DE10211531B4

DE10211531B4 - Hocheffiziente LED und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10211531B4
Application number: DE10211531A
Authority: DE
Inventors: Tzer-Perng Chen
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: US6869820B2; DE10211531A1; US20030143772A1

Abstract

LED, mit – einer lichtemittierenden Struktur aus einer n-dotierten Hüllschicht (104), einer aktiven Schicht (106) und einer p-dotierten Hüllschicht (108), welche auf einen Injektionsstrom Licht erzeugen; – einer auf der p-dotierten Hüllschicht (108) gebildeten p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) mit hoher Trägerkonzentration aus AlGaAs, GaAsP oder GaP; – einer gemusterten ohmschen Metall-Kontaktschicht (112), die auf einer p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) gebildet ist; – einer transparenten leitenden Oxidschicht (114), die auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) gebildet ist, um die gemusterte ohmsche Metall-Kontaktschicht (112) zu überdecken; – einer reflektierenden Metallschicht (116), die auf der transparenten leitenden Oxidschicht (114) gebildet ist, sodass die transparente leitende Oxidschicht (114) die reflektierende Metallschicht (116) an einer Reaktion mit der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) hindert; und – mit einem leitenden Basissubstrat (120), welches auf der reflektierenden Metallschicht (116) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hocheffiziente Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine III-V-Verbindung-Halbleiter-LED mit einem zur Vermeidung einer Lichtabsorption durch das Substrat eingeschlossenen hochreflektierenden Metallreflektor.
Die in 1 gezeigte konventionelle AlGaInP-LED hat eine doppelte Heterostruktur (DH), welche besteht aus einer n-dotierten (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P unteren Hüllschicht (cladding layer) 3 mit einer Al-Zusammensetzung von etwa 70% bis 100%, die auf einem n-dotierten GaAs-Substrat 1 gebildet ist, einer (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 5 mit einer Al-Zusammensetzung von 0%–45%, einer p-dotierten (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P oberen Hüllschicht 7 mit einer Al-Zusammensetzung von 70%–100% und einer p-dotierten Hochenergie-Bandlücken-Stromverteilungsschicht 9 wie etwa GaP-, GaAsP-, AlGaAs- oder ZnO-Schichten. Jedoch wird der von der aktiven Schicht 5 zum Substrat hin emittierte Lichtanteil vollständig vom GaAs-Substrat 1 absorbiert. Deshalb ist die äußere Quanteneffizienz dieser Art von konventioneller AlGaInP-LED gering. Außerdem beträgt die Wärmeleitfähigkeit von GaAs nur etwa 44 W/(m°C). Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des GaAsSubstrats 1 genügt nicht zur Ableitung der erzeugten Wärme.
Zur Überwindung des Problems der Substratabsorption sind mehrere LED-Herstellungsverfahren beschrieben worden. Jedoch haben diese bekannten Verfahren noch mehrere Nachteile und Grenzen. Beispielsweise beschrieb Sugawara et al. ein Verfahren, das in Appl. Phys. Lett. Vol. 61, 1775–1777 (1992) veröffentlicht wurde. Die LED-Struktur ist ähnlich der von 1, sodass in 2 die Schichten ähnlicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Sugawara et al. fügten, wie in 2 gezeigt, zwischen dem GaAs-Substrat 1 und der unteren Hüllschicht 3 eine verteilte Bragg-Reflektor(DBR – distributed Bragg rflector)-Schicht 2 ein, um das zum GaAs-Substrat 1 hin abgestrahlte Licht zu reflektieren. Weiterhin fügten sie eine Blockierschicht 10 hinzu, um die Stromverteilung zu verbessern. Jedoch beträgt die maximale Reflektivität der in einer AlGaInP-LED verwendeten DBR-Schicht 2 nur etwa 80% und hängt auch vom Reflexionswinkel ab. Die DBR-Schicht 2 kann nur das rechtwinklig zum GaAs-Substrat 1 hin abgestrahlte Licht wirksam reflektieren, sodass die Verbesserung der externen Quanteneffizienz begrenzt bleibt.
Kish et al. beschrieben ein wafergebondetes Transparent-Substrat (TS) (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P/GaP einer LED [Appl. Phys. Lett. Vol. 64, No. 21, 2839 (1994) ”Very high efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P/GaP]. Wie in 3 gezeigt, wird das (nicht gezeigte) GaAs-Absorptionssubstrat ersetzt durch ein Transparent-Substrat (TS) 13. Die TS-AlGaInP-LED wurde hergestellt durch Aufwachsen einer sehr dicken (etwa 50 μm) p-dotierten GaP-Fensterschicht 11 auf den Epischichten einer lichtabstrahlenden Struktur 12 (0,75 pm p-dotierte Hüllschicht 3 aus Al_0,5In_0,5P/Aktivschicht 5 aus Al_xGa_1-xIn_0,5P/l μm-dotierte Hüllschicht 7 aus Al_0,5In_0,5P mit GaAs als temporäres Substrat unter Verwendung von Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE – hydride vapor phase epitaxy). Anschließend wurde das temporäre n-dotierte GaAs-Substrat mit konventionellen Ätztechniken selektiv entfernt. Nach Entfernung des GaAs-Substrats wird die LED-Epischichtenstruktur 12 an ein 8–10 mil (Millizoll) dickes n-dotiertes GaP-Substrat gebondet. Die erhaltene TS-AlGaInP-LED zeigt eine zweifach bessere Lichtabgabe verglichen mit AB(absorbing substrate)-AlGaInP-LEDs mit absorbierendem Substrat. Jedoch ist der Herstellungsprozess einer TS-AlGaInP-LED zu kompliziert. Eine ergiebige und kostengünstige Herstellung dieser TS-AlGaInP-LEDs ist daher schwierig.
Horng et al. berichteten über eine Spiegelsubstrat MS(mirror substrate)-AlGaInP/Metall/SiO2/Si-LED, die mittels einer Waferschmelztechnologie hergestellt wurde [Appl. Phys. Lett. Vol. 75, No. 20, 3054 (1999) ”AlGaInP light-emitting diodes with mirror substrates fabricated by wafer bonding”] [J Electronic Materials, Vol. 30, No. 8, 2001, 907 ”Wafer bonding of 50-mm-diameter mirror substrates to AlGaInP light-emitting diode wafers”]. Gemäss 4A erzeugten sie ein Spiegelsubstrat 30 unter Verwendung einer Spiegelschicht AuBe 23/Au 21 der Dicken von etwa 100 nm/150 nm angeheftet an ein SiO₂ 25/Si-Substrat 27. Die LED-Epischichten 20 sind in 4B gezeigt, wobei diese ähnlich der gemäß 2 sind, jedoch eine GaAs-Pufferschicht 2a zwischen dem n-dotierten GaAs-Substrat 1 und einer n-dotierten DBR-Schicht 2 aus AlGaAs/GaAs aufweisen und eine p-dotierte GaAs-Abdeckschicht (capping layer) 15 ersetzt die Stromverteilungsschicht 9. Das Spiegelsubstrat 30 wird dann verbunden mit den LED-Epischichten 20 mittels Bondens der Au-Schicht 21 mit der p-dotierten Abdeckschicht 15. Danach werden das GaAs-Substrat 1, die GaAs-Pufferschicht 2a und die DBR-Schicht 2 entfernt. Schließlich wird eine n- dotierte Elektrode aus einer AuGeNi/Au-Metallschicht 19 auf der n-dotierten Hüllschicht 3 gebildet. 4C zeigt die erhaltene Struktur.
Der Zweck des Spiegelsubstrats 30 ist es, das in Richtung zum Absorptionssubstrat abgestrahlte Licht zu reflektieren sowie eine bessere Wärmeleitfähigkeit des Siliziumsubstrats zu erzielen. Das Silizium des Spiegelsubstrats 30 hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 124 bis 148 W/(m°C) und kann somit beim Problem der Wärmeableitung eine Verbesserung ergeben. Jedoch hat die oberste Fläche der AlGaInP-LED-Epiwafer 20 gewöhnlich einige Hügel (nicht gezeigt). Diese Hügel können zu Bereichen unvollständigen Bondens führen und während der LED-Epischichtenabschnitt 20 mit dem tragenden Substrat 30 gebondet wird, werden diese Bereiche problematisch und zeigen eine verschlechterte Leistung der LED-Chips. Darüber hinaus muss zur Erzielung eines niedrigen Kontaktwiderstands der n-dotierte ohmsche Kontakt 19 bei einer Temperatur von über 400°C ge- glüht werden. Bei diesem Glühen bei höheren Temperaturen kann sich die Reflektivität der Au-Spiegelschicht 21 ernsthaft verschlechtern, und zwar aufgrund einer Reaktion zwischen dieser und dem III-V-Gruppen-Halbleiter: der p-dotierten GaAs-Abdeckschicht 15. Außerdem sind die p-Elektrode 21 und die n-Elektrode 19 auf der gleichen Seite gebildet, sodass die Abmessung des Chips größer wird als bei üblichen LED-Chips, die die p-Elektrode auf einer und die n- Elektrode auf der anderen Seite haben.
Im US-Patent 6 319 778 B1 beschrieben Chen et al. eine Leuchtdiode mit einem die Lichtleistung erhöhenden Metallreflektor. Diese LED-Struktur ist in 5 gezeigt und besteht aus LED-Epischichten 40 und einem tragenden Substrat 35, das mittels einer Niedrigtemperatur-Lötschicht 39 gebondet ist. Die LED-Epischichten 40 bestehen aus einer n-dotierten Hüllschicht 41, einer AlGaInP-Aktivschicht 42, einer p-dotierten Hüllschicht 43, einer p-dotierten GaAs-Abdeckschicht 44 und einer p- dotierten ohmschen Kontaktschicht 45.
Das tragende Substrat 35 besteht aus einem stark störstellendotierten Siliziumsubstrat 36, welches auf beiden Seiten mit Metallschichten 37a und 37b beschichtet ist. Deshalb kann eine einen vertikalen Injektionsstromfluss verwirklichende LED-Struktur mit einer n-Elektrode auf einer Seite (ein n-dotiertes ohmsches Kontaktmetall 47 und eine p-Elektrode auf der anderen Seite 37a) erhalten werden. Jedoch wird das ohmsche n-Kontaktmetall 47 nach dem Bonden aufgebracht. Um einen niedrigeren Übergangswiderstand zu erzielen ist ein Glühvorgang bei hoher Temperatur notwendig, der jedoch die Reflektivität des Metallreflektors 37b beeinträchtigt. Um nicht die Reflektivität zu opfern kann das ohmsche n-Kontaktmetall 47 nicht bei höherer Temperatur geglüht werden. Deshalb kann ein niedriger Widerstand des n-dotierten ohmschen Kontakts 47 nicht erzielt werden.
DE 100 26 254 A1 zeigt einen Lumineszenzdiodenchip auf GaN-Basis mit einer lichtemittierende Struktur aus einer n-dotierten Epitaxieschicht, einer aktiven Zone und einer p-dotierten Epitaxieschicht. Auf der p-dotierten Epitaxieschicht ist eine reflektierende Kontaktmetallisierung vorgesehen, die eine transparente, leitende Schicht und eine reflektierende Metallschicht umfasst. Der daraus gebildete Chip wird mit der Seite der reflektierenden Kontaktmetallisierung auf eine Chipmontagefläche eines elektrischen Anschlussrahmens eines LED-Gehäuses montiert.
JP 2001-144 323 A offenbart eine lichtemittierende Diode auf AlGaInP-Basis mit einer lichtemittierenden Struktur aus einer n-dotieren Hüllschicht, einer aktiven Schicht und einer p-dotierten Hüllschicht. Auf der n-dotiereten Hüllschicht ist eine transparente, leitende Schicht aufgebracht, zwischen der und der n-dotiereten Hüllschicht mehrere ohm'sche Elektroden mit einem Muster vorgesehen sind, um den ohm'schen Kontakt zwischen der n-dotierten Hüllschicht und der transparenten, leitenden Schicht zu verbessern. Unter der p-dotierten Hüllschicht ist eine Bragg-Reflektionsschicht vorgesehen, die über eine Pufferschicht mit einem Substrat verbunden ist.
US 6 078 064 A beschreibt eine lichtemittierende Diode auf GaN-Basis aus einer Mehrzahl von lichtemittierenden Schichten, welche auf einen Injektionsstrom hin Licht erzeugen. Auf der obersten Schicht der lichtemittierenden Schichten ist eine transparente Metallkontaktschicht und auf der transparenten Metallkontaktschicht eine transparente, leitende Oxidschicht ausgebildet. Die unterste Schicht der lichtemittierenden Schichten ist über eine Pufferschicht mit einem Substrat verbunden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hocheffizienten Halbleiterlichtquelle zu schaffen.
Diese Aufgabe ist durch die LED nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Herstellung einer LED nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine LED besteht aus einer LED-Epitaxialstruktur, die eine Mehrzahl von Halbleiterschichten der Verbindungen der III-V-Gruppe aufweist, welche aufwachsen auf einem gitterangepassten Substrat und auf einen Injektionsstrom hin Licht erzeugen können, aus einem Metallreflektor, der aus einer transparenten leitenden Oxidschicht besteht. Eine hochreflektierende Metallschicht wird auf die LED-Schichten aufgebracht. Ein Siliziumsubstrat hat eine erste ohmsche Kontakt-Metallschicht auf einer Seite und eine zweite ohmsche Kontakt-Metallschicht auf der anderen Seite sowie eine Lötschicht zum Bonden der LED-Epitaxialschichten mit dem Siliziumsubstrat.
Die Erfindung wird nachfolgend durch eine Beschreibung anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:
1 schematisch die Struktur der oben beschriebenen bekannten LED;
2 die beschriebene LED mit der DBR-Struktur zur Reflexion des von der aktiven Schicht abgestrahlten Lichts;
3 die beschriebene LED mit einem durch Waferbonden hergestellten transparenten Substrat;
4 die beschriebene LED mit einem durch ein Waferschmelzverfahren (wafer-fused technology) hergestellten Spiegelsubstrat AlGaInP/Metall/SiO₂/Si;
5 die beschriebene LED mit einer Metallreflektorstruktur, die an ein leitfähiges Siliziumsubstrat gebondet ist;
6A–6C schematisch die Struktur einer AlGaInP- LED gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A schematisch eine AlGaInN lichterzeugende Struktur gemäß einer Ausführungsform zum Verständnis der vorliegenden Erfindung;
7B schematisch ein tragendes Substrat für eine AlGaInN-LED gemäß einem Ausführungsform zum Verständnis der vorliegenden Erfindung;
8 schematisch die Struktur einer AlGaInN-LED gemäß einem Ausführungsform zum Verständnis der vorliegenden Erfindung.
Wie oben beschrieben haben die bekannten LEDs viele Nachteile, während die vorliegende Erfindung eine neue LED-Struktur beschreibt, die eine transparente leitende Oxidschicht zwischen einer Metallreflektorschicht und der Oberseite der lichterzeugenden Struktur besitzt und die den bekannten LEDs anhaftenden Nachteile beseitigt. Diese wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Gemäß 6A besteht die Epitaxialstruktur 118 aus einem temporären GaAs-Substrat 100, einer Ätzstoppschicht 102, einer n-dotierten unteren (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P-Hüllschicht 104 mit einer Al-Zusammensetzung von etwa 50% bis 100%, einer (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 106 mit einer Al-Zusammensetzung von etwa 0%–45%, einer oberen p-dotierten (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P-Hüllschicht 108 mit einer Al-Zusammensetzung von etwa 50%–100% und einer p-dotierten ohmschen Kontaktschicht 110.
Das Material der Ätzstoppschicht 102 kann gewählt werden aus irgendeiner der III-V-Verbindungen von Halbleitermaterialien, die ein Gitter entsprechend dem des GaAs-Substrats 100 hat. Das Material der Ätzstoppschicht 102 hat eine sehr viel kleinere Ätzrate als das GaAs-Substrat 100, wenn zu dessen Entfernung eine Ätzmixtur wie 5H₃PO₄:3H₂O₂:3H₂O oder 1NH₄OH:35H₂O₂ verwendet wird. Beispielsweise ist GaInP oder Al-GaAs ein gut geeignetes Material für die Ätzstoppschicht 102. Die Ätzstoppschicht 102 muss auch eine hohe Trägerkonzentration aufweisen um den ohmschen Kontakt leicht herzustellen. Die bevorzugte Trägerkonzentration der Ätzstopschicht 102 liegt über 10¹⁸ cm^–3.
Die p-dotierte ohmsche Kontaktschicht 110 (nachfolgend als transparente ohmsche Kontaktschicht 110 bezeichnet) sollte eine hohe Durchlässigkeit für das von der aktiven Schicht 106 emittierte Licht aufweisen und muss deshalb eine Energiebandlücke grösser als die der Aktivschicht 106 haben. Auch muss in der transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 eine hohe Trägerkonzentration vorliegen um einen niedrigen ohmschen Kontaktwiderstand zu ergeben. Vorzugsweise ist die transparente ohmsche Kontaktschicht 110 aus irgendeiner der III-V-Verbindungen von Halbleitern, die den genannten Bedingungen entsprechen. Beispielsweise ist bei einer Licht in einem Wellenlängenbereich von ca. 590 nm–650 nm emittierenden LED AlGaAs oder GaAsP eine gute Wahl als Material der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht 110. Bei Wellenlängen von bis zu 560 nm ist GaP ein guter Kandidat. Vorzugsweise ist die Trägerkonzentration der transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 höher als 10¹⁸ cm^–3.
Danach wird auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht 110 zur weiteren Vergleichmäßigung des Stromflusses ein p-dotiertes ohmsches metallisches Gittermuster oder Maschenmuster 112 (nachfolgend ohmsche gemusterte Metall- Kontaktschicht 112 genannt) wie etwa Au-Be, Au-Zn oder Cr-Au aufgebracht. Die ohmsche gemusterte Metall-Kontaktschicht 112 wird erzeugt entweder durch die Schrittfolge des Bildens einer p-dotierten ohmschen Kontakt- Metallschicht auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht 110, des Aufbringens eines Fotoresistmusters und des Durchführens eines Ätzvorgangs, um die p-dotierte ohmsche Metall-Kontaktschicht in ein Muster zu bringen, und des Entfernens des Fotoresists oder durch die Schrittfolge des Aufbringens eines Fotoresists in einem Gitter- oder Maschenmuster, des Aufbringens einer p-dotierten ohmschen Kontakt-Metallschicht und danach eines Abtragungsvorgangs, um die Bereiche der schlecht gebondeten Metallschicht zu entfernen und schließlich des Abziehens des Fotoresists.
Das höhere Überdeckungsverhältnis der gemusterten ohmschen Metallkontaktschicht 112 wird die Lichtleistung verringern, aber es wird auch die Vorwärtsspannung der LED verringern. Um also einen Kompromiss zwischen Lichtausbeute und Kontaktwiderstand zu finden, ist ein Überdeckungsverhältnis der gemusterten ohmschen Metall-Kontaktschicht von weniger als 10% bevorzugt.
Danach wird die erhaltene LED-Struktur bei einer hohen Temperatur von etwa 350–600°C geglüht, um einen niedrigen Kontaktwiderstand zu erzielen. Danach werden aufeinanderfolgend eine transparente leitende Oxidschicht 114 und eine hochreflektierende Metallschicht 116 auf der transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 aufgebracht. Die transparente leitende Schicht 114 wird gemäß der Erfindung gewählt aus einem der Materialien, die über eine hohe Leitfähigkeit, gute Transparenz und wenig Reaktionsfreude mit der reflektierenden Metallschicht 116, auch bei hohen Temperaturen, aufweisen. Gute Kandidaten sind In₂O₃, SnO₂, CdO, ZnO, ITO (Indium tin Oxide; Indiumzinnoxid), CTO (Cadmium tin Oxide; Kadmiumzinnoxid), CuAlO₂, CuGaO₂ und SrCu₂O₂. Die hochreflektierende Metallschicht 116 kann gewählt werden aus Au, Al oder Ag. Diese drei Metalle haben in dem Wellenlängenbereich von 560 nm bis 650 nm eine Reflektivität von mehr als 90%.
Die hauptsächliche Verbesserung durch die vorliegende Erfindung ergibt sich aus der Schaffung einer Zweischicht-Metallreflektorstruktur, um die reflektierende Metallschicht 116 an einer Reaktion mit der transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 zu hindern. Normalerweise werden die reflektierenden Metalle wie Au, Al oder Ag bei hohen Temperaturen mit den meisten der Halbleitermaterialien der III-V-Verbindungen reagieren. Je höher die Temperatur, um so ernsthafter ist die Reaktion. Wenn das reflektierende Metall 116 mit der hochleitenden transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 reagiert, wird sich die Reflektivität der Metallschicht 116 verschlechtern. Durch die Zwischenfügung einer inerten transparenten leitenden Schicht 114 wie etwa einer ITO-Schicht kann eine Zusammenwirkung zwischen dem reflektierenden Metall 116 und der transparenten ohmschen Kontaktschicht 110 vollständig vermieden werden. Die Reflektivität der hochreflektierenden Metallschicht 116 wird sich deshalb auch bei Hochtemperatur-Verfahrensschritten nicht verschlechtern.
Danach wird die epitaxiale AlGaInP-LED-Wafer 118 an ein weiteres thermisch und elektrisch leitendes Substrat 125 gebondet. Eine ganze Reihe von Halbleitern und Metallen wie etwa Si, SiC, AlN, Kupfer und Aluminium sind gute Kandidaten, um als leitendes Substrat 125 zu dienen. Speziell ist ein Siliziumwafer billiger und leichter zu läppen, polieren und dicen. Deshalb ist, wie in 6B gezeigte ein Siliziumsubstrat bevorzugt.
Nachdem das Siliziumsubstrat 120 mit leitenden Störstellen hoch dotiert wurde, werden beide Seiten des Siliziumsubstrats 120 mit einer Metallschicht zur Bildung ohmscher Kontakte 122 beschichtet. Dann wird einer der ohmschen Metallkontakte 122 mittels einer Metall-Bondierschicht 124 mit der AlGaInP-LED-Wafer 118 gebondet. Die Metall-Bondierschicht 124 wird gewählt aus Lot oder Metallen oder Metallsiliziden wie PbSn, AuGe, AuBe, AuSi, Sn. In und PdIn. Die Metall-Bondierschicht 124 muss genügend Haftvermögen und Stromleitfähigkeit aufweisen. Um eine Reaktion zwischen der Metall-Bondierschicht und der hochreflektierenden Metallschicht 116 zu vermeiden, kann als Option eine weitere Diffusionsbarriereschicht 119 auf der hochreflektierenden Metallschicht 116 abgelagert werden. Die Diffusionsbarriereschicht 119 kann eine leitende Oxidschicht wie ITO, CTO und ZnO oder eine hochschmelzende Metallschicht aus W, WN, Mo oder Silizid sein.
Im Falle der Weglassung der Diffusionsbarriereschicht 119 sollte die hochreflektierende Metallschicht 116 eine größere Dicke aufweisen als bei Vorhandensein einer Diffusionsbarriereschicht 119. Auch soll die auf dem ohmschen Kontaktmetall 122 in 6B gezeigte Metall-Bondierschicht 124 nur zur Illustration dienen und nicht etwa als Einschränkung verstanden werden. Beispielsweise kann eine Metall-Bondierschicht 124 vor Durchführung des Bondens auch entweder auf der Diffusionsbarriereschicht 119 oder auf der reflektierenden Metallschicht 116 aufgebracht werden. Schließlich kann zum Bonden des ohmschen Kontaktmetalls 122 des leitenden Substrats 120 an die reflektierende Metallschicht 116 das Bonden mittels des ohmschen Kontaktmetalls 122 selbst und ohne die Metallbondierschicht 124 geschehen, wenn das gewählte ohmsche Kontaktmetall 122 einen Schmelzpunkt von etwa 300 bis 600°C hat.
Nach dem Bonden wird das Absorptions-GaAs-Substrat 100 durch mechanisches Läppen, chemisches Ätzen oder reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wird ein n-dotierter ohmscher Kontakt 130 auf die Ätzstoppschicht 102 aufgebracht und geglüht, um eine AlGaInP-LED mit vertikaler Stromführung und guter Wärmeableitung fertig zu stellen. 6C zeigt die erhaltene LED im Querschnitt.
Die Lichtausbeute der AlGaInP-LED gemäß der vorliegenden Erfindung liegt über 30 lm/W in einem Wellenlängenbereich von 585 nm bis 630 nm. Die Helligkeit der LED erhöht sich auch linear mit dem Injektionsstrom, sogar oberhalb von 100 mA. Es zeigt sich, dass die Si-Wafer eine viel bessere Wärmeableitungsfähigkeit aufweist als ein GaAs-Substrat. Die Erfindung ist nicht nur anwendbar auf AlGaInP-LEDs, sondern auch auf andere LEDs wie etwa AlGaAs-LEDs, InGaAsP-LEDs, AlGaInN-LEDs und VCSEL-Geräte (Vertical cavity surface emitting laser; senkrecht zum p-n-Übergang emittierende Halbleiterlaser).
Als Ausführungsform zum Verständnis der Erfindung sei eine AlGaInN-LED genommen, deren Epischichtenstruktur in 7A gezeigt ist. Zuerst lässt man auf einem temporären Si-Substrat 200 eine Epischichtenstruktur 215 mit einer Pufferschicht 202 aufwachsen. Diese kann eine amorphe oder polykristalline AlN-Schicht sein, welche mittels eines Sputterverfahrens aufgetragen wird. Die AlGaInN-LED-Struktur 215 besteht aus einer n-dotierten GaN-Schicht 204, einem InGaN-Mehrquantentopf (multiple quantum well MQW) 206 und einer p-dotierten GaN-Schicht 208, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (Metal-organic vapour phase epitaxy MOVPE) aufgebracht werden. Eine transparente ohmsche Metallkontaktschicht (TCL – transparent contact layer) 210 wie etwa Ni/Au wird dann auf die p-dotierte GaN-Schicht 208 aufgebracht und zur Erzielung eines niedrigen ohmschen Kontaktwiderstands geglüht. Danach werden aufeinanderfolgend eine transparente leitende Schicht 212 und eine hochreflektierende Metallschicht 214 auf die TCL-Schicht 210 aufgebracht.
Nachfolgend wird die AlGaInN-LED-Epischichtenstruktur 215 auf dem temporären Si-Substrat 200 an ein in 7B gezeigtes weiteres Siliziumbasissubstrat 220 gebondet. Ähnlich wie in 6B gezeigt, hat das Siliziumbasissubstrat 220 auf beiden Seiten eine ohmsche Kontaktschicht 222. Vor dem Bonden wird bei Bedarf eine leitende Oxidschicht 226 oder eine hochschmelzende Metallschicht 226 auf der reflektierenden Metallschicht 214 aufgebracht um eine Reaktion zwischen der Metallbondierschicht 224 und der reflektierenden Metallschicht 214 zu vermeiden.
Nach dem Bonden wird das temporäre Si-Substrat 200 und die Pufferschicht 202 durch Läppen, Polieren, Ätzen oder eine Kombination dieser Techniken entfernt. Da die Härte und die chemischen Eigenschaften des Siliziums und des AlGaInN ziemlich verschieden sind, ist es ziemlich einfach, das Si-Substrat 200 und die Pufferschicht 202 zu entfernen und bei der n-dotierten GaN-Schicht 204 anzuhalten.
Schließlich wird ein n-dotierter ohmscher Kontakt 218 auf der n-dotierten GaN-Schicht 204 aufgebracht und geglüht, um eine AlGaInN-LED mit vertikaler Stromführung und guter Wärmeableitung zu erhalten. 8 zeigt das Ergebnis.
Die Erfindung kann auch auf VCSEL-Laser Anwendung finden. Beispielsweise kann ein 650 nm–670 nm AlGaInP-VCSEL-Laser mit einem GaAs-Substrat wegen Problemen des Ladungsträgerleckens und der Wärmeableitung gewöhnlich nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden. Auch ist die Qualität des verteilten Bragg-Reflektors DBR nicht vollkommen wegen der geringen Differenz des Refraktionsindex des AlGaAs/AlAs-DBR und der längeren Zeit für das Aufwachsen. Unter Anwendung des Metallreflektors gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem P-DBR kann die Anzahl der AlGaAs/AlAs-P-Paare verringert werden und die Aufwachszeit kann kürzer sein. Die gesamte VCSEL-Struktur kann an ein Silizium-Substrat hoher Wärmeleitfähigkeit gebondet werden, sodass die Betriebscharakteristiken bei hoher Temperatur verbessert werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:

1. Die Bereitstellung einer LED-Chip-Struktur mit senkrechter Stromrichtung, die nur einen Einzeldrahtanschluss erfordert und dadurch die Herstellungs- und Zusammenbaukosten reduziert;
2. Die Abmessungen des LED-Chips können erheblich verringert werden in Übereinstimmung mit dem Trend zur Miniaturisierung, insbesondere bei Anwendungen der Oberflächenmontagetechniken, und dadurch Materialeinsparungen erzielt werden;
3. Bei guter Wärmeableitung hat die LED eine höhere Zuverlässigkeit und kann mit wesentlich höheren Strömen betrieben werden;
4. Die Massenproduktion mit hoher Ausbeute und geringen Kosten ist leicht einzurichten;
5. Der Metallreflektor kann ohne Verschlechterung seiner Reflexionseigenschaften höheren Temperaturen standhalten, sodass in der Chipverarbeitung größere Flexibilität möglich wird.

Claims

LED, mit – einer lichtemittierenden Struktur aus einer n-dotierten Hüllschicht (104), einer aktiven Schicht (106) und einer p-dotierten Hüllschicht (108), welche auf einen Injektionsstrom Licht erzeugen; – einer auf der p-dotierten Hüllschicht (108) gebildeten p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) mit hoher Trägerkonzentration aus AlGaAs, GaAsP oder GaP; – einer gemusterten ohmschen Metall-Kontaktschicht (112), die auf einer p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) gebildet ist; – einer transparenten leitenden Oxidschicht (114), die auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) gebildet ist, um die gemusterte ohmsche Metall-Kontaktschicht (112) zu überdecken; – einer reflektierenden Metallschicht (116), die auf der transparenten leitenden Oxidschicht (114) gebildet ist, sodass die transparente leitende Oxidschicht (114) die reflektierende Metallschicht (116) an einer Reaktion mit der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) hindert; und – mit einem leitenden Basissubstrat (120), welches auf der reflektierenden Metallschicht (116) gebildet ist.
LED nach Anspruch 1, in der das leitende Basissubstrat (120) gewählt ist aus der Gruppe Kupfer, Aluminium, SiC, AlN und Silizium.
LED nach Anspruch 1, in der die transparente leitende Oxidschicht (114) gewählt ist aus der Gruppe In₂O₃, SnO₂, CdO, ZnO, ITO (Indiumzinnoxid), CTO (Kadmiumzinnoxid), CuAlO₂, CuGaO₂ und SrCu₂O₂.
LED nach Anspruch 1, bei der die reflektierende Metallschicht (116) gewählt ist aus der Gruppe Au, Al und Ag.
LED nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Metallbondierschicht (124) zwischen dem leitenden Basissubstrat (120) und der reflektierenden Metallschicht (116).
LED nach Anspruch 5, bei der die Metallbondierschicht (124) gewählt ist aus der Gruppe In, Au-Sn-Legierung, Au-Si-Legierung, Pb-Sn-Legierung und Au-Ge-Legierung, PdIn.
LED nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Diffusionsbarriereschicht (119) zwischen der reflektierenden Metallschicht (116) und der Metallbondierschicht (124).
LED nach Anspruch 7, bei der die Diffusionsbarriereschicht (119) gewählt ist aus der Gruppe leitende Oxidschicht, hitzebeständige Metallschicht und hitzebeständiges Metallsilizid.
Verfahren zur Herstellung einer LED, bestehend aus den folgenden Schritten: – Herstellung von epitaxial aufgewachsenen LED-Schichten mit einer Mehrzahl von III-V-Verbindungshalbleiterschichten (102, 104, 106), die auf einem temporären Substrat (100) aufgewachsen sind; – Bildung einer p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110) mit hoher Trägerkonzentration aus AlGaAs, GaAsP oder GaP auf den epitaxial aufgewachsenen LED-Schichten; – Bildung einer gemusterten Metall-Kontaktschicht (112) auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110); – Bildung einer die gemusterte Metall-Kontaktschicht (112) überdeckenden transparenten leitenden Oxidschicht (114) auf der p-dotierten ohmschen Kontaktschicht (110); – Bildung einer reflektierenden Metallschicht (116) auf der transparenten leitenden Oxidschicht (114); – Herstellung eines Basissubstrats (120) mit einer ersten ohmschen Metallkontaktschicht (122) auf einer Oberfläche und einem zweiten ohmschen Metallkontakt auf der anderen Oberfläche, wobei die erste ohmsche Metallkontaktschicht (122) als erste Elektrode dient; – Aufbringung einer Metallbondierschicht (124) auf der zweiten ohmschen Metallkontaktschicht oder der reflektierenden Metallschicht (116); – Verbindung der epitaxial aufgewachsenen LED-Schichten mit dem Basissubstrat (120) unter Benutzung der Metallbondierschicht (124); – Entfernung des temporären Substrats (100) und – Aufbringung einer ohmschen Metallkontaktschicht (130) auf einer exponierten Oberfläche der epitaxial aufgewachsenen Schichten als zweite Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach der Bildung der reflektierenden Metallschicht (116) und vor der Verbindung der LED-Epitaxialwafer mit dem Basissubstrat (120) auch noch eine Diffusionsbarriereschicht (119) gebildet wird, zur Verhinderung einer Reaktion zwischen der Metallbondierschicht (124) und der reflektierenden Metallschicht (116).
Verfahren nach Anspruch 9, bei der das leitende Basissubstrat (120) eine wärmeleitende und die elektrisch leitende Schicht aus der Gruppe Kupfer, Aluminium, SiC, AlN und Silizium ist.