DE112012006689B4

DE112012006689B4 - Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements und Leuchtdioden-Chip

Info

Publication number: DE112012006689B4
Application number: DE112012006689.8T
Authority: DE
Inventors: Sebastian Taeger; Michael Huber; Martin Welzel; Karl Engl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: DE112012006689T5; CN104488095B; US20160027972A1; CN104488095A; US9570662B2; WO2014008927A1

Abstract

Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements mit den folgenden Schritten:- Bereitstellen einer Oberfläche (6), die verkapselt werden soll und Platin enthält,- Erzeugen von reaktiven Sauerstoffgruppen (8) und/oder reaktiven Hydroxygruppen auf dieser Oberfläche (6), wobei die reaktiven Sauerstoffgruppen (8) und/oder die reaktiven Hydroxygruppen auf der Oberfläche (6) durch eines der folgenden Verfahren erzeugt werden: Behandlung mit sauerstoffhaltigem Plasma, Behandlung mit Ozon, und- Aufbringen einer Passivierungsschicht (9) auf diese Oberfläche (6) mittels Atomlagenabscheidung.

Description

Ein Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements und ein Leuchtdioden-Chip werden bereitgestellt.
Die folgenden Druckschriften beschreiben Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements:

US 2006 / 0 246 811 A1 und US 2008 / 0 241 421 A1 .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur verbesserten Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen. Ferner soll ein Leuchtdioden-Chip mit einer verbesserten Verkapselung bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Schritten nach Anspruch 1 und einem Leuchtdioden-Chip mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Varianten des Verfahrens und des Leuchtdioden-Chips werden in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen einer Oberfläche, die verkapselt werden soll,
- Erzeugen von reaktiven Sauerstoffgruppen und/oder reaktiven Hydroxygruppen auf dieser Oberfläche, und
- Aufbringen einer Passivierungsschicht auf diese Oberfläche mittels Atomlagenabscheidung.

Die reaktiven Sauerstoffgruppen und/oder reaktiven Hydroxygruppen auf der Oberfläche, die verkapselt werden soll, führen vorteilhafterweise zu einer besseren Haftung der Passivierungsschicht, die anschließend durch Atomlagenabscheidung aufgebracht wird. Um gute Verkapselungseigenschaften bereitzustellen, ist die Passivierungsschicht vorzugsweise hermetisch dicht für Flüssigkeiten, Feuchtigkeit und Gase wie Wasser oder Luft.
Mit dem Begriff „Atomlagenabscheidung“ (ALD-Verfahren) wird ein spezielles Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) bezeichnet. Im Allgemeinen wird bei einem CVD-Verfahren die Oberfläche, die beschichtet werden soll, in einem Volumen bereitgestellt. Ferner wird mindestens ein Ausgangsmaterial in diesem Volumen bereitgestellt, wobei dieses Ausgangsmaterial durch eine chemische Reaktion eine feste Schicht auf der Oberfläche bildet. Zumeist wird mindestens ein weiteres Ausgangsmaterial in dem Volumen bereitgestellt. Das weitere Ausgangsmaterial reagiert chemisch mit dem anderen Ausgangsmaterial und bildet eine feste Schicht auf der Oberfläche. Das CVD-Verfahren ist somit durch mindestens eine chemische Reaktion zum Ausbilden der Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche gekennzeichnet. Zumeist wird die Oberfläche, die beschichtet werden soll, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt. Vorzugsweise wird die Oberfläche auf die Reaktionstemperatur der chemischen Reaktion des CVD-Prozesses erhitzt.
Beim ALD-Verfahren wird ein erstes Ausgangsmaterial gasförmig in das Volumen eingeleitet, in dem die zu beschichtende Oberfläche bereitgestellt ist. Dann adsorbiert das erste Ausgangsmaterial auf der Oberfläche. Nachdem die Oberfläche, vorzugsweise vollständig, mit einer Schicht von adsorbiertem erstem Ausgangsmaterial beschichtet ist, wird der nicht adsorbierte Teil des Ausgangsmaterials aus dem Volumen entfernt. Dann wird ein zweites Ausgangsmaterial in das Volumen eingeleitet. Das zweite Ausgangsmaterial soll mit dem adsorbierten ersten Ausgangsmaterial chemisch reagieren, so dass eine feste Schicht auf der Oberfläche ausgebildet wird.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es insbesondere möglich, eine Oberfläche sehr wirksam zu verkapseln, die mindestens eines der folgenden Materialien enthält: Platin, Galliumnitrid, Galliumphosphid, Galliumarsenid, Siliziumoxid.
Insbesondere wird eine Oberfläche wirksam verkapselt, die zumindest teilweise Platin enthält. Alternativ kann die Oberfläche zumindest teilweise durch Platin gebildet sein. Da Platin als Edelmetall chemisch sehr inert ist, ist es ziemlich schwierig, eine Passivierungsschicht in direktem Kontakt mit Platin mechanisch stabil aufzubringen.
Des Weiteren ist es mit dem vorliegenden Verfahren möglich, eine Oberfläche mit der Passivierungsschicht zu verkapseln, wobei die Oberfläche verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Materialien umfasst. Beispielsweise hat ein Teil der Oberfläche einen metallischen Charakter und enthält beispielsweise Platin oder ist durch Platin gebildet. Ein anderer Teil der Oberfläche hat beispielsweise einen halbleitenden Charakter und enthält beispielsweise Galliumnitrid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid oder ist durch Galliumnitrid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid gebildet. Des Weiteren kann ein anderer Teil der Oberfläche einen dielektrischen Charakter haben und enthält beispielsweise Siliziumoxid oder ist durch Siliziumoxid gebildet.
Vorzugsweise ist die Passivierungsschicht in direktem Kontakt mit der zu verkapselnden Oberfläche aufgebracht, um eine dichte Verkapselung bereitzustellen. Ebenfalls vorzugsweise ist die Oberfläche, die verkapselt werden soll, vollständig mit der Passivierungsschicht bedeckt.
Vorzugsweise werden auch Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt, bevor die Passivierungsschicht auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Beispielsweise ist es möglich, dass Verunreinigungen von den umgebenden Medien auf der Oberfläche angeordnet sind. Die Verunreinigungen können beispielsweise Carbonat-basierte organische Verbindungen sein. Besonders bevorzugt wird das Entfernen der Verunreinigungen von der Oberfläche gleichzeitig mit der Erzeugung der reaktiven Sauerstoffgruppen und/oder reaktiven Hydroxygruppen auf der Oberfläche durchgeführt.
Die reaktiven Sauerstoffgruppen und/oder reaktiven Hydroxygruppen werden auf der Oberfläche, die verkapselt werden soll, mit einem der folgenden Verfahren erzeugt: Behandlung mit einem sauerstoffhaltigen Plasma, Behandlung mit Ozon.
Das sauerstoffhaltige Plasma kann beispielsweise einen der folgenden Stoffe umfassen oder aus einem der folgenden Stoffe gebildet sein: reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid.
Beispielsweise spült die Behandlung mit Ozon die Oberfläche, die verkapselt werden soll, mit einem gasförmigen Ozonstrom.
Diese Verfahren eignen sich im Allgemeinen auch zum Entfernen von Verunreinigungen von der Oberfläche.
Die Passivierungsschicht umfasst besonders bevorzugt ein Halbleiteroxid oder ein Metalloxid wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid. Ferner kann die Passivierungsschicht aus einem Halbleiteroxid oder Metalloxid wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid bestehen.
Vorzugsweise liegt die Dicke der Passivierungsschicht zwischen 15 nm und 50 nm, einschließlich der Grenzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine weitere dielektrische Schicht auf die Passivierungsschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht in direktem Kontakt mit der Passivierungsschicht angeordnet.
Die weitere dielektrische Schicht wird beispielsweise mit Hilfe von einem der folgenden Verfahren aufgebracht: Atomlagenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Sputtern.
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) wird die Oberfläche, die beschichtet werden soll, in einem Volumen bereitgestellt. In diesem Volumen wird ferner ein Ausgangsmaterial bereitgestellt, das direkt auf der Oberfläche kondensiert und eine feste Schicht auf der Oberfläche bildet. Insbesondere werden die folgenden Verfahren als PVD-Verfahren bezeichnet: thermisches Verdampfen, Sputtern.
Die plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung (PECVD-Verfahren) ist, wie das ALD-Verfahren, ein besonderes CVD-Verfahren. Der PECVD-Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass Plasma in dem Volumen gezündet wird, in dem die Oberfläche bereitgestellt ist, die beschichtet werden soll.
Vorzugsweise wirkt die Passivierungsschicht als haftungsverbessernde Schicht in Bezug auf die weitere dielektrische Schicht. Anders gesagt, hat die Passivierungsschicht vorzugsweise eine gute Haftung an der weiteren dielektrischen Schicht.
Beispielsweise erfüllt die dielektrische Schicht eine passivierende, isolierende und/oder optische Funktion.
Die weitere dielektrische Schicht umfasst beispielsweise eines der folgenden Materialien: Siliziumoxid, Siliziumnitrid.
Die Dicke der weiteren dielektrischen Schicht liegt vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm, einschließlich der Grenzen.
Beispielsweise bildet die Oberfläche, die verkapselt werden soll, einen Teil eines optoelektronischen Bauelements wie einem Leuchtdioden-Chip.
Ein Leuchtdioden-Chip umfasst im Allgemeinen eine aktive lichterzeugende Zone. Die lichterzeugende Zone enthält beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder einen Mehrfach-Quantentopf. Ferner können diese Quantenstrukturen nicht nur dreidimensional, sondern auch zwei- oder eindimensional sein.
Die aktive Zone bildet im Allgemeinen einen Teil eines epitaktischen Mehrschichtstapels, der auf ein Aufwachssubstrat epitaktisch aufgewachsen ist.
Beispielsweise basiert die aktive Zone auf einem Nitrid-Halbleiterverbindungsmaterial. Der Ausdruck, dass die aktive Zone „auf einem Nitrid-Halbleiterverbindungsmaterial basiert“, bedeutet, dass die Mehrzahl epitaktisch aufgewachsener Schichten und insbesondere die aktive Zone mindestens eine Schicht umfassen, die das Material Al_nGa_mIn_1-n-_mN, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1, umfasst oder aus diesem Material besteht. Beispielsweise kann die aktive Zone Galliumnitrid umfassen oder aus Galliumnitrid bestehen.
Alternativ basiert die aktive Zone auf einem Phosphid-Halbleiterverbindungsmaterial. Der Ausdruck, dass die aktive Zone „auf einem Phosphid-Halbleiterverbindungsmaterial basiert“, bedeutet, dass die Mehrzahl epitaktisch aufgewachsener Schichten und insbesondere die aktive Zone mindestens eine Schicht umfassen, die das Material Al_nGa_mIn_1-n-_mP, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1, umfasst oder aus diesem Material besteht. Beispielsweise kann die aktive Zone Galliumphosphid umfassen oder aus Galliumphosphid bestehen.
Ferner kann die aktive Zone auf einem Arsenid-Halbleiterverbindungsmaterial basieren. Der Ausdruck, dass die aktive Zone „auf einem Arsenid-Halbleiterverbindungsmaterial basiert“, bedeutet, dass die Mehrzahl epitaktisch aufgewachsener Schichten und insbesondere die aktive Zone mindestens eine Schicht umfassen, die das Material Al_nGa_mIn_1-n-mAs, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 < m ≤ 1 und n+m ≤ 1, umfasst oder aus diesem Material besteht. Beispielsweise kann die aktive Zone Galliumarsenid umfassen oder aus Galliumarsenid bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Leuchtdioden-Chip ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip sein. Ein Dünnfilm-Diodenchip ist frei von dem Aufwachssubstrat des epitaktischen Mehrschichtstapels oder das Aufwachssubstrat ist so gedünnt, dass es den epitaktisch aufgewachsenen Mehrschichtstapel nicht ausreichend stabilisieren kann. Um den Chip mechanisch stabil zu machen, umfasst der Dünnfilm-Diodenchip einen weiteren Träger, der von dem Aufwachssubstrat verschieden ist.
Der Träger ist beispielsweise an dem epitaktisch aufgewachsenen Mehrschichtstapel mit der aktiven Zone durch eines der folgenden Verfahren fixiert: Kleben, Bonden, Löten.
Besonders bevorzugt ist zwischen dem Träger und dem epitaktisch aufgewachsenen Mehrschichtstapel eine reflektierende Schicht angeordnet. Die reflektierende Schicht lenkt Strahlung der aktiven Zone, die in Richtung des Trägers emittiert wird, zur strahlungsemittierenden Vorderseite des Leuchtdioden-Chips um.
Die reflektierende Schicht kann durch eine Mehrzahl von Schichten gebildet sein. Beispielsweise kann die reflektierende Schicht ein Bragg-Spiegel sein. Ferner kann die reflektierende Schicht eine dielektrische Schicht und/oder eine Metallschicht umfassen.
Insbesondere kann eine Platinoberfläche einen Teil der reflektierenden Schicht bilden. Außerdem kann eine Platinoberfläche einen Teil eines elektrischen Kontakts des Leuchtdioden-Chips bilden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschrieben.
Anhand der schematischen 1 bis 5 wird eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens beschrieben.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichten, zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Gemäß dem Verfahren nach der Ausführungsform der 1 bis 5 wird in einem ersten Schritt ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 bereitgestellt. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips 1, der bereitgestellt wird. Der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 umfasst einen epitaktisch aufgewachsenen Mehrschichtstapel 2 auf der Basis von Galliumnitrid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid mit einer strahlungserzeugenden aktiven Zone 3. Der epitaktisch aufgewachsene Mehrschichtstapel 2 ist auf einem Träger 4 angeordnet, der den Mehrschichtstapel 2 mechanisch stabilisiert. Der Träger 4 ist von dem Aufwachssubstrat verschieden, das für das epitaktische Aufwachsen des Mehrschichtstapels 2 verwendet wurde.
Zwischen dem Mehrschichtstapel 2 und dem Träger 4 ist eine reflektierende Schicht 5 angeordnet. Die reflektierende Schicht 5 ist nicht notwendigerweise eine einzelne Schicht. Vielmehr kann die reflektierende Schicht 5 eine Mehrzahl von Einzelschichten enthalten, die metallisch oder dielektrisch sein können. Die Oberfläche der reflektierenden Metallschicht 5 enthält vorliegend Platin.
Die Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, ist die Platinoberfläche der metallischen reflektierenden Schicht 5 und ferner die Seitenflächen und die lichtemittierende Vorderseite des Mehrschichtstapels 2. Somit umfasst die Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Materialien. Die Teile der Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, die durch die Oberfläche des Mehrschichtstapels 2 gebildet werden, basieren auf Galliumnitrid, Galliumphosphid oder Galliumarsenid, und die Teile der Oberfläche 6, die durch die Oberfläche der metallischen reflektierenden Schicht 5 gebildet werden, enthalten Platin. Ferner ist es auch möglich, dass die Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, außerdem Teile umfasst, die einen dielektrischen Charakter haben. Solche Teile können beispielsweise durch eine dielektrische Schicht auf dem Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 gebildet sein.
In einem nächsten Schritt, der schematisch in 2 dargestellt ist, wird der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 von 1 mit sauerstoffhaltigem Plasma 7 behandelt. Alternativ oder zusätzlich kann der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 mit Ozon behandelt werden, beispielsweise durch Spülen mit einem gasförmigen Ozonstrom.
Die Behandlung des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips 1 mit dem sauerstoffhaltigen Plasma 7 wird vorzugsweise zwischen 15 Sekunden und 60 Sekunden, einschließlich der Grenzen, durchgeführt.
Bei der Behandlung mit dem sauerstoffhaltigen Plasma und/oder beim Spülen mit dem gasförmigen Ozonstrom werden auf der Oberfläche des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips 1 und insbesondere auf der Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, reaktive Sauerstoffgruppen 8 erzeugt (3).
In einem weiteren Schritt, der schematisch in 4 dargestellt ist, wird mittels eines ALD-Prozesses eine Passivierungsschicht 9 in direktem Kontakt mit der Oberfläche 6, die verkapselt werden soll, aufgebracht.
Die Passivierungsschicht 9 umfasst beispielsweise ein Halbleiteroxid oder ein Metalloxid wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid. Die Dicke der Passivierungsschicht 9 liegt vorzugsweise zwischen 15 nm und 50 nm, einschließlich der Grenzen.
In einem weiteren Schritt, der schematisch in 5 dargestellt ist, wird eine weitere dielektrische Schicht 10 in direktem Kontakt mit der Passivierungsschicht 9 aufgebracht. Die weitere dielektrische Schicht 10 umfasst beispielsweise ein Siliziumoxid oder ein Siliziumnitrid.
Die dielektrische Schicht 10 kann durch einen der folgenden Prozesse aufgebracht werden: ALD-Verfahren, CVD-Verfahren, PECVD-Verfahren oder PVD-Verfahren, Sputtern.
Die Erfindung ist nicht auf die Beschreibung der Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmale sowie jede Kombination von Merkmalen, insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn das Merkmal oder die Kombination von Merkmalen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Verkapselung eines optoelektronischen Bauelements mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen einer Oberfläche (6), die verkapselt werden soll und Platin enthält, - Erzeugen von reaktiven Sauerstoffgruppen (8) und/oder reaktiven Hydroxygruppen auf dieser Oberfläche (6), wobei die reaktiven Sauerstoffgruppen (8) und/oder die reaktiven Hydroxygruppen auf der Oberfläche (6) durch eines der folgenden Verfahren erzeugt werden: Behandlung mit sauerstoffhaltigem Plasma, Behandlung mit Ozon, und - Aufbringen einer Passivierungsschicht (9) auf diese Oberfläche (6) mittels Atomlagenabscheidung.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Passivierungsschicht (9) ein Metalloxid oder ein Halbleiteroxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Passivierungsschicht (9) eines der folgenden Materialien umfasst: Aluminiumoxid, Siliziumoxid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke der Passivierungsschicht (9) zwischen 15 nm und 50 nm, einschließlich der Grenzen, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine weitere dielektrische Schicht (10) auf die Passivierungsschicht (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die weitere dielektrische Schicht (10) mit Hilfe von einem der folgenden Verfahren aufgebracht wird: Atomlagenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Sputtern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem die Passivierungsschicht (9) als haftungsverbessernde Schicht in Bezug auf die weitere dielektrische Schicht (10) wirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die weitere dielektrische Schicht (10) eine passivierende, isolierende und/oder optische Funktion erfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die weitere dielektrische Schicht (10) eines der folgenden Materialien umfasst: Siliziumoxid, Siliziumnitrid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (6), die verkapselt werden soll, einen Teil eines Leuchtdioden-Chips (1) bildet.
Leuchtdioden-Chip (1), der mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
Leuchtdioden-Chip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, der ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist.