DE19945007A1 - Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit und Verfahren zur Herstellung derselben

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Abstract

Es wird eine lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Ein chemisches Ätzverfahren oder ein mechanisches Polierverfahren wird verwendet, um das GaAs-Substrat der lichtemittierenden Diode abzulösen oder zu entfernen, nachdem ein hochleitfähiges Substrat mit der Epitaxieschicht der lichtemittierenden Diode durch eine Chipverbindungstechnologie verbunden worden ist. Das hochleitfähige Substrat wird verwendet, um das GaAs-Substrat zu ersetzen. Darüber hinaus wird das zu dem leitenden Substrat emittierte Licht durch eine Verbundschicht reflektiert. Daher wird die Lichtabsorption durch das GaAs-Substrat verhindert und die Helligkeit der lichtemittierenden Diode erhöht.

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Diode (LED) mit erhöhter Helligkeit und insbesondere eine LED mit einem III-V-Verbindungssubstrat mit direktem Bandabstand, wie etwa GaAs, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Die LEDs fanden breite Anwendung bei Computerperipherie, Instrumenten­ anzeigen und anderen Verbraucherprodukten infolge der Vorteile langer Haltbarkeit, kompakter Größe, geringer thermischer Energieerzeugung, niedrigen Leistungs­ verbrauchs und hoher Betriebsgeschwindigkeit seit der ersten Entwicklung in den Sechziger Jahren. Insbesondere erleichtert die kürzlich ausgereifte Entwicklung von LEDs mit hoher Helligkeit den Einsatz im Freien, wie etwa bei Werbeanzeigetafeln, Verkehrszeichen oder VMS. Aufgrund des Erfordernisses, daß Anzeigen im Freien in großer Entfernung einsetzbar sein müssen, verbessert die weitere Erhöhung der LED- Helligkeit die Einsetzbarkeit von LEDs im Freien.
Die physikalischen Strukturen der LEDs, insbesondere die physikalischen Strukturen der LED für sichtbares Licht, sind entsprechend dem Bandabstand der verwendeten Materialien und der zu erzeugenden Farbe des Lichts unterschiedlich. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, hängt die Wahl des LED-Materials von dessen speziellem Einsatz ab. Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer LED mit direktem Bandabstand aus GaAs1-yPy mit 0 < y < 0,45, die rotes Licht emittiert. Die oben genannte LED umfaßt mindestens ein lichtundurchlässiges GaAs-Substrat 12, eine Epitaxieschicht 14 mit einem p-n-Übergang auf dem lichtundurchlässigen GaAs- Substrat 12, eine Gegen- bzw. Rückelektrode 16 und eine Frontelektrode 18, die durch Sputtern oder Aufdampfen auf der Rückseite und der Frontseite der Struktur, die aus dem lichtundurchlässigen GaAs-Substrat 12 bzw. der Epitaxieschicht 14 zusammengesetzt ist, gebildet sind. Nachdem durch die beiden Elektroden 16 und 18 elektrische Leistung eingespeist wird, werden Photonen, die in dem p-n-Übergang der Epitaxieschicht 14 erzeugt werden, in isotropischer Richtung emittiert, wie durch die Phantomlinien r1 (Lateralseitenlicht) und L1 (Frontseitenlicht) angedeutet ist. Das lichtundurchlässige GaAs-Substrat 12 unterhalb der Epitaxieschicht 14 mit dem p-n- Übergang wird jedoch die nach unten emittierten Photonen absorbieren. So wurde festgestellt, daß der Photonenverlust infolge der Absorption des lichtundurchlässigen GaAs-Substrats 12 die Helligkeit der LED um etwa die Hälfte reduziert. Zur Beseitigung dieses Problems können Störstellen in das GaAs-Substrat 12 dotiert werden oder es kann eine DBR-Struktur, wie etwa eine mit Aluminium dotierte DBR-Struktur, auf dem GaAs-Substrat 12 gebildet werden, um das Reflexionsvermögen des Substrats 12 zu erhöhen und die optischen Verluste zu mindern. Die oben erwähnten Lösungen haben jedoch nur einen begrenzten Effekt.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer LED mit indirektem Bandabstand aus GaAs1-yPy mit y < 0,45, die gelbes, oranges und grünes Licht emittiert. Die in Fig. 2 gezeigte LED umfaßt mindestens ein lichtdurchlässiges GaP-Substrat 22, eine Epitaxie­ schicht 24 mit p-n-Übergang auf dem lichtdurchlässigen GaP-Substrat 22, eine Rück­ elektrode 26 und eine Frontelektrode 28, die durch Sputtern oder Aufdampfen auf der Rückseite und der Frontseite der Struktur bestehend aus dem GaP-Substrat 22 bzw. der Epitaxieschicht 24 gebildet sind. Nach dem Einspeisen elektrischer Leistung durch die beiden Elektroden 26 und 28 werden die in dem p-n-Übergang der Epitaxieschicht 24 erzeugten Photonen ebenfalls in isotroper Richtung emittiert, wie durch die Phantom­ linien r2 (das Licht in Frontrichtung wird durch die Frontelektrode 28 blockiert) angedeutet ist. Anders als bei der aus GaAs-Substrat hergestellten LED ist das GaP- Substrat bei der obigen LED ein lichtdurchlässiges Material, so daß die Absorption von Licht in Richtung auf das Substrat (a2-Richtung) verhindert wird. Ferner wird das Licht entlang der a2-Richtung durch die Rückelektrode 26 reflektiert und erneut durch die Epitaxieschicht 24 emittiert, wodurch die Helligkeit der LED erhöht wird. Die in Fig. 2 dargestellte Struktur ist jedoch nur auf die LED mit indirektem Bandabstand anwendbar, weshalb Störstellen erforderlich sind, um Rekombinationszentren herzustellen, damit der Energieübergang durch Gitterwirkung oder andere Streuzentren erleichtert wird. Der Herstellungsprozeß ist kompliziert und mühsam. Darüber hinaus kann die vorgesehene Wellenlänge (Farbe) jeder LED unterschiedlich sein, und die in Fig. 2 gezeigte Struktur kann nicht für alle LEDs Verwendung finden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen, wobei ein chemisches Ätzverfahren oder ein mechanisches Polierverfahren zum Ablösen oder Entfernen des GaAs-Substrats verwendet wird, und ein hochleitfähiges Substrat als Ersatz für das GaAs-Substrat verwendet wird, um das Licht von der Epitaxieschicht der LED zu reflektieren, so daß die Helligkeit der LED erhöht wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer lichtemittierenden Diode mit erhöhter Helligkeit und eines Verfahrens zur Herstellung derselben, wobei ein hochleitfähiges Substrat anstelle des GaAs-Substrats verwendet wird, um den Auswahlbereich einsatzfähigen Substratmaterials zu erweitern und den Wettbewerb auf dem Markt zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer lichtemittierenden Diode mit erhöhter Helligkeit und eines Verfahrens zur Herstellung derselben, wobei ein hochleitfähiges Substrat anstelle des GaAs-Substrats verwendet wird, um für eine bessere Wärmeableitung, elektrische Leitfähigkeit und Reflexion als das GaAs- oder GaP-Substrat zu sorgen.
Die verschiedenen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer konventionellen LED mit GaAs-Substrat;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer konventionellen LED mit GaP-Substrat;
Fig. 3A bis 3F Herstellungsschritte einer LED gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer LED, die durch ein Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und deren Lichtemissionspfade; und
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer LED, die gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und deren Lichtemissions­ pfade.
Die Fig. 3A bis 3F zeigen die Herstellungsschritte einer LED mit direktem Bandabstand aus GaAs1-yPy mit 0 < y < 0,45, die rotes Licht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung emittiert.
Schritt 1: gemäß Fig. 3A Vorbereiten eines GaAs-Substrats 32 und Bilden einer Epitaxieschicht 34 über dem GaAs-Substrat 32;
Schritt 2: gemäß Fig. 3B Bilden einer leitenden Reflexionsschicht 36 auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 34, wo die Epitaxieschicht 34 nicht an das GaAs- Substrat 32 anschließt;
Schritt 3: gemäß Fig. 3C Vorbereiten eines hochleitfähigen Substrats 42 und Bilden einer leitfähigen Bindeschicht 44 auf dem hochleitfähigen Substrat 42 und daraufhin Umdrehen der in Schritt 2 gebildeten Struktur, so daß die Reflexions­ schicht 36 der leitfähigen Bindeschicht 44 gegenübersteht;
Schritt 4: gemäß Fig. 3D Verbinden der Reflexionsschicht 36 mit der leitfähigen Bindeschicht 44 mit Hilfe einer Chipverbindungstechnologie;
Schritt 5: gemäß Fig. 3E Ablösen oder Entfernen des größten Teils des Substrats 32 durch chemisches Ätzen oder mechanisches Polieren, so daß der verbleibende Abschnitt des Substrats 32 als ohmscher Kontakt für die Elektroden­ bildung verwendet werden kann, d. h. der verbleibende Abschnitt des Substrats 32 ist mit der herzustellenden Elektrode vergleichbar; und
Schritt 6: gemäß Fig. 3F Bilden einer Gegen- bzw. Rückelektrode 46 und einer Frontelektrode 48 auf der Unterseite des Substrats 42 bzw. der Oberseite des Substrats 32 durch Sputtern oder Aufdampfen.
Da das GaAs-Substrat 32 ein lichtundurchlässiges Material ist, kann das Material der Frontelektrode 48 ebenfalls lichtundurchlässiges Material sein. Auch wenn die Frontelektrode 48 lichtundurchlässig ist, wird die Helligkeit der LED dadurch nicht beeinflußt. Des weiteren kann das Material der Bindeschicht 44 und der Reflexions­ schicht 36 das gleiche oder ein anderes sein. In dem vorhergehenden Fall bilden die Bindeschicht 44 und die Reflexionsschicht 36 zusammen eine Verbundschicht. Andern­ falls sollte das Reflexionsvermögen der Reflexionsschicht 36 in Betracht gezogen werden.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt, der durch den erfindungsgemäßen Prozeß hergestellten LED und deren Lichtemissionspfade. Wie in dieser Figur gezeigt ist, umfaßt die LED gemäß der Erfindung eine Epitaxieschicht 34 mit einem p-n-Übergang, eine Verbundschicht 40 einschließlich einer Bindeschicht und einer Reflexionsschicht zur Erleichterung der Reflexion des von der Epitaxieschicht 34 emittierten Lichts, ein leitendes Substrat 42, eine Rückelektrode 46 auf der Unterseite des Substrats 42, ein GaAs-Substrat 32 und eine Frontelektrode 48 auf der Oberseite der Epitaxieschicht 34. Das Substrat 32 und die Frontelektrode 48 besitzen vorzugsweise einen kleineren Quer­ schnittsbereich als die Epitaxieschicht 34, um das Blockadeproblem des von der Epitaxieschicht 34 emittierten Lichts zu minimieren. Zum Zwecke der vereinfachten Herstellung kann jedoch die Fläche der Frontelektrode 48 die gleiche sein wie die der Epitaxieschicht 34. In diesem Fall besteht das meiste nützliche Licht aus Lateralseitenlicht (r4) und reflektiertem Licht (a4). Im Detail wird das von dem p-n- Übergang der Epitaxieschicht 34 nach unten emittierte Licht durch die Verbundschicht 40 reflektiert und in die Epitaxieschicht 34 zur Emission zurückgeschickt, wodurch die Helligkeit erhöht wird. Mit anderen Worten, die LED gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die Helligkeit wie eine LED aus GaP, während sie die Fähigkeit, rotes Licht zu emittieren, beibehält.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer LED, die durch das Verfahren gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und deren Lichtemissionspfade. Zur Erhöhung der Helligkeit der LED wird das chemische Ätzen oder mechanische Polieren in Schritt S bis zur gesamten Entfernung des Substrats 32 durchgeführt. Danach wird eine transparente Elektrode 50 aus einem Material der Gruppe von Zinkoxid, Indiumoxid, Zinnoxid oder ITO (Indium-Zinnoxid) durch Sputtern oder Aufdampfen auf der Epitaxieschicht 34 gebildet. Auf diese Weise kann das Frontseitenlicht L5 zu der transparenten Elektrode 50 und das Lateralseitenlicht r5 ohne weiteres gemäß der vorliegenden Erfindung aus der LED emittiert werden. Ferner kann in Anbetracht des reflektierten Lichts a5 die Helligkeit der LED stark erhöht werden. Hierzu ist anzumerken, daß die aus lichtundurchlässigem Material gefertigte Elektrode auch für die erfindungsgemäße LED verwendet werden könnte. Darüber hinaus kann das leitende Substrat 42 die gleiche Funktion wahrnehmen wie die Rück­ elektrode 46. Daher können mehrere leitende Substrate anstelle des ursprünglichen GaAs-Substrats verwendet werden, um die Wärmeableitung, die elektrische Leitung und das Reflexionsvermögen zu verbessern.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungs­ formen beschrieben wurde, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die entsprechenden Details beschränkt ist. Vielmehr sind verschiedenste Modifikationen möglich. Beispielsweise kann eine Störstellenschicht, wie etwa eine AlGaInP-Schicht, zwischen die Epitaxieschicht und die Verbundschicht eingefügt werden.

Claims (24)

1. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit, umfassend:
eine Epitaxieschicht mit einem lichtemittierenden p-n-Übergang zur Lichtemission,
eine Verbundschicht, die mit der Unterseite bzw. Grundfläche der Epitaxieschicht verbunden ist und zum Reflektieren des Lichts, das von der Epitaxieschicht zu der Verbundschicht emittiert wird, verwendet wird, so daß das Licht von der Epitaxieschicht nach außen re-emittiert wird,
ein leitendes Substrat, das an der Unterseite bzw. Grundfläche der Verbundschicht gebildet ist,
eine Gegenelektrode, die an der Unterseite des Substrats gebildet ist, und
eine Frontelektrode, die auf der Oberseite der Epitaxieschicht gebildet ist, so daß ein geschlossener Schaltkreis mit der Gegenelektrode gebildet ist.
2. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 1, wobei die Epitaxieschicht aus einem III-V-Verbindungshalbleiter mit direktem Bandabstand besteht.
3. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 1, wobei die Front­ elektrode eine transparente Elektrode aus einem transparenten und leitenden Material ist.
4. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 3, wobei die Front­ elektrode aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe von Zinkoxid, Indiumoxid, Zinnoxid und ITO (Indium-Zinnoxid) hergestellt ist.
5. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 1, mit ferner einem GaAs-Substrat zwischen der Epitaxieschicht und der Frontelektrode.
6. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 5, wobei die Querschnittsfläche des GaAs-Substrats und der Frontelektrode kleiner als die der Epitaxieschicht ist.
7. Lichtemittierende Elektrode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 1, wobei die Verbundschicht eine Bindeschicht und eine Reflexionsschicht umfaßt.
8. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 7, wobei die Bindeschicht und die Reflexionsschicht aus unterschiedlichen leitenden Materialien gefertigt sind.
9. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 7, wobei die Bindeschicht und die Reflexionsschicht aus dem gleichen leitfähigen Material gefertigt sind.
10. Lichtemittierende Diode mit erhöhter Helligkeit nach Anspruch 1, wobei das leitende Substrat mit der Gegenelektrode kombiniert ist.
11. Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Diode mit erhöhter Helligkeit mit den Schritten:
  • 1. Vorbereiten eines GaAs-Substrats und Bilden einer Epitaxieschicht mit einem p-n-Übergang auf der Oberfläche des GaAs-Substrats,
  • 2. Bilden einer leitenden Reflexionsschicht auf der Oberfläche der Epitaxie­ schicht,
  • 3. Vorbereiten eines leitenden Substrats und Bilden einer leitenden Bindeschicht auf dem leitenden Substrat und anschließendes Umdrehen der in Schritt 2 gebildeten GaAs-Struktur, so daß die Reflexionsschicht der leitfähigen Binde­ schicht gegenübersteht,
  • 4. Verbinden der Reflexionsschicht mit der leitfähigen Bindeschicht mit Hilfe einer Chipverbindungstechnologie,
  • 5. selektives Entfernen des größten Teils des GaAs-Substrats, und
  • 6. Bilden einer Elektrode auf der Unterseite des leitenden Substrats und der anderen Oberfläche des verbleibenden Abschnitts des GaAs-Substrats, wo die andere Oberfläche des GaAs-Substrats entsprechend nicht an die Epitaxie­ schicht stößt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Epitaxieschicht aus einem III-V- Verbindungshalbleiter mit direktem Bandabstand gefertigt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt (5) zum selektiven Entfernen des GaAs-Substrats ein chemischer Ätzschritt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt (5) zum selektiven Entfernen des GaAs-Substrats ein mechanischer Polierschritt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei nur eine Elektrode auf der Oberseite des verbleibenden Abschnitts des GaAs-Substrats in Schritt (6) gebildet wird, und das leitende Substrat als andere Elektrode dient.
16. Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Diode mit erhöhter Helligkeit mit den Schritten:
  • 1. Vorbereiten eines GaAs-Substrats und Bilden einer Epitaxieschicht mit einem p-n-Übergang auf der Oberfläche des GaAs-Substrats,
  • 2. Bilden einer leitfähigen Reflexionsschicht auf der Oberfläche der Epitaxieschicht,
  • 3. Vorbereiten eines leitenden Substrats und Bilden einer leitenden Bindeschicht auf dem leitenden Substrat und anschließendes Umdrehen der in Schritt 2 gebildeten GaAs-Struktur, so daß die Reflexionsschicht der leitenden Binde­ schicht gegenübersteht,
  • 4. Verbinden der Reflexionsschicht mit der leitenden Bindeschicht mit Hilfe einer Chipverbindungstechnologie,
  • 5. Entfernen des gesamten GaAs-Substrats, und
  • 6. Bilden einer Elektrode auf der Unterseite des leitenden Substrats und der anderen Oberfläche der Epitaxieschicht, wo die andere Oberfläche der Epitaxieschicht entsprechend nicht an die leitende Reflexionsschicht stößt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Epitaxieschicht aus einem III-V- Verbindungshalbleiter mit direktem Bandabstand gefertigt ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt (5) zum selektiven Entfernen des GaAs-Substrats ein chemischer Ätzschritt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt (5) zum selektiven Entfernen des GaAs-Substrats ein mechanischer Polierschritt ist.
20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die in Schritt (6) auf der Epitaxieschicht gebildete Elektrode eine transparente Elektrode ist.
21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Elektrode in Schritt (6) durch Sputtern gebildet werden kann.
22. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Elektrode in Schritt (6) durch Aufdampfen gebildet werden kann.
23. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Elektrode in Schritt (6) aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe von Zinkoxid, Indiumoxid, Zinnoxid und ITO (Indium- Zinnoxid) gefertigt ist.
24. Verfahren nach Anspruch 16, wobei nur eine Elektrode auf der Oberseite des verbleibenden Abschnitts der Epitaxieschicht in Schritt (6) gebildet wird und das leitende Substrat als andere Elektrode dient.
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