DE112015004200T5

DE112015004200T5 - Vertikale led-chipstruktur mit spezieller vergröbernder morphologie und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112015004200T5
Application number: DE112015004200.8T
Authority: DE
Inventors: Ling Tong; Qiong Zhang; Mengyan Lv; Yu Zhang; Qiming Li
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2016041471A1; CN104218134A; CN104218134B; GB2547123A; GB2547123B; GB201704361D0

Abstract

Ein Verfahren zum Steigern der Lichtemissionseffizienz einer vertikal strukturierten LED, bei dem eine vertikale LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil bereitgestellt wird. Mikrometerporen (311) werden in der Oberfläche einer Epitaxialstrukturschicht (300) ausgebildet, und Submikrometerporen (312) werden an den Böden der Mikrometerporen ausgebildet. Eine derartige Lichtaustrittsoberfläche gestattet das Austreten von mehr Licht aus dem Bauelement und führt somit zu einer signifikanten Verbesserung bei seiner Lichtextraktionseffizienz. Ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Chipstruktur wird ebenfalls offenbart, bei dem die Mikrometerporen (311) in der Epitaxialstrukturschicht (300) durch Entfernen eines Aufwachssubstrats (100) ausgebildet werden, auf dem Mikrometerhöcker ausgebildet sind, und die Submikrometerporen (312) werden an den Böden der Mikrometerporen (311) durch Ätzen ausgebildet. Dieses Verfahren ist einfach und geeignet für die Massenproduktion mit stark gesteigerter Lichtemissionseffizienz der vertikalen LED.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiter und insbesondere eine vertikale LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil und ein Verfahren zum Herstellen der Struktur.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Strukturell können Leuchtdioden (LEDs) in Face-Up, Flip-Chip- und vertikale Strukturen kategorisiert werden. Vertikale LEDs werden hinsichtlich einiger kritischer Probleme signifikant verbessert wie etwa geringer Wärmeableitungseffizienz und Stromblockage, worunter Face-Up, Flip-Chip-LEDs leiden und höhere Lichtemissionseffizienz, Lichtintensitäten und -dichten aufweisen. Sie bieten auch eine Reihe von Vorteilen einschließlich guter Wärmeableitung, der Fähigkeit zum Führen großer Ströme, hoher Lichtstärken, geringerem Stromverbrauch und langen Lebensdauern und haben deshalb bei der allgemeinen Beleuchtung, der Landschaftsbeleuchtung, Spezialbeleuchtung, Kraftfahrzeugbeleuchtung und anderen Anwendungen extensiven Einsatz gefunden. Vertikale LEDs ziehen zunehmend die Aufmerksamkeit und das Forschungsinteresse auf sich und werden bei der Entwicklung der Halbleiterbeleuchtungstechnologie als ein unvermeidbarer Trend angesehen.
Bei einer vertikalen LED wird das Saphirsubstrat entfernt und eine reflektierende Schicht kann direkt auf einer P-Epitaxialschicht angeordnet werden, so dass etwaiges, zufälligerweise innerhalb des Bauelements generiertes und nicht zu der Lichtaustrittsoberfläche übertragenes Licht durch die reflektierende Schicht reflektiert werden kann. Die reflektierende Schicht ist typischerweise eine Metallschicht oder eine Bragg-Schicht, die aus einem dielektrischen Material besteht. Dies kann die Verschlechterung der Lichtextraktionseffizienz minimieren, die durch zufällige Lichtemissionen vom aktiven Bereich des Bauelements verursacht wird, die sich nicht zur Lichtaustrittsoberfläche bewegen. Die Lichtextraktionseffizienz von GaN-basierten LEDs ist Beschränkungen unterworfen, die aus der riesigen Differenz zwischen Brechungsindizes von GaN und der Luft herrühren. Wie das Snelliussche Gesetz lehrt, können nur Lichtstrahlen mit einem Einpasswinkel innerhalb eines kritischen Bereichs (etwa 23°) in die Luft austreten, wobei der unter einem Winkel nicht innerhalb des Bereichs einfallende Rest innerhalb des GaN-Materials hin und her reflektiert und schließlich darin adsorbiert wird.
Für Face-Up- und Flip-Chip-LEDs finden während der Fabrikation der Bauelemente ausgebildete strukturierte Substrate breite Anwendung für die Erhöhung der Lichtextraktionseffizienz der LEDs. Dies ist der Fall, weil das Substratmuster auf der Oberfläche der N-Epitaxialschicht verkörpert werden kann und somit als ein Lichtaustrittsmerkmal einer LED dient, was den Brechungsindex der Lichtaustrittsoberfläche erhöht. Da solche strukturierten Substrate jedoch von vertikalen LEDs entfernt werden müssen, sehen sich diese vertikalen LEDs dem Problem gegenüber, wie die Lichtextraktionseffizienz verbessert werden kann.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung des unter den herkömmlichen vertikalen LEDs existierenden Problems der niedrigen Lichtextraktionseffizienz durch Präsentieren einer vertikal strukturierten LED und eines Fabrikationsverfahrens dafür.
Dazu liefert die vorliegende Erfindung eine vertikale LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil, einschließlich:
ein leitfähiges Stützsubstrat;
eine auf dem leitfähigen Stützsubstrat ausgebildete Metallbondelektrodenschicht;
eine auf der Metallbondelektrodenschicht ausgebildete reflektierende Metallelektrodenschicht;
eine auf der reflektierenden Metallelektrodenschicht ausgebildete Kontaktschicht;
eine auf der Kontaktschicht ausgebildete Epitaxialstrukturschicht, wobei die Epitaxialstrukturschicht eine P-GaN-Schicht, eine N-GaN-Schicht und eine aktive Bereichsschicht zwischen der P-GaN-Schicht und der N-GaN-Schicht umfasst, wobei mehrere Mikrometerporen in einer Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet sind und mehrere Submikrometerporen an Böden der mehreren Mikrometerporen ausgebildet sind; und
ein an die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht gebondete N-Elektrode.
Optional kann jede der mehreren Mikrometerporen einen Durchmesser von 2 μm bis 3 μm und eine Tiefe von 1 μm bis 3 μm besitzen; und jede der mehreren Submikrometerporen einen Durchmesser von 300 nm bis 800 nm und eine Tiefe von 1 μm bis 2 μm besitzen.
Optional kann die Metallbondelektrodenschicht eine eutektische Au/Sn-Schicht sein.
Optional kann die reflektierende Metallelektrodenschicht eine Ag-Schicht sein.
Optional kann die Kontaktschicht eine ITO- oder eine Ni-Schicht sein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren für das Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil bereit, das Folgendes beinhaltet:
Bereitstellen eines Aufwachssubstrats, Ätzen einer Oberfläche des Aufwachssubstrats zum Ausbilden mehrerer Mikrometerhöcker darauf und Ausbilden einer Epitaxialstrukturschicht auf dem Aufwachssubstrat;
sequenzielles Ausbilden einer Kontaktschicht, einer reflektierenden Metallelektrodenschicht und einer Metallbondelektrodenschicht auf der Epitaxialstrukturschicht;
Ausbilden eines leitfähigen Stützsubstrats auf der Metallbondelektrodenschicht;
Entfernen des Aufwachssubstrats zum Ausbilden mehrerer Mikrometerporen in einer Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht;
Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht zum Ausbilden mehrerer Submikrometerporen an Böden der mehreren Mikrometerporen; und
Ausbilden einer N-Elektrode auf der Epitaxialstrukturschicht.
Optional kann das Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht Folgendes beinhalten:
Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht;
Durchführen eines Trockenätzprozesses unter Verwendung der Siliziumdioxidschicht als Maske zum Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen; und
Entfernen eines Rests der Siliziumdioxidschicht.
Optional kann nach dem Ätzen der Oberfläche des Aufwachssubstrats zum Ausbilden der mehreren Mikrometerhöcker eine unbeabsichtigt dotierte Schicht auf der Oberfläche des Aufwachssubstrats ausgebildet werden und die Epitaxialstrukturschicht kann auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden; und nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats können die mehreren Mikrometerporen in einer Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden und die unbeabsichtigt dotierte Schicht kann dann weggeätzt werden, wobei die mehreren Mikrometerporen in die Epitaxialstrukturschicht transferiert werden, gefolgt von dem Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht und dadurch Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen.
Optional kann, nachdem die mehreren Mikrometerporen in der Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden, die Ausbildung der mehreren Submikrometerporen bewerkstelligt werden durch: Durchführen eines Trockenätzprozesses zum Entfernen der unbeabsichtigt dotierten Schicht und transferieren der mehreren Mikrometerporen in die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht;
Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht;
Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht unter Verwendung von photolithographischen und Ätzprozessen zum Ausbilden eines Grabens zwischen benachbarten LED-Chipstrukturen, wobei der Graben die darunterliegende Epitaxialstrukturschicht exponiert;
Unterziehen der Epitaxialstrukturschicht und der Siliziumdioxidschicht gleichzeitig einem Trockenätzprozess zum Exponieren der Kontaktschicht in dem Graben und zum Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen; und
Entfernen der Siliziumdioxidschicht.
Optional kann die Epitaxialstrukturschicht eine Dicke von 5 μm bis 8 μm besitzen; die unbeabsichtigt dotierte Schicht kann eine Dicke von 1 μm bis 3 μm besitzen; und die Siliziumdioxidschicht kann auf der Epitaxialstrukturschicht bis zu einer Dicke von 1000 nm bis 2000 nm abgeschieden werden.
Optional kann, nachdem die mehreren Mikroporen in der Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet sind, die Ausbildung der mehreren Submikrometerporen bewerkstelligt werden durch:
Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht;
Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht unter Verwendung fotolithografischer Prozesse und Ätzprozesse zum Ausbilden eines Grabens zwischen benachbarten LED-Chipstrukturen, wobei der Graben die darunterliegende unbeabsichtigt dotierte Schicht exponiert; und
Unterziehen der Siliziumdioxidschicht und der unbeabsichtigt dotierten Schicht, im Graben exponiert, simultan einem Trockenätzprozess zum Exponieren der Kontaktschicht in dem Graben und zum Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht und eines Abschnitts der unbeabsichtigt dotierten Schicht aus dem Graben, wodurch die mehreren Mikrometerporen in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht und die mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen ausgebildet werden.
Optional kann die Epitaxialstrukturschicht eine Dicke von 5 μm bis 8 μm besitzen; die unbeabsichtigt dotierte Schicht kann eine Dicke von 1 μm bis 3 μm besitzen; und die Siliziumdioxidschicht kann auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht bis zu einer Dicke im Bereich von 500 nm bis 1000 nm abgeschieden werden.
Optional kann das Verfahren weiterhin das Aufrauen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht vor dem Ausbilden der N-Elektrode beinhalten.
In der vertikalen LED-Chipstruktur mit dem speziellen aufgerauten Profil gemäß der vorliegenden Erfindung werden Mikrometerporen in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet und Submikrometerporen werden an Böden der Mikrometerporen ausgebildet. Eine derartige Lichtaustrittsoberfläche gestattet das Austreten von mehr Licht von dem Bauelement und führt somit zu einer signifikanten Verbesserung bei seiner Lichtextraktionseffizienz. Außerdem werden in dem Verfahren zum Herstellen der Chipstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die Mikrometerporen in der Epitaxialstrukturschicht durch Ablösen des Aufwachssubstrats ausgebildet, auf dem die Mikrometerhöcker ausgebildet sind, und die Submikrometerporen an den Böden der Mikrometerporen durch Ätzen ausgebildet. Das Verfahren ist einfach und eignet sich für die Massenproduktion mit stark erhöhter vertikaler LED-Lichtemissionseffizienz.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung grafisch darstellt.
2–8 sind weggeschnittene Ansichten von Strukturen während eines Verfahrens zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9A bis 9D sind weggeschnittene Ansichten von Strukturen während eines Prozesses zum Herstellen der Struktur von 6 aus der von 5.
10A und 10B sind weggeschnittene Ansichten von Strukturen während eines weiteren Prozesses zum Herstellen der Struktur von 6 aus der von 5.
11 zeigt REM-Bilder, die eine Draufsicht (links) und eine Seitenansicht (rechts) einer aus dem Entfernen des Aufwachssubstrats resultierenden Struktur darstellen.
12 zeigt REM-Bilder, die eine Draufsicht (links) und eine Seitenansicht (rechts) der Struktur von 9A darstellen.
13A zeigt REM-Bilder, die eine Draufsicht (links) und eine Seitenansicht (rechts) der aus dem in 9A bis 9D gezeigten Prozess resultierenden Struktur darstellen.
13B zeigt REM-Bilder, die eine Draufsicht (links) und eine Seitenansicht (rechts) der aus dem in 10A und 10B gezeigten Prozess resultierenden Struktur darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und anhand der beigefügten Ansprüche offensichtlicher. Man beachte, dass die beiliegenden Zeichnungen in einer nicht notwendigerweise maßstabsgetreu vorgelegten, sehr vereinfachten Form geliefert werden mit der einzigen Absicht, die Zweckmäßigkeit und Klarheit beim Erläutern der Ausführungsformen der Erfindung zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung liefert eine vertikale LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil. Wie in 8 gezeigt, enthält die vertikale LED-Chipstruktur: ein leitfähiges Stützsubstrat 700; eine auf der Oberfläche des leitfähigen Stützsubstrats 700 ausgebildete Metallbondelektrodenschicht 600; eine auf der Oberfläche der Metallbondelektrodenschicht 600 ausgebildete reflektierende Metallelektrodenschicht 500; eine auf der Oberfläche der reflektierenden Metallelektrodenschicht 500 ausgebildete Kontaktschicht 400; eine auf der Oberfläche der Kontaktschicht 400 ausgebildete Epitaxialstrukturschicht 300; und eine auf der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 ausgebildete N-Elektrode 800.
Die Epitaxialstrukturschicht 300 enthält eine P-GaN-Schicht 330, eine N-GaN-Schicht 310 und eine aktive Bereichsschicht 320 zwischen der P-GaN-Schicht 330 und der N-GaN-Schicht 310. Es existieren Mikrometerporen 311 in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 und Submikrometerporen 312 an den Böden der Mikrometerporen. Wie hierin verwendet, beschreiben die Ausdrücke „Mikrometer“ und „Submikrometer“ die Größen (Durchmesser) der Poren. Das Bereitstellen der kleineren Submikrometerporen 312 an den Böden der Mikrometerporen 311 kann die Steigerung der Lichtextraktionseffizienz erleichtern. Bei bevorzugten Ausführungsformen besitzen die Mikrometerporen einen Durchmesser von 2 μm bis 3 μm und eine Tiefe von 1 μm bis 3 μm, und die Submikrometerporen besitzen einen Durchmesser von 300 nm bis 800 nm und eine Tiefe von 1 μm bis 2 μm. Zwischen benachbarten Mikrometerporen 311 in der Oberfläche der N-GaN-Schicht 310 sind aus einem Aufrauprozess resultierende Vorsprünge ausgebildet.
Insbesondere kann das leitfähige Stützsubstrat 700 Silizium, Kupfer, Aluminium, Wolfram oder eine einer Vielzahl von Legierungen sein, wobei Silizium, eine Wolfram-Kupfer-Legierung oder Kupfer-Molybdän-Legierung, die sowohl elektrisch wie auch thermisch hochleitend ist, bevorzugt sind. Die Metallbondelektrodenschicht 600 kann ein eutektisches Au/Sn-Material sein. Die reflektierende Metallelektrodenschicht 500 kann eine Ag-Schicht sein. Die Kontaktschicht 400 kann aus Indium-Zinnoxid (ITO) oder Ni ausgebildet sein. Die N-Elektrode 800 kann beispielsweise aus einer Ni/Au-Legierung, einer Al/Ti/Pt/Au-Legierung oder einer Cr/Pt/Au-Legierung hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil. Die Schritte für das Herstellen einer derartigen vertikalen LED-Chipstruktur werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 ausführlich beschrieben.
Zuerst wird in Schritt S1 ein Aufwachssubstrat bereitgestellt und geätzt, um Mikrometerhöcker auf der Oberfläche des Aufwachssubstrats auszubilden, gefolgt von dem Ausbilden einer Epitaxialstrukturschicht auf dem Aufwachssubstrat.
Bei einer Ausführungsform wird das Ätzen des Aufwachssubstrats unter Verwendung eines Nassätzprozesses oder eines Trockenätzprozesses bewerkstelligt, um Mikrometerhöcker auszubilden, so dass spezielle Mikrometerhöcker auf der Oberfläche des Aufwachssubstrats 100 ausgebildet werden. Das Substrat kann ohne Beschränkung als ein Saphirsubstrat oder ein Siliziumsubstrat implementiert werden.
Danach werden eine N-GaN-Schicht 310, eine aktive Bereichsschicht 320 und eine P-GaN-Schicht 330 sequentiell über dem Aufwachssubstrat 100 aufgewachsen, so dass die Epitaxialstrukturschicht 300 ausgebildet wird. Bei einer bevorzugten Implementierung der Ausführungsform wird die N-GaN-Schicht 310 durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) auf dem Aufwachssubstrat 100 aufgewachsen, wobei Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga) als Ga-Quelle dient, Ammoniak (NH₃) als eine Stickstoffquelle (N) dient und Silan (SiH₄) als ein N-Dotierstoff dient. Die aktive InGaN/GaN-Schicht 320 wird durch einen MOCVD-Prozess auf der N-GaN-Schicht 310 abgeschieden, und zwar unter Verwendung von Trimethylindium ((CH₃)₃In) als eine In-Quelle, (CH₃)₃Ga als eine Ga-Quelle und NH₃ als eine N-Quelle. Außerdem wird die P-GaN-Schicht 330 auf der aktiven Schicht 320 durch einen MOCVD-Prozess unter Verwendung von (CH₃)₃Ga als Ga-Quelle, NH₃ als eine N-Quelle und Magnesocen (Mg(C₅H₅)₂) als ein P-Dotierstoff abgeschieden.
Wie in 2 gezeigt, wird bei einer bevorzugten Implementierung der Ausführungsform nach dem Ätzen des Aufwachssubstrats 100 und der Ausbildung der Mikrometerhöcker eine unbeabsichtigt dotierte Schicht 200 auf dem Aufwachssubstrat 100 ausgebildet und die Epitaxialstrukturschicht 300 wird auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht 200 ausgebildet. Die unbeabsichtigt dotierte Schicht 200 ist eine undotierte Ga-N-Schicht, die dazu dienen kann, die nachfolgende Ausbildung der Epitaxialstrukturschicht 300 zu erleichtern.
In Schritt S2 werden eine Kontaktschicht, eine reflektierende Metallelektrodenschicht und eine Metallbondelektrodenschicht sequentiell auf der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet.
Wie in 3 gezeigt, kann die Kontaktschicht 400 auf der P-GaN-Schicht 330 dampfabgeschieden werden und die Kontaktschicht 400 wird dann mit der P-GaN-Schicht 330 verschmolzen, um einen ohmschen Kontakt auszubilden. Danach wird die reflektierende Metallelektrodenschicht 500 derart auf der Kontaktschicht 400 dampfabgeschieden, das eine optisch reflektierende Oberfläche zwischen der Kontaktschicht 400 und der reflektierenden Metallelektrodenschicht 500 ausgebildet wird, gefolgt von der Ausbildung der Metallbondelektrodenschicht 600.
In Schritt S3 wird ein leitfähiges Stützsubstrat auf der Metallbondelektrodenschicht ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt, wird die reflektierende Metallelektrodenschicht 500 durch die Metallbondelektrodenschicht 600 an das leitfähige Stützsubstrat 700 gebondet. Das leitfähige Stützsubstrat 700 kann Silizium, Kupfer, Aluminium, Wolfram oder eine Auswahl unter einer Vielzahl von Legierungen sein, wobei Silizium, eine Wolfram-Kupfer-Legierung oder eine Kupfer-Molybdän-Legierung, die sowohl elektrisch als auch thermisch hochleitend ist, bevorzugt wird. Die Metallbondelektrodenschicht 600 kann aus einem eutektischen Au/Sn-Material ausgebildet werden. Die reflektierende Metallelektrodenschicht 500 kann eine Ag-Schicht sein. Die Kontaktschicht 400 kann aus ITO oder Ni ausgebildet werden. Die N-Elektrode 800 kann beispielsweise aus Ni/Au, einer Al/Ti/Pt/Au-Legierung oder einer Cr/Pt/Au-Legierung ausgebildet werden.
In Schritt S4 wird das Aufwachssubstrat entfernt, so dass Mikrometerporen in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet werden.
Wie in 5 gezeigt, kann das Aufwachssubstrat 100 unter Verwendung einer Laserabhebetechnik entfernt werden, wobei die Mikrometerporen in der Oberfläche der N-GaN-Schicht 310 in der Epitaxialstrukturschicht 300 mit Hilfe der Mikrometerhöcker auf der Aufwachsoberfläche 100 ausgebildet werden. Das Oberflächenprofil der Epitaxialstrukturschicht nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats 100 wird in 11 gezeigt, in der eine Draufsicht (links) und eine Seitenansicht (rechts) einer aus dem Entfernen des Aufwachssubstrats 100 resultierenden Struktur gezeigt werden.
Bei einer bevorzugten Implementierung der Ausführungsform werden, da die unbeabsichtigt dotierte Schicht 200 und die Epitaxialstrukturschicht 300 auf dem Aufwachssubstrat 100 sequentiell ausgebildet werden, nachdem das Aufwachssubstrat geätzt worden ist, um die Mikrohöcker auf der Oberfläche davon auszubilden, die Mikrometerporen 210 nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats 100 in der unbeabsichtigt dotierten Schicht 200 ausgebildet.
In Schritt S5 wird die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht derart geätzt, dass Submikrometerporen an den Böden der Mikrometerporen ausgebildet werden.
Das Ätzen der Epitaxialstrukturschicht kann Folgendes beinhalten: Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht, Durchführen eines Trockenätzprozesses unter Verwendung der Siliziumdioxidschicht als Maske, so dass die Submikrometerporen an den Böden der Mikrometerporen ausgebildet werden, und Entfernen eines Rests der Siliziumdioxidschicht.
Insbesondere kann die Abscheidung der Siliziumdioxidschicht durch einen Prozess der chemischen Dampfabscheidung (CVD) bewerkstelligt werden. Es wird angemerkt, dass aufgrund von Charakteristika des CVD-Prozesses das Siliziumdioxid überwiegend zwischen den zahlreichen Mikrometerporen auf der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht abgeschieden wird, wobei eine relativ kleine Menge davon am Boden der Poren abgeschieden wird. Wenn die Siliziumdioxidschicht als eine Maske für den Trockenätzprozess dient, wird deshalb der innerhalb der Mikrometerporen abgeschiedene Teil des Siliziumdioxids zuerst entfernt, so dass der Prozess weiterhin die Submikrometerporen an den Böden der Mikrometerporen ausbildet, währenddessen das Material zwischen den Mikrometerporen durch das darüber liegende dickere Siliziumdioxid geschützt ist.
Bei einer bevorzugten Implementierung der Ausführungsform wird nach dem Ätzen des Aufwachssubstrats 100 und der Ausbildung der Mikrometerhöcker eine unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 auf dem Aufwachssubstrat und der Epitaxialstrukturschicht 300 auf der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 ausgebildet, und wie oben erwähnt werden die Mikrometerporen 210 nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats 100 in der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 ausgebildet. In diesem Fall kann, wie in 6 gezeigt, die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 weggeätzt werden, wobei die Mikrometerporen in die Epitaxialstrukturschicht 300 transferiert werden, gefolgt von dem Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300, um die Submikrometerporen 312 an den Böden der Mikrometerporen 311 auszubilden.
Schließlich wird in Schritt S6 eine N-Elektrode auf der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet.
Wie in 7 gezeigt, kann in einer bevorzugten Implementierung der Ausführungsform vor der Ausbildung der N-Elektrode 800 die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 durch Aufrauen fertiggestellt werden, so dass eine Vielzahl an Vorsprüngen 313 auf der Oberfläche der N-GaN-Schicht 310 zwischen den Mikrometerporen 311 ausgebildet wird. Als solches wird, wie in 8 gezeigt, die N-Elektrode 800 an der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 ausgebildet.
Insbesondere kann das Aufrauen durch einen Nassätzprozess unter Verwendung von KOH, H₃PO₄ oder einer anderen Lösung bewerkstelligt werden. Die N-Elektrode 800 kann durch Dampfabscheidung beispielsweise einer Ni/Au-, einer Al/Ti/Pt/Au- oder einer Cr/Pt/Au-Legierung ausgebildet werden.
Wie oben beschrieben beinhaltet eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen der vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil einen Gesamtsubstratprozess unter Berücksichtigung von Gräben zwischen mehreren derartigen vertikalen LED-Chipstrukturen. Die Gräben bilden Spalte zwischen den auf dem gleichen Substrat hergestellten vertikalen LED-Chipstrukturen. Bei dieser Ausführungsform ist es nach dem Ausbilden der Mikrometerporen in der Oberfläche der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 notwendig, diese Poren in die Epitaxialstrukturschicht 300 zu transferieren und die Submikrometerporen auf der Epitaxialstrukturschicht 300 auszubilden, d.h. die Sektion des Gesamtsubstratprozesses entspricht der Transformation von dem Oberflächenprofil von 5 zu dem von 6. Diese Transformation kann unter Verwendung von einem der beiden Ansätze wie unten spezifiziert bewerkstelligt werden.
Ansatz 1:
Wie in 5 gezeigt, werden bei entferntem Aufwachssubstrat 100 die Mikrometerporen 210 in der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf 9A wird ein Trockenätzprozess an der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 durchgeführt, um die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 zu entfernen und die Mikrometerporen 210 von der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 zu der Epitaxialstrukturschicht 300 zu transferieren. Bevorzugt besitzt die Epitaxialstrukturschicht 300 eine Dicke von 5 μm bis 8 μm, und die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 besitzt eine Dicke von 1 μm bis 3 μm. Der Ttrockenätzprozess wird in etwa 30 Minuten durchgeführt, um die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200, die eine Dicke von 1 μm bis 3 μm besitzt, vollständig zu entfernen. Das Oberflächenprofil der resultierenden Struktur ist in 12 gezeigt, bei der die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM-Aufnahmen) einer Draufsicht (links) und einer Seitenansicht (rechts) der Struktur von 9A gezeigt sind.
Danach wird unter Bezugnahme auf 9B die Siliziumdioxidschicht 10 über der Epitaxialstrukturschicht 300 abgeschieden. Wie oben erörtert, wird aufgrund von Charakteristika des CVD-Prozesses das Siliziumdioxid überwiegend zwischen den zahlreichen Mikrometerporen auf der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 abgeschieden, wobei eine relativ kleine Menge des Siliziumdioxids in unteren Abschnitten der Mikrometerporen abgeschieden wird. Bevorzugt besitzt die über der Epitaxialstrukturschicht 300 liegende Siliziumdioxidschicht 10 eine Dicke zwischen 1000 nm und 2000 nm. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht 10 bezieht sich hierin auf die Dicke der zwischen den Mikrometerporen abgeschiedenen Siliziumdioxidschicht 10.
Unter Bezugnahme auf 9C wird ein fotolithografischer Prozess ausgeführt, um Abschnitte der Siliziumdioxidschicht 10 zu entfernen, was zu Gräben zwischen den vertikalen LED-Chipstrukturen führt, in denen die Epitaxialstrukturschicht 300 exponiert ist, wobei der Rest der Siliziumdioxidschicht durch über den jeweiligen vertikalen LED-Chipstrukturen liegende Siliziumdioxidschichten 10’ angezeigt wird. Wie oben erwähnt, bilden die Gräben Spalte zwischen den auf dem gleichen Substrat hergestellten vertikalen LED-Chipstrukturen.
Der fotolithografische Prozess kann Folgendes beinhalten: Beschichten einer Fotoresistschicht auf der Siliziumdioxidschicht 10; Strukturieren der Fotoresistschicht durch Exposition und Entwicklung, um die Abschnitte der Siliziumdioxidschicht 10 entsprechend den Gräben zu exponieren; Ätzen der Siliziumdioxidschicht 10, wobei die strukturierte Fotoresistschicht als eine Maske dient zum Exponieren der darunterliegenden Epitaxialstrukturschicht 300; Entfernen des Rests der Fotoresistschicht, was zu der in 9C gezeigten Struktur führt. Das Ätzen der Siliziumdioxidschicht 10 kann durch einen Nassätzprozess unter Verwendung einer BOE-Lösung bewerkstelligt werden.
Unter Bezugnahme auf 9D werden die Epitaxialstrukturschicht 300 und die Siliziumdioxidschichten 10’ simultan einem Trockenätzprozess unterzogen, der so konditioniert ist, dass die Kontaktschicht 400 in den Gräben exponiert wird und die Submikrometerporen 312 nach dem Ätzen an den Böden der Mikrometerporen 311 ausgebildet werden. Zu der Zeit, wenn die Submikrometerporen 312 ausgebildet worden sind, sind die Siliziumdioxidschichten 10’ nicht vollständig weggeätzt, wobei die verbleibende Siliziumdioxidschicht 10’’ die darunterliegende Epitaxialstrukturschicht 300 schützt.
Zuletzt wird ein Nassätzprozess unter Verwendung einer BOE-Lösung ausgeführt, um die verbleibende Siliziumdioxidschicht 10’’ zu entfernen, was zu dem Oberflächenprofil wie in 6 gezeigt führt, das heißt dem Entfernen der verbleibenden Siliziumdioxidschicht 10’, und zu den Mikroporen 311 und den Submikroporen 312 in der Epitaxialstrukturschicht 300 führt. Das Profil der resultierenden Struktur von dem Ansatz ist in 13A gezeigt, in der die REM-Bilder einer Draufsicht (links) und einer Seitenansicht (rechts) der aus dem Prozess der 9A bis 9D resultierenden Struktur gezeigt sind.
Ansatz 2:
Wie in 5 gezeigt, werden bei entferntem Aufwachssubstrat 100 die Mikrometerporen 210 in der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf 10A wird die Siliziumdioxidschicht 20 auf der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 abgeschieden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Epitaxialstrukturschicht 300 eine Dicke von 5 μm bis 8 μm, und die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 besitzt eine Dicke zwischen 1 μm und 3μm. Die über der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 300 liegende Siliziumdioxidschicht 20 besitzt eine größte Dicke im Bereich von 500 nm bis 1000 nm. Die größte Dicke bezieht sich hier auf die Dicke des zwischen den Mikrometerporen abgeschiedenen Siliziumdioxids 20.
Unter Bezugnahme auf 10B wird ein fotolithografischer Prozess ausgeführt, um Abschnitte der Siliziumdioxidschicht 20 zu entfernen, was zu Gräben zwischen den vertikalen LED-Chipstrukturen führt, in denen die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 200 exponiert ist, wobei der Rest der Siliziumdioxidschicht durch über den jeweiligen vertikalen LED-Chipstrukturen liegende Siliziumdioxidschichten 20’ angezeigt wird.
Der fotolithografische Prozess kann Folgendes beinhalten: Beschichten einer Fotoresistschicht auf der Siliziumdioxidschicht 20; Strukturieren der Fotoresistschicht durch Exposition und Entwicklung, um die Abschnitte der Siliziumdioxidschicht 20 entsprechend den Gräben zu exponieren; Ätzen der Siliziumdioxidschicht 20, wobei die strukturierte Fotoresistschicht als eine Maske dient zum Exponieren der darunterliegenden unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200; und Entfernen des Rests der Fotoresistschicht, was zu der in 10B gezeigten Struktur führt. Das Ätzen der Siliziumdioxidschicht 20 kann durch einen Nassätzprozess unter Verwendung einer BOE-Lösung bewerkstelligt werden.
Danach werden die Siliziumdioxidschichten 20’ und die unbeabsichtigterweise dotierte Schicht 300, in den Gräben exponiert, simultan einem Trockenätzprozess unterzogen, der so gesteuert wird, dass nach dem Ätzen: die Kontaktschicht 400 in den Gräben exponiert ist; die Abschnitte der Siliziumdioxidschicht 20’ und der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 außerhalb der Gräben (d.h. über den vertikalen LED-Chipstrukturen liegend) entfernt sind; die Mikrometerporen 311 in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht 300 ausgebildet sind; und die Submikrometerporen 312 an den Böden der Mikrometerporen ausgebildet sind, was zu dem in 6 gezeigten Oberflächenprofil führt. Das Profil der resultierenden Struktur von dem Ansatz ist in 13B gezeigt, in der die REM-Bilder einer Draufsicht (links) und einer Seitenansicht (rechts) der aus dem Prozess der 10A und 10B resultierenden Struktur gezeigt sind.
Bei diesem Ansatz kann während der Ausbildung der Siliziumdioxidschicht 20 der vor dem Entfernen der unbeabsichtigterweise dotierten Schicht 200 durchgeführte Trockenätzprozess die Siliziumdioxidschicht 20 gleichzeitig mit der Ausbildung der Mikrometerporen 311 und der Submikrometerporen 312 ganz entfernen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für das nachfolgende Siliziumdioxidentfernen und macht den Ansatz leichter implementierbar. Es erhöht jedoch die Anforderungen für eine Steuerpräzision, und die daraus resultierenden Submikrometerporen 312 sind nicht so fein wie jene von Ansatz 1.
In der vertikalen LED-Chipstruktur mit dem speziellen aufgerauten Profil gemäß der vorliegenden Erfindung werden Mikrometerporen in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet, und Submikrometerporen werden an den Böden der Mikrometerporen ausgebildet. Eine derartige Lichtaustrittsoberfläche gestattet das Austreten von mehr Licht aus dem Bauelement und führt somit zu einer signifikanten Verbesserung bei seiner Lichtextraktionseffizienz und -qualität. Außerdem werden bei dem Verfahren zum Herstellen der oben erwähnten vertikalen LED-Chipstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die Mikrometerporen in der Epitaxialstrukturschicht durch Ablösen des Aufwachssubstrats ausgebildet, auf dem die Mikrometerhöcker ausgebildet sind, und die Submikrometerporen werden an den Böden der Mikrometerporen durch Ätzen ausgebildet. Das Verfahren ist einfach und geeignet für die Massenproduktion mit stark erhöhter vertikaler LED-Lichtemissionseffizienz.
Offensichtlich kann der Fachmann an der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Variationen vornehmen, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich davon abzuweichen. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die Erfindung alle derartigen Modifikationen und Variationen einschließt, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon fallen.

Claims

Vertikale LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil, umfassend: ein leitfähiges Stützsubstrat; eine auf dem leitfähigen Stützsubstrat ausgebildete Metallbondelektrodenschicht; eine auf der Metallbondelektrodenschicht ausgebildete reflektierende Metallelektrodenschicht; eine auf der reflektierenden Metallelektrodenschicht ausgebildete Kontaktschicht; eine auf der Kontaktschicht ausgebildete Epitaxialstrukturschicht, wobei die Epitaxialstrukturschicht eine P-GaN-Schicht, eine N-GaN-Schicht und eine aktive Bereichsschicht zwischen der P-GaN-Schicht und der N-GaN-Schicht umfasst, wobei mehrere Mikrometerporen in einer Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht ausgebildet sind und mehrere Submikrometerporen an Böden der mehreren Mikrometerporen ausgebildet sind; und eine an die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht gebondete N-Elektrode.
Vertikale LED-Chipstruktur nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren Mikrometerporen einen Durchmesser von 2 μm bis 3 μm und eine Tiefe von 1 μm bis 3 μm besitzt; und jede der mehreren Submikrometerporen einen Durchmesser von 300 nm bis 800 nm und eine Tiefe von 1 μm bis 2 μm besitzt.
Vertikale LED-Chipstruktur nach Anspruch 1, wobei die Metallbondelektrodenschicht eine eutektische Au/Sn Schicht ist.
Vertikale LED-Chipstruktur nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Metallelektrodenschicht eine Ag-Schicht ist.
Vertikale LED-Chipstruktur nach Anspruch 1, wobei die Kontaktschicht eine ITO- oder eine Ni-Schicht ist.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur mit einem speziellen aufgerauten Profil, umfassend: Bereitstellen eines Aufwachssubstrats, Ätzen einer Oberfläche des Aufwachssubstrats zum Ausbilden mehrerer Mikrometerhöcker darauf und Ausbilden einer Epitaxialstrukturschicht auf dem Aufwachssubstrat; sequenzielles Ausbilden einer Kontaktschicht, einer reflektierenden Metallelektrodenschicht und einer Metallbondelektrodenschicht auf der Epitaxialstrukturschicht; Ausbilden eines leitfähigen Stützsubstrats auf der Metallbondelektrodenschicht; Entfernen des Aufwachssubstrats zum Ausbilden mehrerer Mikrometerporen in einer Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht; Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht zum Ausbilden mehrerer Submikrometerporen an Böden der mehreren Mikrometerporen; und Ausbilden einer N-Elektrode auf der Epitaxialstrukturschicht.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 6, wobei das Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht umfasst: Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht; Durchführen eines Trockenätzprozesses unter Verwendung der Siliziumdioxidschicht als eine Maske zum Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen; und Entfernen eines Rests der Siliziumdioxidschicht.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 6, wobei: nach dem Ätzen der Oberfläche des Aufwachssubstrats zum Ausbilden der mehreren Mikrometerhöcker darauf eine unbeabsichtigt dotierte Schicht auf der Oberfläche des Aufwachssubstrats ausgebildet wird und die Epitaxialstrukturschicht auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet wird; und nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats die mehreren Mikrometerporen in einer Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden und die unbeabsichtigt dotierte Schicht dann weggeätzt wird, wobei die mehreren Mikrometerporen in die Epitaxialstrukturschicht transferiert werden, gefolgt von dem Ätzen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht und dadurch Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 8, wobei, nachdem die mehreren Mikrometerporen in der Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden, die Ausbildung der mehreren Submikrometerporen bewerkstelligt wird durch: Durchführen eines Trockenätzprozesses zum Entfernen der unbeabsichtigt dotierten Schicht und Transferieren der mehreren Mikrometerporen in die Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht; Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht; Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht unter Verwendung von photolithographischen Prozessen und Ätzprozessen zum Ausbilden eines Grabens zwischen benachbarten LED-Chipstrukturen, wobei der Graben die darunterliegende Epitaxialstrukturschicht exponiert; Unterziehen der Epitaxialstrukturschicht und der Siliziumdioxidschicht gleichzeitig einem Trockenätzprozess zum Exponieren der Kontaktschicht in dem Graben und zum Ausbilden der mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen; und Entfernen der Siliziumdioxidschicht.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 9, wobei: die Epitaxialstrukturschicht eine Dicke von 5 μm bis 8 μm besitzt; die unbeabsichtigt dotierte Schicht eine Dicke von 1 μm bis 3 μm besitzt; und die Siliziumdioxidschicht auf der Epitaxialstrukturschicht bis zu einer Dicke von 1000 nm bis 2000 nm abgeschieden wird.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 8, wobei, nachdem die mehreren Mikroporen in der Oberfläche der unbeabsichtigt dotierten Schicht ausgebildet werden, die Ausbildung der mehreren Submikrometerporen bewerkstelligt wird durch: Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht; Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht unter Verwendung fotolithografischer und Ätzprozesse zum Ausbilden eines Grabens zwischen benachbarten LED-Chipstrukturen, wobei der Graben die darunterliegende unbeabsichtigt dotierte Schicht exponiert; und Unterziehen der Siliziumdioxidschicht und der im Graben exponierten unbeabsichtigt dotierten Schicht simultan einem Trockenätzprozess zum Exponieren der Kontaktschicht in dem Graben und zum Entfernen eines Abschnitts der Siliziumdioxidschicht und eines Abschnitts der unbeabsichtigt dotierten Schicht aus dem Graben, wodurch die mehreren Mikrometerporen in der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht und die mehreren Submikrometerporen an den Böden der mehreren Mikrometerporen ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 11, wobei: die Epitaxialstrukturschicht eine Dicke von 5 μm bis 8 μm besitzt; die unbeabsichtigt dotierte Schicht eine Dicke von 1 μm bis 3 μm besitzt; und die Siliziumdioxidschicht auf der unbeabsichtigt dotierten Schicht bis zu einer Dicke von 500 nm bis 1000 nm abgeschieden wird.
Verfahren zum Herstellen einer vertikalen LED-Chipstruktur nach Anspruch 6, weiterhin umfassend Aufrauen der Oberfläche der Epitaxialstrukturschicht vor dem Ausbilden der N-Elektrode.