Beschädigung der ersten Schutzschicht und/oder die dielektrische Schicht heilen oder sie passivieren. Mit anderen Worten weist die zweite Schutzschicht, die Silizium umfasst, oder die erste Schutzschicht, wenn diese Silizium umfasst, einen sogenannten Selbstheilungsprozess auf. Dieser Selbstheilungsprozess schließt eventuelle Fehler in der ersten Schutzschicht oder in der dielektrischen Schicht, wie beispielsweise Pinholes, Nanoslits, Kratzer oder Prozessfehler selbständig, falls das strahlungsemittierende Bauelement einer degradierenden Umgebung, also Umwelteinflüssen, ausgesetzt wird. Es erfolgt eine Passivierung. Dies kann auch als Wundheilungsprozess bezeichnet werden. Dabei besitzt die zweite Schutzschicht oder die erste Schutzschicht, die Silizium umfasst, einen sehr starken sogenannten Distanzeffekt, wodurch auch größere Fehler selbstständig passiviert werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Heilung durch chemische Reaktion des Si der zweiten Schutzschicht zu Kieselsäure und deren Derivaten und anschließend einer kovalenten Anbindung der Kieselsäure an die dielektrische Schicht gemäß der Strukturformel Al-O-Si.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Schutzschicht und die Beschädigung einen Abstand von mindestens 1 µm und maximal 200 µm, bevorzugt einen Abstand von mindestens 50 µm und maximal 100 µm oder 200 µm, beispielsweise 75 µm, auf. Im Falle der Heilung kann die zweite Schutzschicht in Richtung Beschädigung diffundieren und die dielektrische Schicht passivieren. Diese Beschädigungen können beispielsweise während des Abscheideprozesses der Passivierung oder nachträglich erzeugt werden und insbesondere im Falle von Umwelteinflüssen oder einer degradierenden Umgebung ausgeheilt werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die erste Schutzschicht und/oder die zweite Schutzschicht den eigentlichen Alterungsprozess der dielektrischen Schicht, die insbesondere Aluminiumoxid umfasst, in einer degradierenden Umgebung chemisch unterbinden können, indem es die dielektrische Schicht chemisch alterungsstabil terminiert. Damit werden nicht nur Umwelteinflüsse, wie Wasser, von der dielektrischen Schicht physikalisch ferngehalten, sondern es wird auch eine chemische Reaktion der Umwelteinflüsse mit der dielektrischen Schicht unterbunden.
Die erste Schutzschicht und/oder die zweite Schutzschicht können sehr dünn ausgeformt werden, beispielsweise können sie jeweils nur eine Monolage dick sein. Die Schutzschichten sind daher dünner und effektiver ausgeformt verglichen mit herkömmlichen Schutzschichten. Dies spart zudem Material und Prozessschritte.
Zudem erfolgt eine chemische Stabilisierung der dielektrischen Schicht durch zumindest eine der Schutzschichten, insbesondere auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht. Dies kann mittels Atomlagenabscheideverfahren erzeugt werden, und es können dadurch Verformungs- oder Überformungsprobleme vermieden werden.
Zudem können die Schutzschichten einen Selbstheilungsprozess selbst induzieren, insbesondere wenn die Schutzschichten elementares Silizium umfassen. Im Falle eines Fehlers werden die Defekte der dielektrischen Schicht selbstständig durch die Schutzschicht passiviert, wenn das strahlungsemittierende Bauelement einer alternden Umgebung, insbesondere degradierenden Umgebung, ausgesetzt ist.
In herkömmlichen Bauelementen müssen im Vergleich dazu die Schutzschichten sehr dick ausgeformt werden, da diese hauptsächlich eine physikalische Barriere gegenüber Umwelteinflüssen bilden und ein Eindringen von Umwelteinflüssen vermieden werden muss. Zudem können vor allem Pinholes oder Überformungsfehler des Aluminiumoxids der dielektrischen Schicht mit einer dicken Schutzschicht vermieden werden. Die herkömmlichen Schutzschichten werden beispielsweise mittels PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition, Plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung) aufgebracht. Allerdings weisen derartige Schutzschichten eine mindestens 6-fache größere oder zumindest gleiche Schichtdicke als die dielektrische Schicht auf (zum Beispiel dielektrische Schicht 45 nm und Schutzschicht 350 nm). Im Vergleich dazu sind die erfindungsgemäßen Schutzschichten sehr dünn, also dünner als die dielektrische Schicht, insbesondere im Subnanometerbereich, ausgeformt und schützen trotzdem vor einer Degradation der dielektrischen Schicht.
Die mittels PECVD hergestellten Schichten können Unebenheiten nur sehr schwer überformen. Deshalb kann es zu Lunkern an Überformungskanten mit hohen Aspektverhältnissen kommen, die auch durch eine hohe Schichtdicke nicht geschlossen werden können.
Zum anderen müssen dielektrische Schichten unter der herkömmlichen Schutzschicht so tief vergraben werden, dass etwaige Partikel auf einen Halbleiterchip eines strahlungsemittierenden Bauelements nicht im Nachfolgeprozess abplatzen können, da dies zu einem Ausfall der Schutzschicht führen würde.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 eine rasterelektronischenmikroskopische Aufnahme eines Vergleichsbeispiels,
2A ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß Vergleichsbeispielen,
2B eine rasterelektronischenmikroskopische Aufnahme,
3A und 3B jeweils ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß eines Vergleichsbeispiels,
3C ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß einer Ausführungsform,
4A bis 4C ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements,
5A bis 5C ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelement, und
6A bis 6C jeweils ein FTIR-Spektrum gemäß eines Vergleichsbeispiels.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (scanning electron microscope, SEM) einer degradierten dielektrischen Schicht 1, die Aluminiumoxid umfasst und Umwelteinflüssen ausgesetzt wurde. Das Aluminiumoxid reagierte beispielsweise mit Wasser zu Aluminiumoxidhydroxyd. Die Aluminiumoxidoberfläche wurde mittels Atomlagenabscheideverfahren erzeugt. Um diesen degradierten Effekt zu vermeiden, sollte die dielektrische Schicht 1 mit einer Schutzschicht 2, 3 vor Degradation geschützt werden.
Die 2A und 2B zeigen ein strahlungsemittierendes Bauelement und eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme. Es ist hier die sogenannte chemische Verkapselungstheorie (chemical capping theory) gezeigt. Das strahlungsemittierende Bauelement der 2A zeigt eine dielektrische Schicht 1, die insbesondere aus Aluminiumoxid mittels Atomlagenabscheideverfahren geformt ist. Im Bereich von I ist auf dieser dielektrischen Schicht 1 eine erste Schutzschicht 2 angeordnet. Die erste Schutzschicht 2 ist insbesondere aus Silizium geformt. Es wird also eine Siliziumquelle zur Verfügung gestellt. Die zugehörige rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in der 2B zeigt die Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 und der Schutzschicht 2 im Bereich von I. Im Bereich von II diffundiert nun die erste Schutzschicht 2, insbesondere das Silizium der ersten Schutzschicht 2 oder das Silizium in Form der Kieselsäure, auf die Oberfläche des Aluminiumoxids und bildet Kieselsäure, insbesondere Monokieselsäure, und anschließend einen Siliziumoxidfilm, insbesondere Siliziumdioxidfilm. Insbesondere wird das Silizium an seinem ursprünglichen Ort zu Kieselsäure umgewandelt und diffundiert dann auf die Oberfläche des Aluminiumoxids. Es kann eine kovalente Anbindung der Monokieselsäuren an die dielektrische Schicht erfolgen, so dass die Struktureinheit Al-O-Si als Oberflächenterminierung erhalten wird. Die Si-Reste können dann untereinander zu Si-O-Si -Bindungen weiter unter Abspaltung von Wasser vernetzen. Insbesondere können zusätzliche Kondensationsreaktionen möglich sein, beispielsweise zwischen den OH-Gruppen der Kieselsäure, so dass Struktureinheiten wie Si-O-Si und Wasser entstehen können. Ferner können die OH-Gruppen und die O^--Gruppen der Kieselsäure beziehungsweise Kieselsäurereste eine Si-O-Si-Einheit oder- Bindung und Hydroxidionen entstehen lassen oder es können zwischen den OH-Gruppen von der Kieselsäure und dem Al*^--OH-Gruppen Al-O-Si-Bindungen und Wasser entstehen. Alternativ können auch zwischen den Sauerstoffgruppen der Kieselsäurereste und der Al*^-OH-Gruppen eine Al-O-Si-Bindung und Hydroxidionen entstehen.
Die Zone III der 2A zeigt die Degradation der Oberfläche der dielektrischen Schicht 1, insbesondere die Degradation des mittels Atomlagenabscheideverfahren erzeugten Aluminiumoxids. Es ist die Kristallisierung des Aluminiumoxids 12 aufgrund einer Hydroxilierungsreaktion zu beobachten. In 2B ist die zugehörige SEM-Aufnahme gezeigt.
Es ist aus 2B zu erkennen, dass rund um die erste Schutzschicht 2 (Bereich I) keine Alterung stattgefunden hat, während außerhalb des Wirkungsbereichs eine Alterung der dielektrischen Schicht 1 auftrat.
Alternativ ist es möglich den selbstaktivierten siliziuminduzierten Cappingmechanismus oder die ALD Al₂O₃-Terminierung auch singulär oder in Kombination mit anderen eventuell schon vorhandenen Verkapselungen zu verwenden.
Die 3A und 3B zeigen jeweils ein strahlungsemittierendes Bauelement 100 gemäß eines Vergleichsbeispiels und 3C zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform. Die 1A zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement 100, das eine dielektrische Schicht 1 und direkt darauf angeordnet eine erste Schutzschicht 2 aufweist. Die dielektrische Schicht 1 ist insbesondere aus Aluminiumoxid geformt, das mittels Atomlagenabscheideverfahren hergestellt wurde. Die erste Schutzschicht 2 ist insbesondere aus elementarem Silizium oder in Verbindung, beispielsweise aus Siliziumoxid, geformt. Vorzugsweise wird auch das Silizium elementar oder in Verbindung mittels Atomlagenabscheideverfahren auf die dielektrische Schicht 1 aufgebracht. Damit kann mit Vorteil nur eine Anlage zur Abscheidung von beiden Schichten verwendet werden.
Die erste und/oder die zweite Schutzschicht 2, 3 kann Bestandteil einer Verkapselung sein oder zur Passivierung von p- und/oder n-Halbleiterschichten verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann die erste Schutzschicht zum Schutz der Halbleiterchipoberfläche, beispielsweise der Oberfläche der n-Halbleiterschicht des Halbleiterchips, der Mesa-Kante mit pn-Übergang, innerhalb des Halbleiterchips, beispielsweise an der p-Halbleiterschicht, des internen Spiegels und/oder zur chipinternen Trennung von elektrischen Potentialen von der n- und p-Seite (sogenannter IDL = internal dielectric layer) verwendet werden.
Die 3B unterscheidet sich von der 3A dahingehend, dass hier die kovalente Anbindung der Si-O-Einheiten an die Aluminiumatome Al des Aluminiumoxids der dielektrischen Schicht 1 gezeigt ist. Es bildet sich eine kovalente Struktureinheit Al-O-Si als Oberflächenterminierung. Vorzugsweise können die Sauerstoffgruppen zwischen den Siliziumatomen, welche nicht an der Aluminiumoberfläche angebunden sind, zusätzlich untereinander kovalent binden.
Die 3C weist im Vergleich zu den strahlungsemittierenden Bauelementen 100 der 3A und 3B eine zusätzliche zweite Schutzschicht 3 auf. Die zweite Schutzschicht 3 ist direkt auf der ersten Schutzschicht 2 angeordnet. Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht 1 aus Aluminiumoxid, die erste Schutzschicht 2 aus Siliziumoxid und die zweite Schutzschicht 3 aus Silizium geformt.
Die zweite Schutzschicht 3 weist insbesondere eine Schichtdicke von ungefähr 1 nm auf.
Die 4A bis 4C zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Das strahlungsemittierende Bauelement 100 weist eine dielektrische Schicht 1 auf, auf dem ein Partikel, beispielsweise ein Schmutzpartikel 8, angeordnet ist. Dieses Partikel 8 kann beispielsweise während der Herstellung in Folge von Staub auf die dielektrische Schicht 1 aufgebracht sein. Über der dielektrischen Schicht 1 und dem Partikel 8 ist eine erste Schutzschicht 2, die insbesondere aus Siliziumoxid ist, formschlüssig aufgebracht und verkapselt somit zum einen die dielektrische Schicht 1 und das Partikel 8. Auf der ersten Schutzschicht 2 ist eine zweite Schutzschicht 3 aus Silizium aufgebracht, die die erste Schutzschicht 2, die dielektrische Schicht 1 und das Partikel 8 verkapselt.
In Folge von Scherkräften 9 kann der Partikel 8 von der Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 abplatzen, so dass eine Freilegung der Oberfläche 7 der dielektrischen Schicht 1 erfolgen kann. Da die dielektrische Schicht 1 gegenüber Umwelteinflüssen degradiert, wandert nun diffusionsgetrieben 5 die zweite Schutzschicht 3 auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 und es erfolgt die sogenannte Wundheilung oder Selbstheilung der ersten Schutzschicht 2.
In 4C ist die Heilung durch chemische Reaktion der Kieselsäure auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 zu sehen, wobei anschließend eine kovalente Anbindung der Kieselsäure an die dielektrische Schicht 1 erfolgt. Damit kann die degradationsempfindliche dielektrische Schicht 1 selbständig passiviert werden Damit können sogenannte Fehler, wie beispielsweise Pinholes, Kratzer oder Prozessfehler, selbständig geheilt werden, wenn das strahlungsemittierende Bauelement 100 einer degradierenden Umgebung, also Umwelteinflüssen, ausgesetzt wird. Vorzugsweise kann das Silizium der zweiten Schutzschicht 3 in Form von Kieselsäure oder Kieselsäureresten in einem Radius von insbesondere 1 µm bis 100 µm diffundieren, also wandern, und somit auch beabstandete Fehler der dielektrischen Schicht 1 und/oder offene Oberflächen der dielektrischen Schicht 1 selbständig passivieren.
Die 5A bis 5C zeigen eine schematische Seitenansicht eines strahlungsemittierenden Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform.
Die 5A zeigt eine dielektrische Schicht 1, beispielsweise aus Aluminiumoxid, die mit einer ersten Schutzschicht 2 formschlüssig abgedeckt ist. Auf der ersten Schutzschicht 2 ist eine zweite Schutzschicht 3 strukturiert aufgebracht, hier beispielsweise als Partikel ausgeformt.
5B zeigt, dass im Falle einer Beschädigung der ersten Schutzschicht 2 und damit ein Freilegen der Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 die zweite Schutzschicht 3, die aus Silizium geformt ist, befähigt ist, in Form von Kieselsäure in Richtung Beschädigung zu wandern, also zu diffundieren, und auf die freigelegte Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 zu diffundieren und diese formschlüssig zu bedecken, so dass eine Degradation der dielektrischen Schicht 1 vermieden wird. Dieser Prozess wird auch als Passivierungsprozess der dielektrischen Schicht 1 oder als Selbstheilungsprozess der ersten Schutzschicht 2 bezeichnet (5C).
Mit anderen Worten reagiert das Silizium der zweiten Schutzschicht 3 (5A) zu Kieselsäure oder Kieselsäureresten (5B) und wird als Siliziumoxid auf Aluminiumoxid gebunden (5C).
Die 6A bis 6C zeigen jeweils ein FTIR-Spektrum gemäß eines Vergleichsbeispiels. Es ist jeweils die Absorption A in willkürlichen Einheiten (a.U.) in Abhängigkeit von der Wellenzahl u in cm^-1 dargestellt. Das Spektrum I zeigt jeweils die dielektrische Schicht 1 vor der Alterung und das Spektrum II zeigt jeweils die dielektrische Schicht nach der Alterung. Die 6A zeigt die dielektrische Schicht 1, wobei auf der dielektrischen Schicht 1 keine Schutzschicht 2, 3 angeordnet ist. Die 6B zeigt das Aufbringen einer ersten Schutzschicht 2, die mittels eines ALD-Zyklus erzeugt wurde, und die 6C zeigt die dielektrische Schicht 1 mit einer ersten Schutzschicht 2, die mittels dreier ALD-Zyklen erzeugt wurde. Die erste Schutzschicht 2 ist vorzugsweise aus Siliziumoxid geformt. Die erste Schutzschicht 2 kann direkt hinter dem Aufbringen der dielektrischen Schicht 1 erzeugt werden, also mit derselben ALD-Anlage. Es wurde nur der Precursor gewechselt.
Die erste Schutzschicht 2 terminiert die Oberfläche des Aluminiumoxids der dielektrischen Schicht 1 durch Al-O-Si-Verbindungen. Experimente haben gezeigt, dass diese Oberflächenterminierung ausreicht, um das Aluminiumoxid der dielektrischen Schicht 1 degradationsstabil zu machen. Insbesondere reichen 3 ALD-Zyklen zur Herstellung der ersten Schutzschicht 2 aus Siliziumdioxid aus, um die dielektrische Schicht 1 degradationsstabil zu machen, da anlagen- und prozessabhängig in der Regel keine Monlage, insbesondere keine geschlossene Monolage, mit einem ALD-Zyklus erzeugt werden kann. 15 bis 20 ALD-Zyklen entsprechen einer Schichtdicke von ungefähr 1 nm.
Die gebildete erste Schutzschicht 2 ist also subnanometerdick. Im Grunde reicht eine Abscheidung einer Monolage aus der ersten Schutzschicht 2 aus. Vorteil der ersten Schutzschicht 2 ist, dass diese direkt im Anschluss an das Abscheiden der dielektrischen Schicht 1 erzeugt werden kann. Die erste Schutzschicht 2 kann alle Bereiche der dielektrischen Schicht 1 bedecken und chemisch terminieren, ohne dass ein Anlagenwechsel oder ähnliches notwendig ist.
Zusätzlich zur ersten Schutzschicht 2 kann erfindungsgemäß eine zweite Schutzschicht 3 aus Silizium aufgebracht werden. Insbesondere ist die Dicke der zweiten Schutzschicht maximal 3 nm oder maximal 1,5 nm, beispielsweise 1 nm. Die zweite Schutzschicht 3 weist einen selbstaktivierten Passivierungsmechanismus auf. Im Normalfall ruht das Silizium der zweiten Schutzschicht 3. Im Falle einer degradierenden Umgebung, beispielsweise bei hoher Feuchte oder Temperatur, wird bei einem offenliegenden dielektrischen Material 1, beispielsweise Aluminiumoxid, ein chemischer Oberflächenmechanismus ausgelöst. Es bilden sich Kieselsäure und Kieselsäurereste, die aufgrund von oberflächenchemischen Prozessen auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 1 ausfällt und die Oberfläche mit Al-O-Si-Bindung terminiert. Es bildet sich selbständig eine Art Siliziumoxidfilm auf der zuvor freiliegenden Oberfläche der dielektrischen Schicht 1. Dieser Effekt besitzt eine gewisse Fernwirkung, beispielsweise kann ein Abstand zwischen Beschädigung und erster oder zweiter Schutzschicht 2, 3 aus Silizium von über 100 µm sein. Dieser Abstand führt dazu, dass auch offenliegende Oberflächen der dielektrischen Schicht 1 in einiger Entfernung zur Schutzschicht 2, 3 aus Silizium passiviert werden können.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung einen allgemeinen Teil aufweisen.
Bezugszeichenliste

100: strahlungsemittierendes Bauelement
1: dielektrischen Schicht
2: erste Schutzschicht
3: zweite Schutzschicht
4: Umwelteinflüsse
5: Kriechen/ Diffusion
6: Beschädigung
7: freigelegte Oberfläche der dielektrischen Schicht
8: Partikel
9: Kraft
10: Heilung
12: Kristalle

Claims

Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements (100) mit den Schritten: A) Bereitstellen einer dielektrischen Schicht (1), die durch Umwelteinflüsse (4) degradiert, B) Aufbringen einer ersten Schutzschicht (2) auf die dielektrische Schicht (1) mittels eines Atomlagenabscheideverfahren, C) Aufbringen einer zweiten Schutzschicht (3) auf die erste Schutzschicht, wobei die zweite Schichtschicht (3) elementares Si umfasst, wobei die erste Schutzschicht (2) Si elementar oder in Verbindung umfasst, wobei die Schichtdicke der ersten Schutzschicht (2) kleiner oder gleich 1 nm ist, so dass die erste Schutzschicht (2) eine Degradation der dielektrischen Schicht (1) vermindert oder verhindert, wobei im Falle einer Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) die zweite Schutzschicht (3) selbstständig die Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) heilt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht (1) Aluminium umfasst und wobei nach Schritt B) eine kovalente Anbindung der ersten Schutzschicht (2) an die dielektrische Schicht (1) gemäß einer kovalenten Bindung Al-O-Si erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der ersten Schutzschicht (2) genau eine Monolage ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schutzschicht (2) elementares Silizium umfasst, und wobei im Falle der Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und einem Freilegen der dielektrischen Schicht (1) die erste Schutzschicht (2) die Beschädigung (6) selbstständig heilt, so dass die dielektrische Schicht (1) ohne weitere Prozessschritte gegenüber Umwelteinflüssen (4) passiviert ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Heilung durch chemische Reaktion des Si der ersten Schutzschicht (2) zu Kieselsäure und deren Derivate erfolgt und anschließend eine kovalente Anbindung der Kieselsäure an die dielektrische Schicht (1) gemäß einer kovalenten Bindung Al-O-Si erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schutzschicht (2) formschlüssig die dielektrische Schicht (1) bedeckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (1) Aluminiumoxid aufweist und mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schutzschicht (2) Siliziumoxid aufweist, und die dielektrische Schicht (1) formschlüssig bedeckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schutzschicht (3) eine Schichtdicke von höchstens 1,5 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schutzschicht (3) strukturiert aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Heilung durch chemische Reaktion des Si der zweiten Schutzschicht (3) zu Kieselsäure und deren Derivate erfolgt und anschließend eine kovalente Anbindung der Kieselsäure an die dielektrische Schicht (1) gemäß der Strukturformel Al-O-Si erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Schutzschicht (3) und die Beschädigung (6) einen Abstand von mindestens 1 µm und maximal 200 µm aufweisen und im Fall einer selbstständigen Heilung die zweite Schutzschicht in Richtung der Beschädigung (6) diffundiert und die dielektrische Schicht (1) passiviert.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) aufweisend - eine dielektrische Schicht (1), die Aluminiumoxid umfasst, - eine erste Schutzschicht (2), die auf der dielektrischen Schicht (1) angeordnet ist und zur Verkapselung der dielektrischen Schicht (1) gegenüber Umwelteinflüssen (4) eingerichtet ist, - wobei die dielektrische Schicht (1) und/oder die erste Schutzschicht (2) mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens erzeugt ist, - wobei die erste Schutzschicht (2) Si elementar oder in Verbindung umfasst, - wobei die Schichtdicke der ersten Schutzschicht (2) kleiner oder gleich 1 nm ist, so dass die erste Schutzschicht (2) eine Degradation der dielektrischen Schicht vermindert oder verhindert, und - wobei auf die erste Schutzschicht (2) eine zweite Schutzschicht (3) aufgebracht ist, die elementares Si umfasst, wobei im Falle einer Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) die zweite Schutzschicht (3) selbstständig die Beschädigung (6) der ersten Schutzschicht (2) und/oder der dielektrischen Schicht (1) heilt.
Strahlungsemittierendes Bauelement (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das strahlungsemittierende Bauelement (100) eine organische Leuchtdiode, eine anorganische Leuchtdiode oder ein Laser ist.