DE10308646B4

DE10308646B4 - Halbleitersubstrat für optoelektronische Bauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10308646B4
Application number: DE10308646A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Härle
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: DE10308646A1; US20090068776A1; US8658446B2

Abstract

Halbleitersubstrat (1), wobei in dem Halbleitersubstrat (1) eine reflektierende schichtartige Zone (3) ausgebildet ist, die in das Halbleitersubstrat (1) eingebrachtes und dort schichtartig verteiltes Fremdmaterial enthält, wobei das Fremdmaterial ein Metall ist und das Metall in das Halbleitersubstrat (1) implantiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat für optoelektronische Bauelemente und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Bei einigen strahlungsemittierenden optischen Bauelementen, insbesondere bei hocheffizienten LEDs, besteht das Problem, daß das in den strahlungsemittierenden Strukturen erzeugte Licht in alle Raumrichtungen und damit auch in die Richtung des Substrats abgestrahlt wird, weshalb bei der Verwendung von absorbierenden Substraten ein Großteil des Lichts verloren geht. Dieses Problem kann durch die Verwendung von transparenten Substraten umgangen werden. Die Nachteile einiger transparenter Substrate bestehen aber darin, daß sie nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und/oder ein epitaktisches Abscheiden der strahlungsemittierenden Strukturen wegen einer fehlenden Gitteranpassung nicht möglich ist. Das Problem der fehlenden Gitteranpassung zur Abscheidung von epitaktischen Schichten tritt auch auf, wenn absorbierende Halbleitersubstrate durch das Aufbringen von dünnen Schichten, zum Beispiel von Metallschichten, an ihrer Oberseite verspiegelt werden, um das Eindringen der emittierten Strahlung in das Substrat zu verhindern.
Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Problems ist aus der US 5,376,580 A bekannt. Bei dem hierin beschriebenen Verfahren wird eine strahlungsemittierende LED-Struktur zunächst auf einem gitterangepaßten Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen, nachfolgend von dem absorbierenden Substrat getrennt und mittels Waferbonden mit einem gut elektrisch leitfähigen und für die betreffende Strahlung optisch transparenten Substrat verbunden. Bei diesem bekannten Verfahren wird aber die epitaktisch aufgewachsene LED-Struktur, deren elektrischen und optischen Eigenschaften bekanntlich in erheblichem Maße von der Kristallqualität der Epitaxieschichten abhängen, beim Abtrennen des absorbierenden Substrats zusätzlichen mechanischen (zum Beispiel Schleifen, Polieren etc.) und/oder chemischen Verfahrensschritten (zum Beispiel Ätzen) ausgesetzt, die zu deren Schädigung führen können.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optisch transparenten Substrats, auf das ein Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsen werden kann, und bei dem mechanische und/oder chemische Beanspruchungen der epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterstruktur weitestgehend vermieden werden, wird in der DE 100 08 583 A1 angegeben. In dem hierin beschriebenen Verfahren wird zunächst eine Substratschicht auf einem gitterangepaßten Substrat aufgewachsen. Die Substratschicht wird auf der vom gitterangepaßten Substrat abgewandten Seite mit dem transparenten Substrat mittels Waferbonden verbunden. Nachfolgend wird das gitterangepaßte Substrat von der Verbindung aus Substratschicht und transparenten Substrat entfernt und auf die freigelegte Seite der Substratschicht die strahlungsemittierende Halbleiterstruktur epitaktisch aufgewachsen.
Die bekannten Verfahren, bei denen das jeweils ursprüngliche Substrat abgelöst wird, erfordern jedoch einen vergleichsweise hohen technischen Aufwand. Außerdem sind transparente Substrate teilweise wesentlich teurer als absorbierende Halbleitersubstrate, so daß der Einsatz absorbierender Substrate oftmals wirtschaftlich vorteilhaft sein kann ist. Weiter Verfahren sind aus den Druckschriften US 62 55 681 B1 , DE 100 00 088 A1 und DE 44 40 072 C1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Halbleitersubstrat, insbesondere für optoelektronische Bauelemente anzugeben, das auftreffende Strahlung reflektiert und somit die Absorption eindringender Strahlung verhindert. Außerdem soll ein Verfahren zu dessen Herstellung, vorzugsweise auf der Basis eines kostengünstigen absorbierenden Substrats, angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleitersubstrat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Anspruch 6 gibt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats an. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß enthält das Halbleitersubstrat eine reflektierende schichtartige Zone, die in das Halbleitersubstrat eingebrachtes Fremdmaterial enthält. Die reflektierednde schichtartige Zone ist durch Implantation des Fremdmaterials in ein Halbleitersubstrat hergestellt.
Um eine hohe Reflektivität zu gewährleisten, wird als Fremdmaterial ein Metall, insbesondere Aluminium oder Silber, verwendet.
Bei dem Halbleitersubstrat kann es sich um ein beliebiges für die Herstellung von Halbleiterchips geeignetes Substrat handeln, das insbesondere Silizium, Siliziumcarbid oder ein III-V-Halbleitermaterial enthalten kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zone im Inneren des Substrats wird das Fremdmaterial in das Substrat implantiert, wobei das Fremdmaterial ein Metall ist. Vorzugsweise wird anschließend das Substrats zur zumindest teilweisen Kristallisation, oder sogar zur Ausbildung einer monokristallinen Schicht des Fremdmaterials, bei einer Temperatur T₂ getempert.
Die zur zumindest teilweisen Kristallisation des Fremdmaterials erforderliche Temperatur T₂ ist materialabhängig und beträgt beispielsweise für Aluminium von 200°C bis 1000°C, bevorzugt etwa 350°C.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt die Herstellung einer Siliziumcarbid enthaltenden schichtartigen Zone. Dazu wird Kohlenstoff in das Siliziumsubstrat implantiert. Das Substrat wird anschließend zur Erzeugung einer Siliziumcarbid enthaltenden schichtartigen Zone getempert bei einer Temperatur T₁ von 500°C bis 2000°C, bevorzugt bei etwa 1000°C. Das Tempern erfolgt vorzugsweise unter Si-Partialdruck.
Anschließend wird das zur Ausbildung der reflektierenden schichtartigen Zone dienende Fremdmaterial in einen Bereich des Halbleitersubstrats implantiert, der unterhalb der Siliziumcarbid enthaltenden schichtartigen Zone liegt. Daraufhin erfolgt ein weiterer Temperschritt zur zumindest teilweisen Kristallisation des Fremdmaterials.
Bevorzugt erfolgt nach der Implantation des Fremdmaterials ein Ablösen oder Abtragen einer oberhalb der Siliziumcarbid enthaltenden schichtartigen Zone verbleibenden Siliziumschicht. Die Siliziumschicht kann beispielsweise naßchemisch abgeätzt werden, wobei die Siliziumschicht bevorzugt vor dem Ätzen mit hochenergetischen Ionen beschossen wird, um sie amorph zu machen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den 1 und 2 näher erläutert.
1a bis c zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand von 3 Schritten sowie in 1c ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats.
2a bis e zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand von 5 Schritten sowie in 2e ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats.
1a zeigt ein Halbleitersubstrat 1, bei dem es sich beispielsweise um Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC) oder einen III-V-Halbleiter, z. B. GaAs, handeln kann. In das Halbleitersubstrat 1 wird eine Fremdmaterial enthaltende schichtartige Zone 2 implantiert. Bei dem Fremdmaterial handelt es sich um ein Metall, bevorzugt um Aluminium oder Silber.
Durch einen in 1b schematisch dargestellten Temperschritt läßt sich die Fremdmaterial enthaltende, polykristalline schichtartigen Zone 2 zumindest in eine zumindest teilweise kristalline, oder sogar monokristalline, schichtartige Zone 3 umwandeln. Oberhalb der Fremdmaterial enthaltenden Schicht 3 verbleibt eine dünne Schicht 4 aus dem Grundmaterial des Halbleitersubstrats 1.
Wie in 1c schematisch dargestellt ist, wird beispielsweise auf das so modifizierte Halbleitersubstrat 1 eine strahlungsemittierende Schichtenfolge 5 aufgebracht, zum Beispiel durch epitaktisches Aufwachsen. Beispielsweise kann die strahlungsemittierende Schichtenfolge 5 Nitridverbindungshalbleiter enthalten. Unter einem Nitridverbindungshalbleiter wird hierbei eine Nitridverbindung von Elementen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe verstanden, insbesondere GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN oder InN.
Die von der Schichtenfolge 5 in Richtung des Halbleitersubstrats 1 emittierte Strahlung wird an der Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zone 3 reflektiert. Die oberhalb der Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zone 3 verbleibende Schicht 4 aus dem Ausgangsmaterial des Halbleitersubstrats 1 sollte daher so dünn sein, daß die Absorption der von der strahlungsemittierenden Schicht 5 ausgesandten Strahlung vernachlässigbar klein ist.
2a zeigt ein Halbleitersubstrat 1 in Form eines Siliziumsubstrats. In das Siliziumsubstrat wird Kohlenstoff, beispielsweise mittels einer thermisch zerlegbaren Verbindung wie CO oder CO₂ _, implantiert.
Durch einen in 2b schematisch dargestellten Temperschritt wird eine kristalline SiC-Schicht erzeugt. Dieser Temperschritt wird bei einer Temperatur T₁ von 500°C bis 2000°C, bevorzugt bei etwa 1000°C durchgeführt.
Im folgenden, in 2c schematisch dargestellten Verfahrensschritt, wird ein Fremdmaterial, bei dem es sich um ein Metall, besonders bevorzugt um Aluminium oder Silber handelt, in einen unterhalb der SiC-enthaltenden schichtartigen Zone 8 liegenden Bereich des Halbleitersubstrats 1 im implantiert.
Die so entstandene polykristalline Schicht des Fremdmaterials 2 wird durch einen in 2d schematisch dargestellten Temperschritt bei einer Temperatur T₂, wobei T₂ < T₁ ist, in eine zumindest teilweise kristalline, oder sogar monokristalline, schichtartige Zone 3 umgewandelt. Zwischen den das SiC enthaltenden und der das Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zonen 3 und 8 kann eine dünne, bis etwa 50 nm dicke Siliziumschicht 10 verbleiben.
Die oberhalb der SiC enthaltenden schichtartigen Zone 8 verbleibende Siliziumschicht 9 wird vorzugsweise in einem folgenden Prozeßschritt entfernt. Das Entfernen der Siliziumschicht 9 kann zum Beispiel durch naßchemisches Ätzen erfolgen, wobei die Siliziumschicht 9 bevorzugt durch den Beschuß mit hochenergetischen Ionen vorher amorph gemacht wird. Ebenfalls geeignet ist ein sogenannter „smart-cut"-Prozess, bei dem durch Wasserstoff-Implantation und ein anschließendes Tempern Mikrorisse erzeugt werden, entlang denen sich die Siliziumschicht 9 ablösen läßt.
Auf das so modifizierte Halbleitersubstrat 1 kann, wie beispielhaft in 2e dargestellt, eine strahlungsemittierende Schichtenfolge 5 aufgebracht werden, beispielsweise durch epitaktisches Abscheiden. Die von der strahlungsemittierenden Schichtenfolge 5 ausgesandte Strahlung 6 kann die teilkristalline SiC enthaltende schichtartige Zone 8 und eine oberhalb der das Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zone 3 befindliche Siliziumschicht 10 durchdringen und wird daraufhin an der das Fremdmaterial enthaltenden schichtartigen Zone 3 reflektiert. Die Absorptionsverluste der in Richtung des Halbleitersubstrats 1 emittierten Strahlung 6 werden dadurch gegenüber einem herkömmlichen absorbierenden Halbleitersubstrat erheblich reduziert.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat 1 auch als Träger für eine ursprünglich auf einem anderen Substrat hergestellte LED dienen. Beispielsweise kann eine auf einem Saphirsubstrat hergestellte LED durch eine transparente, vorteilhafterweise leitfähigen Verbindung, auf ein erfindungsgemäßes Halbleitersubstrat 1 aufgebracht werden. Danach wird das Saphirsubstrat, beispielsweise durch einen Laser-Ablöseprozess, zerstörungsfrei abgetrennt. Dieses ist aus wirtschaftlicher Hinsicht vorteilhaft, weil das teure Saphirsubstrat wiederverwendet werden kann.

Claims

Halbleitersubstrat (1), wobei in dem Halbleitersubstrat (1) eine reflektierende schichtartige Zone (3) ausgebildet ist, die in das Halbleitersubstrat (1) eingebrachtes und dort schichtartig verteiltes Fremdmaterial enthält, wobei das Fremdmaterial ein Metall ist und das Metall in das Halbleitersubstrat (1) implantiert ist.
Halbleitersubstrat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium oder Silber ist.
Halbleitersubstrat (1) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) Silizium, Siliziumcarbid, Germanium oder ein III-V-Halbleitermaterial enthält.
Halbleitersubstrat (1) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersubstrat (1) eine Strahlung emittierende oder Strahlung detektierende Halbleiterschichtfolge (5) angeordnet ist.
Halbleitersubstrat (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtfolge (5) Nitridverbindungshalbleiter enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats (1) mit einer reflektierenden schichtartigen Zone (3), die Fremdmaterial enthält, das in das Halbleitersubstrat (1) eingebracht ist, wobei das Fremdmaterial ein Metall ist und in das Substrat (1) implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zur zumindest teilweisen Kristallisation des Metalles getempert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist und das Tempern bei einer Temperatur von 200°C bis 1000°C, bevorzugt bei etwa 350°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Grundmaterial des Substrats Silizium ist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Implantation von Kohlenstoff in das Siliziumsubstrat (1), b) Tempern des Substrats zur Erzeugung einer Siliziumcarbid enthaltenden Schicht (8), c) Implantation des zur Bildung der reflexionserhöhenden Schicht (3) dienenden Metalls, und d) Tempern des Substrats (1) zur zumindest teilweisen Kristallisation des Metalls.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern des Substrats (1) zur Erzeugung der Siliziumcarbid enthaltenden Schicht (8) bei einer Temperatur von 500°C bis 2000°C, bevorzugt bei etwa 1000°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Implantation des Metalls eine oberhalb der Siliziumcarbid enthaltenden Schicht (8) verbleibende Siliziumschicht (9) abgelöst oder abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht (9) mit hochenergetischen Ionen beschossen wird und anschließend durch naßchemisches Ätzen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumcarbid enthaltende Schicht (8) als Epitaxieoberfläche ausgebildet ist und nachfolgend eine Halbleiterschichtfolge (5) auf die Epitaxieoberfläche abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtfolge (5) eine strahlungsemittierende Halbleiterschichtfolge ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtfolge (5) Nitridverbindungshalbleiter enthält.