DE19945005A1 - Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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Abstract
Es wird eine Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Die Blaulicht emittierende Diode umfaßt ein Saphirsubstrat mit mindestens einem Kanal, der durch das Saphirsubstrat hindurchgeht, zwei GaN-Dünnfilme mit ähnlicher Dicke auf der oberen und unteren Fläche des Saphirsubstrats, die innerhalb des Kanals in Verbindung stehen, eine Anode und eine Kathode auf der Grundfläche des unteren GaN-Dünnfilms und der Oberfläche der Epitaxieschicht. Der Kanal dient als leitende Passage zwischen der Anode und der Kathode und realisiert eine vertikale LED mit reduziertem Operationsbereich. Darüber hinaus wird der Polierprozeß vereinfacht und die Ausbeute erhöht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Blaulicht emittierende Diode mit
Saphirsubstrat und ein Verfahren zu Herstellung derselben, insbesondere eine Blaulicht
emittierende Diode mit Saphirsubstrat, worin mindestens ein Kanal innerhalb des
Saphirsubstrats ausgebildet ist, um einen Stromflußpfad bereitzustellen, und ein oberer
und ein unterer GaN-Dünnfilm mit ähnlicher Dicke ist auf der oberen und unteren
Fläche des Saphirsubstrats entsprechend ausgebildet, so daß eine vertikale LED mit
reduzierter Dicke und aktivem Bereich bereitgestellt ist.
Die LEDs fanden breiten Einsatz bei Computerperipherie, Instrumentenanzeigen
und anderen Verbrauchsprodukten in Folge der Vorteile langer Haltbarkeit, kompakter
Größe, niedriger thermischer Energieerzeugung, niedrigen Leistungsverbrauchs und
hoher Betriebsgeschwindigkeit seit der ersten Entwicklung in den 60er Jahren.
Insbesondere erleichtert die kürzlich ausgereifte Entwicklung von LEDs mit großer
Helligkeit den Einsatz im Freien, wie beispielsweise bei Werbeanzeigetafeln,
Verkehrszeichen oder VMS. Aufgrund des Erfordernisses, daß Anzeigen im Freien auch
über größere Entfernungen einsetzbar sein müssen, ist die weitere Verbesserung der
LED-Helligkeit entscheidend für den LED-Einsatz im Freien.
Die derzeitigen, Blaulicht emittierenden Dioden besitzen im allgemeinen Saphir
oder SiC als Substrat. Das Saphirsubstrat ist gegenüber dem SiC-Substrat hinsichtlich
Helligkeit, Kontrast und elektrischer Leitfähigkeit überlegen, und wurde daher zu
einem vielversprechenden Substratmaterial.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Blaulicht emittierenden Diode mit
Saphirsubstrat. Nach dieser Figur umfaßt die blaue LED mit Saphirsubstrat mindestens
ein Saphirsubstrat 10, einen Galliumnitrid (GaN)-Dünnfilm 12 auf dem Saphirsubstrat
10, eine Epitaxieschicht 14 mit einem p-n-Übergang zum Emittieren von blauem Licht,
die auf dem GaN-Dünnfilm 12 durch Sputtern oder Dampfbeschichten gebildet ist.
Darüber hinaus ist das Saphirsubstrat 10 im wesentlichen ein elektrischer Isolator, und
eine erste Elektrode 16 (Anode) und eine zweite Elektrode 18 (Kathode) sind auf der
Oberfläche der Epitaxieschicht 14 coplanar gefertigt.
Die blaue LED mit dem oben beschriebenen Aufbau besitzt jedoch die folgenden
Nachteile:
- 1. Aufgrund der elektrischen Isolationseigenschaft des Saphirsubstrats 10 sind die Anode 16 und die Kathode 18 auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 14 coplanar gefertigt. Daher ist der durch die Elektrode bedeckte Bereich erhöht, und die blaue LED kann kaum miniaturisiert werden.
- 2. Aufgrund der elektrischen Isolationseigenschaft des Saphirsubstrats 10 tritt das Problem statischer Elektrizität eher auf und die Ausbeute wird reduziert.
- 3. Das Saphirsubstrat 10 besitzt das Problem, daß Sprünge in Folge ungleichmäßiger Zugbelastungen auftreten, die durch den GaN- Dünnfilm 12 mit der Dicke H11 (3-4 µm) während des Ausheilprozesses hervorgerufen werden. Die Dicke H1 des Saphirsubstrats 10 sollte größer als 280 µm und bei der Massenproduktion im allgemeinen größer als 300 µm sein. Das Dickenverhältnis von H1 zu H11 beträgt etwa 100 : 1, und der Chipschneideprozeß ist in Folge des großen Dickenverhältnisses schwierig.
- 4. Zur Erleichterung des Diamantritzprozesses durch ein Werkzeug mit Diamantspitze oder einen gepulsten Laserstrahl in einem späteren Zustand wird das Saphirsubstrat 10 durch ein Material mit großer Härte wie etwa Diamant auf bzw. um eine Dicke von etwa 200 µm reduziert.
- 5. Dieser Prozeß ist mühsam.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Blaulicht emittierende
Diode mit Saphirsubstrat bereitzustellen, wobei mindestens ein Kanal auf dem
Saphirsubstrat ausgebildet wird, damit es einen Stromflußpfad zwischen der oberen und
unteren Elektrode gibt, so daß eine vertikale LED mit reduziertem Operationsbereich
bereitgestellt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Blaulicht
emittierende Diode mit Saphirsubstrat bereitzustellen, wobei ein oberer und unterer
GaN-Dünnfilm mit ähnlicher Dicke auf der oberen und unteren Fläche des
Saphirsubstrats entsprechend gebildet wird, so daß die Drücke des oberen und unteren
GaN-Dünnfilms während des Ausheilens einander entgegenwirken können. Auf diese
Weise kann die Dicke des Saphirsubstrats auf etwa 150 µm oder sogar unter 100 µm
reduziert werden, wodurch Substratmaterial und die anschließende Polierarbeit
vermindert werden kann, so daß das Problem der Sprungbildung verhindert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Blaulicht
emittierende Diode mit Saphirsubstrat bereitzustellen, wobei mindestens ein Kanal in
dem Saphirsubstrat gebildet wird, um einen Stromflußpfad zu gewährleisten, damit das
Problem der statischen Elektrizität nicht auftritt und die Ausbeute der LED verbessert
wird.
Die verschiedenen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich
durch die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen besser verstehen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Blaulicht emittierenden Diode mit
Saphirsubstrat;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der LED-Struktur gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A bis 3E Querschnitte zu den Verarbeitungsschritten beim Herstellen der LED
gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer LED gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt die Querschnittsansicht der LED-Struktur gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie oben bereits dargestellt wurde, wird
der auf dem Saphirsubstrat gebildete GaN-Dünnfilm während des Ausheilprozesses
einen deutlichen Druck auf das Saphirsubstrat ausüben. Daher sollte die Dicke des
Saphirsubstrats auf eine solches Maß erhöht werden, daß dem ausgeübten Druck
widerstanden werden kann und Sprünge nicht auftreten. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein oberer GaN-Dünnfilm 222 (Dicke H3) und ein unterer GaN-
Dünnfilm 224 (Dicke H4) mit ähnlicher Dicke auf der oberen und unteren Fläche des
Saphirsubstrats entsprechend ausgebildet. Die durch den oberen GaN-Dünnfilm 222 und
den unteren GaN-Dünnfilm 224 auf das bzw. dem Saphirsubstrat 20 ausgeübten Drücke
werden während des Ausheilprozesses einander entgegenwirken. Das Saphirsubstrat 20
wird keinem hohen Gesamtdruck ausgesetzt und Sprungbildung wird verhindert. Daher
wird die Anforderung an die Dicke des Saphirsubstrats 20 gelindert. Nach
experimentellen Ergebnissen kann die Dicke des Saphirsubstrats auf 150 µm oder sogar
unter 100 µm reduziert werden, so daß Substratmaterial und die nachfolgende
Polierarbeit vermindert werden kann, während das Problem der Sprungbildung
verhindert wird.
Die Fig. 3A bis 3E zeigen Querschnitte der Verarbeitungsschritte zum Herstellen
der LED gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei diese Verarbeitungsschritte
umfassen:
Schritt 1: gemäß Fig. 3A Vorbereiten eines Saphirsubstrats 30 mit einer Dicke von
weniger als 100 µm und Bilden eine sich verjüngenden Kanals 31, der
durch das Saphirsubstrat 30 hindurchgeht, durch chemisches Ätzen oder
Photolithographie;
Schritt 2: gemäß Fig. 3B Bilden eines GaN-Dünnfilms 322 auf der Oberfläche des
Saphirsubstrats 30 durch einen epitaktischen Wachstumsprozess, wie
etwa MOVPE, wobei ein Teil des GaN-Dünnfilms 322 in den sich
verjüngenden Kanal 31 eindringt;
Schritt 3: gemäß Fig. 3C Bilden einer leitenden Schicht 326 an der Grundfläche des
Saphirsubstrats 30 durch epitaktisches Wachsen oder Sputtem, wobei die
leitende Schicht 326 aus einem nichtmetallischen Material besteht und in
den verbleibenden Bereich des sich verjüngenden Kanals 31, der nicht
durch den GaN-Dünnfilm 322 besetzt ist, eindringt, so daß der GaN-
Dünnfilm 322 die leitende Schicht 326 kontaktiert, um eine elektrische
Verbindung herzustellen;
Schritt 4: gemäß Fig. 3D Bilden einer LED-Epitaxieschicht 34 mit einem p-n-
Übergang (oder n-p-Übergang, wie in den Klammern gezeigt ist) zum
Emittieren von blauem Licht von der Oberfläche des GaN-Dünnfilms 322
durch Sputtem oder Aufdampfen; und
Schritt 5: gemäß Fig. 3E Bilden einer oberen Elektrode 36 auf der Oberfläche der
LED-Epitaxieschicht 34 und einer unteren Gegenelektrode 38
entsprechend auf der Grundfläche der leitenden Schicht 326.
Die LED-Epitaxieschicht 34, der GaN-Dünnfilm 322 und die leitende Schicht
326 bestehen alle aus elektrisch leitendem Material, so daß ein elektrisch leitender Pfad
zwischen den Elektroden 36 und 38 durch den sich verjüngenden Kanal 31 vorhanden
ist, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3E angedeutet ist. Da sich die obere
Elektrode 36 und die untere Elektrode 38 erfindungsgemäß nicht auf der gleichen Ebene
befinden, d. h. nicht coplanar sind, wird die von der Elektrode auf der Frontfläche der
LED eingenommene Fläche reduziert.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer LED gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die in
den Fig. 3C bis 3E dargestellte leitende Schicht 326 durch einen unteren GaN-Dünnfilm
324 der Dicke H4, die ähnlich oder gleich der Dicke H3 des GaN-Dünnfilms 322 ist,
ersetzt. Daher wirken die durch den GaN-Dünnfilm 322 und den unteren GaN-Dünnfilm
324 ausgeübten Drücke einander während des Ausheilprozesses entgegen, so daß das
Sprungbildungsproblem des Saphirsubstrats 30 verhindert und die Anforderung an die
Dicke des Saphirsubstrats 30 gelindert wird.
Darüber hinaus besitzt der in dem oben genannten Schritt 1 gebildete Kanal 31
einen sich verjüngenden Querschnitt, um die Bildung des GaN-Dünnfilms 322 und der
leitenden Schicht 326 in den Schritten 2 und 3 zu erleichtern. Der Kanal 31 kann jedoch
auch einen geraden Querschnitt besitzen, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen.
Es besteht dann nach wie vor ein Pfad für den elektrischen Strom innerhalb des Kanals
31, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Ferner kann die obere Elektrode 36,
die auf der LED-Epitaxieschicht 34 gebildet ist, transparent ausgebildet sein, um die
Helligkeit der LED zu erhöhen. Desweiteren kann auf die untere Elektrode 38 bei der
LED-Struktur verzichtet werden, da der untere GaN-Dünnfilm 324 und die leitende
Schicht 326 ebenfalls elektrisch leitend sind und die Funktion der unteren Elektrode 38
ersetzen können.
Auch wenn die vorliegende Erfindung nur mit Bezug auf bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf
diese Details beschränkt ist. Vielmehr sind verschiedenste Modifikationen möglich.
Beispielsweise kann eine Störstellenschicht, wie etwa eine AlGaInP-Schicht zwischen
die Epitaxieschicht und den GaN-Dünnfilm eingebaut werden, oder eine zusätzliche
Schicht etwa aus SiC, AIN, SiO2, InGaN, SnO2, AlGaInP kann auf der anderen
Dünnfilmschicht vorgesehen werden.
Claims (20)
1. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat umfassend:
eine Epitaxieschicht mit einem p-n-Übergang zum Emittieren von blauem Licht,
einen GaN-Dünnfilm, der auf der Unterseite bzw. Grundfläche der Epitaxieschicht gebildet ist,
ein Saphirsubstrat, das auf der Unterseite bzw. Grundfläche des GaN-Dünnfilms gebildet ist und mindestens einem Kanal besitzt, der durch das Saphirsubstrat hindurchgeht, so daß ein Teil des GaN-Dünnfilms in den Kanal reicht,
eine erste Elektrode, die auf der Oberseite bzw. Oberfläche der Epitaxieschicht gebildet ist, und
eine leitende Schicht, die aus einem leitendem Material besteht und auf der Unterseite bzw. Grundfläche des Saphirsubstrats gebildet ist, wobei ein Teil des leitenden Materials in den Kanal reicht und den GaN-Dünnfilm innerhalb des Kanals kontaktiert und wobei die leitende Schicht die Gegenelektrode der ersten Elektrode ist.
eine Epitaxieschicht mit einem p-n-Übergang zum Emittieren von blauem Licht,
einen GaN-Dünnfilm, der auf der Unterseite bzw. Grundfläche der Epitaxieschicht gebildet ist,
ein Saphirsubstrat, das auf der Unterseite bzw. Grundfläche des GaN-Dünnfilms gebildet ist und mindestens einem Kanal besitzt, der durch das Saphirsubstrat hindurchgeht, so daß ein Teil des GaN-Dünnfilms in den Kanal reicht,
eine erste Elektrode, die auf der Oberseite bzw. Oberfläche der Epitaxieschicht gebildet ist, und
eine leitende Schicht, die aus einem leitendem Material besteht und auf der Unterseite bzw. Grundfläche des Saphirsubstrats gebildet ist, wobei ein Teil des leitenden Materials in den Kanal reicht und den GaN-Dünnfilm innerhalb des Kanals kontaktiert und wobei die leitende Schicht die Gegenelektrode der ersten Elektrode ist.
2. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei die
leitende Schicht aus einem nichtmetallischen, leitenden Material besteht.
3. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei die
Dicke des GaN-Dünnfilms und die der leitenden Schicht ähnlich sind.
4. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei die
leitende Schicht ein unterer GaN-Dünnfilm ist.
5. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 4, wobei der
GaN-Dünnfilm und der untere GaN-Dünnfilm die gleiche Dicke besitzen.
6. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei der
Kanal ein sich verjüngender Kanal mit schräger Seitenwand ist.
7. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei der
Kanal eine gerade Seitenwand besitzt.
8. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei die
Dicke des Saphirsubstrats größer als 0 µm und nicht größer als 150 µm ist.
9. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, wobei die erste
Elektrode eine transparente Elektrode ist.
10. Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat nach Anspruch 1, mit ferner einer
zweiten Elektrode auf der Grundfläche der leitenden Schicht.
11. Verfahren zum Herstellen einer Blaulicht emittierenden Diode mit Saphirsubstrat
mit den Schritten:
- 1. Vorbereiten eines Saphirsubstrats und Ausbilden mindestens eines Kanals, der durch das Saphirsubstrat hindurchgeht,
- 2. Bilden eines GaN-Dünnfilms auf der Oberfläche des Saphirsubstrats, wobei ein Teil des GaN-Dünnfilms in den Kanal reicht,
- 3. Bilden einer leitenden Schicht, auf der Grundfläche des Saphirsubstrats, wobei die leitende Schicht aus einem leitenden Material besteht und ein Teil des leitenden Materials in den verbleibenden Bereich des Kanals, der nicht durch den GaN-Dünnfilm besetzt ist, reicht, so daß der GaN-Dünnfilm die leitende Schicht kontaktiert,
- 4. Bilden einer LED-Epitaxieschicht mit einem p-n-Übergang auf der Oberfläche des GaN-Dünnfilms, und
- 5. Bilden einer ersten Elektrode auf der Oberfläche der LED-Epitaxieschicht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kanal von Schritt (1) ein sich
verjüngender Kanal ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der GaN-Dünnfilm in Schritt (2) auf der
Oberfläche des Saphirsubstrats durch metallorganisch-chemische
Gasphasenepitaxie (MOVPE) gebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die leitende Schicht in Schritt (3) aus einem
nichtmetallischen, leitenden Material hergestellt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der in Schritt (2) gebildete GaN-Dünnfilm
und die in Schritt (3) gebildete leitende Schicht ähnliche Dicke besitzen.
16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die in Schritt (3) gebildete leitende Schicht
aus GaN hergestellt ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die in den Schritten (2) und (3) gebildeten
GaN-Dünnfilme die gleiche Dicke besitzen.
18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Dicke des in Schritt (1) gebildeten
Saphirsubstrats größer als 0 µm und nicht größer als 150 µm ist.
19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die in Schritt (5) gebildete erste Elektrode
eine transparente Elektrode ist.
20. Verfahren nach Anspruch 11 mit ferner einem sechsten Schritt zum Bilden einer
zweiten Elektrode auf der Grundfläche der leitenden Schicht, die die
Gegenelektrode der ersten Elektrode darstellt.
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