DE10307280B4 - Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit einer Halbleiterschichtenfolge (14), in der eine Photonen emittierende, aktive Zone (17) ausgebildet ist, mit den Verfahrensschritten:
– Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge (14) mit der Photonen emittierenden, aktiven Zone (17) auf einem Aufwachssubstrat;
– Aufbringen einer Isolationsschicht (24) auf die Halbleiterschichtenfolge (14) und Herstellen von einer oder mehrerer Durchkontaktierungen (28) in der Isolationsschicht;
– Aufbringen einer Reflexionskontaktschicht (40) auf der Isolationsschicht (24);
– Aufbringen einer Diffusionssperrschicht (42) auf die Reflexionskontaktschicht (40);
– Aufbringen einer Lotkontaktschicht (44) auf die Diffusionssperrschicht (42); und
– Reinigen von auf der Halbleiterschichtenfolge (14) aufgebrachten Schichten (40, 42, 44) mit einer zweiten Ätzlösung;
dadurch gekennzeichnet, daß
– die Reflexionskontaktschicht (40) vor dem Aufbringen der Diffusionssperrschicht (42) zur Erzeugung eines ohmschen Kontakts getempert wird und
– die Oberfläche der Reflexionskontaktschicht (40) nach dem Tempern mit einer ersten Ätzlösung gereinigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit einer Dünnfilmschicht, in der eine Photonen emittierende, aktive Zone ausgebildet ist.
  • Bei dem Verfahren wird insbesondere eine Schichtenfolge mit einer Photonen emittierenden, aktiven Zone auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, eine Isolationsschicht auf die Schichtenfolge aufgebracht und in dieser eine oder mehrere Durchkontaktierungen hergestellt. Auf die Isolationsschicht wird eine Reflexionskontaktschicht aufgebracht, auf der eine Diffusionssperrschicht aufgebracht wird. Auf diese wiederum wird eine Lotkontaktschicht aufgebracht und strukturiert. Die gesamte Schichtenfolge wird dann mit einem ätzenden Reinigungsmittel gereinigt und der Scheibenverbund aus Aufwachssubstrat und aufgebrachter Schichtenfolge wird derart auf ein Trägersubstrat aufgebracht, daß die Schichtenfolge dem Trägersubstrat zugewandt ist. Nachfolgend wird das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt, um ein Dünnfilmschicht-Halbleiterbauelement zu bilden.
  • Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der WO 02/13281 A1 bekannt. Bei dem dort vorgeschlagenen Verfahren werden auf die Dünnfilmschicht eine Si3N4-Isolierschicht und eine metallische Reflektorschicht aus Au:Zn/TiW:N/Au aufgebracht.
  • Die Au:Zn-Reflexionskontaktschicht wird typischerweise nach dem Aufbringen getempert, um einen ohmschen Kontakt zu bilden. Erst danach wird die TiW:N-Schicht als Diffusionssperrschicht aufgesputtert.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren besteht die Gefahr einer Runzelbildung in der Tiw:N Schicht nach der Strukturierung und Reinigung, bzw. nach dem Auflöten des Scheibenverbunds auf das Trägersubstrat aufgrund einer Delamination an der TiW:N-Au:Zn Grenzfläche.
  • In der DE 4401858 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines ohmschen Kontaktes auf einer p-leitenden Halbleiterschicht offenbart, bei dem AuZn als elektrisches Kontaktmaterial verwendet wird. Das AuZn wird mit einer als Bondpad fungierenden Aluminiumverstärkung versehen und es wird nach dem Aufbringen des Aluminiums ein Temperschritt durchgeführt. Zwischen dem AuZn und dem Aluminium ist eine TiWN-Diffusionsbarriere vorgesehen, um das Legieren des AuZn mit der Aluminiumverstärkung während des Temperns zu verhindern.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die Runzelbildung in der Diffusionssperrschicht weitestgehend vermeidet und die Zuverlässigkeit der so hergestellten Dünnschicht-Lumineszenzdioden erhöht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Reflexionskontaktschicht vor dem Aufbringen der Diffusionssperrschicht zur Erzeugung eines ohmschen Kontakts getempert wird und die Oberfläche der Reflexionskontaktschicht nach dem Tempern mit einer Ätzlösung gereinigt wird.
  • Ohne an eine bestimmte Erklärung gebunden zu sein, wird gegenwärtig angenommen, daß beim Tempern eines Au:Zn-Spiegelkontakts durch Segregation von Zn an die Oberfläche eine verhältnismäßig dicke ZnO-Schicht auf der Oberfläche des Au:Zn-Kontakts entsteht. Auger-Elektronenspektra legen dabei eine praktisch stöchiometrische ZnO-Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 10 nm nahe.
  • Weiter wird angenommen, daß die aufgebrachte Diffusionssperrschicht für ein saures Reinigungsmittel zumindest zum Teil durchlässig ist, woraus sich die Gefahr ergibt, dass beim Reinigungsschritt vor dem Auflöten auf das Trägersubstrat nach dem herkömmlichen Prozess sich die ZnO-Schicht in dem sauren Medium löst und zumindest lokal die Haftung der TiW:N Diffusionssperre vermindert wird.
  • Der erfindungsgemäße Reinigungsschritt nach dem Tempern der Reflexionskontaktschicht wirkt nun der Ursache des angesprochenen Problems entgegen. Die zur Reinigung verwendete Ätzlösung ätzt die ZnO-Schicht auf der Reflexionskontaktschicht bereits vor dem Aufbringen der Diffusionssperrschicht zumindest weitgehend ab. Das Risiko einer Runzelbildung und einer eventuellen Delamination wird dadurch. wirkungsvoll vermindert.
  • Die Reflexionskontaktschicht wird bevorzugt mit einer sauren oder basischen Lösung, besonders bevorzugt mit wässriger HCl- , H2SO4- oder NH3-Lösung gereinigt.
  • Zweckmäßig wird die Reflexionskontaktschicht für 10 s bis 10 min, bevorzugt für 3 bis 8 min, besonders bevorzugt für etwa 5 min mit der Ätzlösung gereinigt.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Reflexionskontaktschicht bei 400°C bis 600°C, bevorzugt bei etwa 450°C getempert. Dabei kann die Reflexionskontaktschicht für etwa 1 bis 20 min, bevorzugt für etwa 13 min getempert werden.
  • Alternativ kann bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen sein, daß die Reflexionskontaktschicht nach dem Aufbringen und Strukturieren der Lotkontaktschicht auf die Diffusionssperrschicht zur Erzeugung eines ohmschen Kontakts getempert wird, wobei ein derartiges Verfahren nicht zur Erfindung gehört.
  • Wird nach dem Abscheiden der Reflexionskontaktschicht zunächst die Diffusionssperrschicht aufgebracht, dann die Lotkontaktschicht aufgebracht und wird erst danach der ohmsche Kontakt durch Tempern gebildet, kommt es wegen des fehlenden Sauerstoffs an der Grenzfläche nicht zu einer Segregation von Zn an die Au:Zn/Diffiusionssperrschicht-Grenzfläche und zur Bildung von ZnO. Damit kann die Runzelbildung in der Diffusionssperrschicht ebenfalls weitestgehend vermieden werden.
  • In beiden der oben beschriebenen Verfahren ist beinhaltet, daß vor dem Aufbringen der Reflexionskontaktschicht eine Isolationsschicht auf die Dünnfilmschicht aufgebracht wird und eine oder mehrere Durchkontaktierungen in der Isolationsschicht hergestellt wird bzw, werden. Die Isolationsschicht weist bevorzugt mindestens einen der Stoffe SiNx, SiOx, SiOxNy und Al2O3 auf. Zweckmäßigerweise ist hierbei beispielsweise auch vorgesehen, dass die Isolationsschicht im Wesentlichen aus einem dieser Stoffe besteht.
  • Als Reflexionskontaktschicht wird mit Vorteil eine Au:Zn-Schicht aufgebracht.
  • Die Diffusionssperrschicht ist bevorzugt durch eine TiW:N-Schicht gebildet.
  • Als Lotkontaktschicht wird zweckmäßig eine TiPtAu-Schicht aufgebracht.
  • Die aufgebrachte Schichtenfolge wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Auf bringen auf das Trägersubstrat mit einer wäßrigen HCl-Lösung gereinigt.
  • Das Aufbringen des Scheibenverbunds auf das Trägersubstrat geschieht bevorzugt durch Löten oder Kleben.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird in der Dünnfilmschicht vom Trägersubstrat her mindestens eine Kavität ausgebildet, durch die an der Grenze zwischen Trägersubstrat und Dünnfilmschicht eine Mehrzahl von Mesen ausgebildet wird.
  • Dabei wird die zumindest eine Kavität mit Vorteil so tief ausgebildet, daß sie die aktive Zone der Dünnfilmschicht durchtrennt.
  • Die Dünnfilmschicht wird bevorzugt als eine Schichtenfolge auf der Basis von In1-x-yAlxGayP, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 ausgebildet.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
  • 1 einen Querschnitt durch eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Dünnfilm-Lumineszenzdiode in schematischer Darstellung;
  • 2 eine Detailansicht der Lumineszenzdiode von 1 im Bereich der Grenze zwischen Trägersubstrat und Dünnfilmschicht; und
  • 3 ein Flußdiagramm zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Lumineszenzdiode 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 weist ein Trägersubstrat 12 auf, auf dem eine Dünnfilmschicht 14 angebracht ist. Die Dünnfilmschicht 14 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer mit Te auf eine Konzentration von 5 × 1018 cm–3 hochdotierten n-InGaAlP-Schicht 18 einer Schichtdicke von etwa 4 μm und einer Mg-dotierten p-GaP- Schicht 16 mit einer Dicke von etwa 3,5 μm. Der pn-Übergang bildet eine aktive, Photonen emittierende Zone 17 in der Dünnfilmschicht 14.
  • Zur Steigerung der Lichtauskopplung ist in die Dünnfilmschicht 14 vom Trägersubstrat 12 her eine Mehrzahl von Kavitäten 20 eingebracht, durch die an der Grenze zwischen Trägersubstrat 12 und Dünnfilmschicht 14 eine Mehrzahl von Mesen 22 ausgebildet wird. Die Kavitäten 20 sind dabei so tief ausgebildet, daß sie die aktive Zone 17 der Dünnfilmschicht 14 durchtrennen.
  • Auf die p-GaP-Schicht 16 ist sowohl im Bereich der Kavitäten 20 als auch der Mesen 22 eine SiNx-Isolationsschicht 24 aufgebracht, die im Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 200 nm aufweist. Zur p-seitigen Stromzuführung zur aktiven Zone 17 ist die Isolationsschicht 24 entlang der rückseitigen y Befestigungsfläche mit dem Trägersubstrat 12 durch eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen 28 durchbrochen.
  • Auf die Isolationsschicht 24 ist eine Schichtenfolge 26 aufgebracht, deren genaue Zusammensetzung am besten in der Detailansicht der 2 zu erkennen ist. Die Schichtenfolge 26 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer etwa 600 nm dicken Au:Zn-Schicht als Reflexionskontaktschicht 40, einer etwa 200 nm dicken TiW:N-Schicht als Diffusionssperrschicht 42, sowie einer Lotkontaktschicht 44, die aus einer etwa 100 nm dicken Ti-Schicht 50, einer etwa 100 nm dicken Pt-Schicht 52 und einer etwa 1000 nm dicken Au-Schicht 54 zusammengesetzt ist.
  • Zur Erzielung einer ausreichenden mechanischen Stabilität ist die Dünnfilmschicht 14 auf das leitfähige Trägersubstrat 12 gelötet, das im Ausführungsbeispiel durch ein n-GaAs-Substrat gebildet ist. Oberseite und Unterseite des Trägersubstrats 12 sind mit AuGe-Kontaktschichten 34 bzw. 36 versehen. Auf der der Dünnfilmschicht 14 zugewandten Seite des Trägersubstrats 12 ist auf der AuGe-Kontaktschicht 36 eine TiPtAu/AuSn-Schicht 38 angebracht.
  • Die Vorder- oder Auskoppelseite der Lumineszenzdiode 10 ist mit einem Mittenkontakt 30 und einem Metallrahmen 32 versehen, der über zwei nicht dargestellte leitende Stege mit dem Mittenkontakt 30 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel sind der Mittenkontakt 30 und der Metallrahmen 32 aus einer Ti/Pt/Au-Schicht und einer zwischen dieser und der Dünnfilmschicht 14 angeordneten TiAuGe-Schicht gebildet.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der Lumineszenzdiode 10 von 1 und 2 wird nun in Zusammenhang mit dem Flußdiagramm der 3 beschrieben.
  • Dabei wird in einem Schritt 60 die InAlGaP-Schichtenfolge, im Ausführungsbeispiel der 1 eine Schichtenfolge aus Tedotiertem n-InGaAlP 18 und Mg-dotiertem p-GaP 16 auf das Aufwachssubstrat aufgewachsen. Dann wird in Schritt 62 die SiNx-Isolationsschicht 24 auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht.
  • In Schritt 64 wird die Au:Zn-Reflexionskontaktschicht 40 abgeschieden. Die Au:Zn-Schicht wird dann im Schritt 66 bei 450 °C für etwa 13 min getempert, um einem ohmschen p-Kontakt zu formen. Dabei bildet sich, wie weiter oben erläutert, durch Segregation von Zn an die Oberfläche der Au:Zn-Schicht eine etwa 10 nm dicke, fast stöchiometrische ZnO-Schicht an der Oberfläche der Reflexionskontaktschicht 40.
  • Im Reinigungsschritt 68 wird diese ZnO-Schicht in wässriger HCl-Lösung (Verhältnis HCl : H2O = 1 : 10) bei 5 minütiger Einwirkzeit abgeätzt. Danach wird in Schritt 70 die TiW:N-Diffusionssperre 42 mit Rücksputtern auf die gereinigte Au:Zn-Schicht aufgesputtert.
  • Nachfolgend wird in Schritt 72 der Ti/Pt/Au Schichtstapel 44 aufgebracht und strukturiert. In Schritt 74 werden die aufgebrachten Schichten mit HCl gereinigt, bevor der Scheibenverbund aus Aufwachssubstrat und aufgebrachten Schichten in Schritt 76 auf das Trägersubstrat 12 aufgelötet wird.
  • Danach schreitet das Herstellungsverfahren in dem Fachmann bekannter Weise fort. Beispielsweise wird nach dem Entfernen des Aufwachssubstrates eine elektrische Kontaktierung 30, 32 auf die Vorderseite der Dünnfilmschicht 14 aufgebracht. Werden wie üblich eine Mehrzahl von Lumineszenzdiode 10 gleichzeitig hergestellt, so werden die einzelnen Diodenchips des Waferverbunds in bekannter Weise vereinzelt.
  • Während die Erfindung mit Bezug auf die Herstellung von Dünnfilm-Lumineszenzdioden geschildert und erläutert wurde, versteht es sich, daß die genannte Vorgehensweise auch in anderem Zusammenhang eingesetzt werden kann, beispielsweise bei der Herstellung von herkömmlichen Leuchtdiodenchips.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit einer Halbleiterschichtenfolge (14), in der eine Photonen emittierende, aktive Zone (17) ausgebildet ist, mit den Verfahrensschritten: – Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge (14) mit der Photonen emittierenden, aktiven Zone (17) auf einem Aufwachssubstrat; – Aufbringen einer Isolationsschicht (24) auf die Halbleiterschichtenfolge (14) und Herstellen von einer oder mehrerer Durchkontaktierungen (28) in der Isolationsschicht; – Aufbringen einer Reflexionskontaktschicht (40) auf der Isolationsschicht (24); – Aufbringen einer Diffusionssperrschicht (42) auf die Reflexionskontaktschicht (40); – Aufbringen einer Lotkontaktschicht (44) auf die Diffusionssperrschicht (42); und – Reinigen von auf der Halbleiterschichtenfolge (14) aufgebrachten Schichten (40, 42, 44) mit einer zweiten Ätzlösung; dadurch gekennzeichnet, daß – die Reflexionskontaktschicht (40) vor dem Aufbringen der Diffusionssperrschicht (42) zur Erzeugung eines ohmschen Kontakts getempert wird und – die Oberfläche der Reflexionskontaktschicht (40) nach dem Tempern mit einer ersten Ätzlösung gereinigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ätzlösung eine wässrige HCl-, H2SO4- oder NH3-Lösung ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionskontaktschicht (40) für 10 s bis 10 min, bevorzugt für 3 bis 8 min, besonders bevorzugt für etwa 5 min mit der ersten Ätzlösung gereinigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionskontaktschicht (40) bei 400 °C bis 600 °C, bevorzugt bei etwa 450 °C getempert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionskontaktschicht (40) für etwa 1 bis 20 min, bevorzugt für etwa 13 min getempert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolationsschicht (24) eine Schicht aufgebracht wird, die mindestens einen der Stoffe SiNx, SiOx, SiOxNy und Al2O3 aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflexionskontaktschicht (40) eine Au:Zn-Schicht aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Diffusionssperrschicht (42) eine TiW:N-Schicht aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lotkontaktschicht (44) ein TiPtAu-Schichtenstapel (50, 52, 54) aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenverbund aus Aufwachssubstrat, Halbleiterschichtenfolge und auf der Halbleiterschichtenfolge aufgebrachten Schichten auf einem Trägersubstrat (12) derart aufgebracht wird, daß die Halbleiterschichtenfolge mit den auf ihr aufgebrachten Schichten dem Trägersubstrat (12) zugewandt ist und das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt wird, um ein Dünnfilmschicht-Halbleiterbauelement zu bilden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Halbleiterschichtenfolge aufgebrachten Schichten vor dem Aufbringen auf das Trägersubstrat (12) mit der zweiten Ätzlösung, bevorzugt mit einer wäßrigen HCl-Lösung gereinigt werden.
  12. Verfahren nach 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenverbund auf das Trägersubstrat (12) gelötet oder geklebt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterschichtenfolge (14) vom Trägersubstrat (12) her mindestens eine Kavität (20) ausgebildet wird, durch die an der Grenze zwischen Trägersubstrat (12) und Halbleiterschichtenfolge (14) eine Mehrzahl von Mesen (22) ausgebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Kavität (20) so tief ausgebildet wird, daß sie die aktive Zone (17) der Halbleiterschichtenfolge (14) durchtrennt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtenfolge (14) auf der Basis von In1-x- yAlxGaYP oder auf der Basis von In1-x-yAlxGayP und AlaGabAs, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1 und x + y ≤ 1, a + b ≤ 1 ausgebildet wird.
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