DE4011145A1 - Lumineszenz-halbleiterelement - Google Patents

Lumineszenz-halbleiterelement

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    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate

Description

Bei der Herstellung von Lumineszenz-Halbleiterelementen oder Leuchtdioden-Chips (LED-Chips) werden auf einem Halbleitersubstrat mehrere Epitaxieschichten - eine Pufferschicht, mehrere Übergangsschichten, eine Anpaß­ schicht (overgraded-Schicht) sowie eine konstante Schicht - beispielsweise mittels der Dampfphasenepi­ taxie (VPE) abgeschieden, die aktive lichtemittierende Schicht eindiffundiert, das Halbleitersubstrat bis auf ein Restsubstrat abgeschliffen, auf die aktive Schicht ein Vorderseitenkontakt und auf das Restsubstrat ein Rückseitenkontakt aufgebracht.
Bei einem derartigen LED-Chip absorbiert jedoch das nicht-transparente - beispielsweise 120-220 µm dicke - Restsubstrat die von der aktiven Schicht in Richtung Rückseitenkontakt emittierte Strahlung, so daß nur die in Richtung Vorderseitenkontakt emittierte Strahlung zur Lichtausbeute bzw. zur Gesamtstrahlung des LED-Chips beiträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbes­ sertes LED-Chip anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 erfüllt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Figur besteht das fertige LED-Chip nach der Erfindung nur aus epitaxial aufgewachsenen Verbindungs­ halbleiterschichten 1, 2 und 3; der Rückseitenkontakt 6 wird auf die dicke Übergangsschicht 1 aufgebracht. Restsubstrat 10 sowie die weiteren Übergangsschichten 12 sind nicht mehr vorhanden.
Die in Richtung der transparenten Übergangsschicht 1 emittierte Strahlung 14 wird am Rückseitenkontakt 6 reflektiert und trägt somit zur Gesamtstrahlung 13 des LED-Chips bei, wodurch zum einen Lichtausbeute und Hel­ ligkeit des Bauelements erhöht werden und zum andern die Ausfallrate reduziert wird. Des weiteren können beim fertigen LED-Chip - falls erforderlich - Dotier­ stoffe in die Übergangsschicht 1 regulierbar eingebaut werden, was bei einem konventionellen LED-Chip mit Restsubstrat nicht möglich ist.
Außerdem sind die Bauelemente weniger bruchanfällig, da die Gesamtschichtdicke bis zum Abtragen des Substrats und der Übergangsschichten wesentlich größer ist.
Die Dicke der Übergangsschicht wird nach montagetechni­ schen Gesichtspunkten gewählt; die Zusammensetzung der Übergangsschicht 1 wird so gewählt, daß sie sich von derjenigen der konstanten Schicht unterscheidet.
Das erfindungsgemäße LED-Chip sowie dessen Herstel­ lungsverfahren soll nachstehend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles - einer rot-emittierenden ternären Gal­ lium-Arsenid-Phosphid-LED - beschrieben werden.
Auf ein nicht-transparentes, beispielsweise 350- 400 µm dickes Gallium-Arsenid(GaAs)-Substrat 10 werden mittels des VPE-Verfahrens eine 3-6 µm dicke GaAs-Pufferschicht 11 und mehrere Gallium-Arsenid-Phos­ phid(GaAsxP1-x)-Übergangsschichten 12, 1 abgeschieden.
In den Übergangsschichten 12, 1 wird die Phos­ phor-Konzentration langsam stufenweise erhöht - d. h. der Wert von x erniedrigt -, um von dem reinen GaAs-Substrat 10 bzw. der GaAs-Pufferschicht 11 zu der konstanten Schicht 3 mit der Zusammensetzung GaAs0,6P0,4 zu gelangen, die aufgrund der gewünschten Rot-Emission der LED vorgegeben ist. Die letzte Über­ gangsschicht 1 besitzt einen höheren Phosphoranteil (beispielsweise GaAs0,52P0,48) als die konstante Schicht 3, damit mittels der Anpaßschicht 2 (over­ graded-Schicht), die zum Ausgleich der Scheiben­ verwölbung dient, die Schichtzusammensetzung wieder an diejenige der konstanten Schicht 3 (GaAs0,6P0,4) ange­ paßt werden kann. Die Übergangsschichten 12 sind - ohne die letzte Übergangsschicht 1 - zusammen beispielsweise 20-40 µm dick, während die transparente letzte Über­ gangsschicht 1 bis zu einer Dicke von beispielsweise 240 µm aufgewachsen wird. Die Dicke der over­ graded-Schicht 2 ist von der Scheibenverwölbung ab­ hängig und beträgt beispielsweise 2-10 µm.
Anschließend wird die konstante Schicht 3 mit der durch die Farbe der Rot-LED vorgegebenen Zusammensetzung GaAs0,6P0,4 - beispielsweise mit einer Dicke von 20- 60 µm - abgeschieden.
In die Oberfläche der konstanten Schicht 3 - die bei­ spielsweise N-Leitfähigkeit besitzt - wird durch Diffu­ sion kontradotierender Elemente, beispielsweise Zn, die aktive Schicht 4 bzw. ein PN-Übergang 5 erzeugt.
Anschließend wird der Vorderseitenkontakt 7 - beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung - mit­ tels photolithographischer Prozesse aufgebracht, durch Schleifen und Polieren der Rückseite das GaAs-Substrat 10, die GaAs-Pufferschicht 11 und die Übergangsschich­ ten 12 bis zur obersten Übergangsschicht 1 abgetragen und der Rückseitenkontakt 6 auf die letzte Übergangs­ schicht 1 aufgebracht.
Mit einem derartigen LED-Chip konnte gegenüber konven­ tionellen Bauelementen eine beträchtliche Steigerung der Lichtausbeute erreicht werden. Beispielsweise wurde bei Verwendung eines speziellen, gut reflektierenden Rückseitenkontakts aus AuGe-Ag-Au-Material eine Erhö­ hung der Lichtausbeute von 27% erzielt.
Gemäß der Erfindung können auch LEDs mit anderen Mate­ rialzusammensetzungen aus Verbindungshalbleitermaterial hergestellt werden, beispielsweise GaAs0,35P0,65-LEDs für die Emission im orangenen Spektralbereich.

Claims (9)

1. Lumineszenz-Halbleiterelement, bestehend aus:
  • a) einer ersten dicken Verbindungshalbleiterschicht (1) mit einheitlicher Materialzusammensetzung,
  • b) einer auf der ersten Halbleiterschicht (1) ange­ ordneten dünnen Anpaßschicht (2) aus Verbindungs­ halbleitermaterial, deren Zusammensetzung einen linearen Gradienten aufweist,
  • c) einer weiteren, auf der Anpaßschicht (2) angeord­ neten Verbindungshalbleiterschicht (3) mit ein­ heitlicher Materialzusammensetzung, die die Wel­ lenlänge der vom Lumineszenz-Halbleiterelement emittierten Strahlung bestimmt,
  • d) einer aktiven Schicht (4), die im Oberflächenbe­ reich der weiteren Halbleiterschicht (3) angeord­ net ist und die zur Bildung eines PN-Übergangs (5) eine zur weiteren Halbleiterschicht (3) entgegen­ gesetzte Leitfähigkeit aufweist,
  • e) einem auf der ersten Verbindungshalbleiterschicht (1) angeordneten Rückseitenkontakt (6)
  • f) und einem auf der Oberfläche der aktiven Schicht (4) angeordneten Vorderseitenkontakt (7).
2. Lumineszenz-Halbleiterelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Materialzusammensetzung der ersten Verbindungshalbleiterschicht (1) sich von derjenigen der weiteren Halbleiterschicht (3) unter­ scheidet, und daß die Zusammensetzung der Anpaßschicht (2) an ihren beiden Oberflächen (8 bzw. 9) gerade der­ jenigen der angrenzenden Verbindungshalbleiterschicht (1 bzw. 3) entspricht.
3. Lumineszenz-Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbindungs­ halbleiterschicht (1) eine Dicke von mindestens 240 µm, die Anpaßschicht (2) eine Dicke von 2 µm bis 10 µm, die weitere Halbleiterschicht (3) eine Dicke von 20 µm bis 60 µm und die aktive Schicht (4) eine Dicke von 1 µm bis 5 µm aufweist.
4. Lumineszenz-Halbleiterelement nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin­ dungshalbleitermaterial eine ternäre III-V-Verbindung ist.
5. Lumineszenz-Halbleiterelement nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die ternäre III-V-Verbindung Gallium-Arsenid-Phosphid der Zusammensetzung GaAsxP1-x ist, wobei in der ersten Halbleiterschicht (1) x=0,52, in der weiteren Halbleiterschicht (3) x=0,6 gewählt wird und daß in der Anpaßschicht (2) der Wert für x von 0,55 auf 0,6 geändert wird.
6. Lumineszenz-Halbleiterelement nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Halbleiterschicht (3) N-Leitfähigkeit bei einer Dotie­ rungskonzentration von 1017 cm-3 besitzt, und daß die aktive Schicht (4) P-Leitfähigkeit bei einer Dotie­ rungskonzentration von ca. 1018 cm-3 aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Lumineszenz-Halblei­ terelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat (10) aus binärem III-V-Verbindungshalbleitermaterial eine Pufferschicht (11) mit der gleichen Zusammensetzung wie das Halbleitersubstrat (10) und mehrere Übergangs­ schichten (12, 1) aus ternärem III-V-Verbindungshalbleitermaterial epitaxial aufge­ wachsen werden, wobei die Zusammensetzung der Über­ gangsschichten (12, 1) variiert wird, daß die letzte Übergangsschicht (1) so lange aufgewachsen wird, bis ihre Dicke in etwa das gewünschte Maß des fertigen Bau­ elements erreicht hat, und daß auf die letzte Über­ gangsschicht (1) die Anpaßschicht (2) und eine kon­ stante Schicht (3) aufgewachsen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die konstante Schicht (3) die aktive Schicht (4) eindiffundiert wird, daß das Substrat (10), die Puffer­ schicht (11) und alle Übergangsschichten (12) bis zur letzten Übergangsschicht (1) abgetragen werden, und daß auf die letzte Übergangsschicht (1) der Rückseitenkon­ takt (6) und auf die aktive Schicht (4) der Vordersei­ tenkontakt (7) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiterschichten (11, 12, 1, 2, 3) mittels des Dampfphasen-Epitaxieverfahrens (VPE-Verfah­ rens) aufgewachsen werden.
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