DE19945005A1 - Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Blaulicht emittierende Diode mit Saphirsubstrat und ein Verfahren zur Herstellung derselben

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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.
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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