DE4231007A1 - Lumineszenzdiode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Lumineszenzdioden sind Halbleiterdioden, die bei Stromfluß in Durchlaßrichtung Strahlung emittieren. Infrarotstrahlung emittierende Dioden (IRED) werden bekanntlich beispielsweise aus GaAs oder GaAlAs hergestellt und emittieren im nahen Infrarot zwischen 800nm und 950nm. Auch bei den (sichtbares) Licht emittierenden Dioden (LED) erfolgt die Strahlungser­ zeugung durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren. Als Halbleitersubstrat wird beispielsweise GaP, das für sicht­ bares Licht transparent ist, verwendet. Die aktiven Zonen bestehen je nach Wellenlänge z. B. aus GaAsP, GaP oder GaAlAs. Die für die Strahlungserzeugung geeignete Schichten­ folge mit unterschiedlicher Dotierung zum Erzeugen des strahlungsaktiven pn-Übergangs wird auf das Halbleitersub­ strat vorzugsweise epitaktisch aufgebracht. Die Lumines­ zenzdioden werden dabei zweckmäßig im Scheibenverband her­ gestellt und nach Fertigstellung in Form von quaderförmigen Einzelchips aus dem Scheibenverband (Wafer) vereinzelt.

Bei LED- bzw. IRED-Chips ist man bestrebt, möglichst viel Strahlung aus dem Halbleiterkristall zu bekommen, d. h. den Wirkungsgrad, der das Verhältnis von erhaltener Strahlung zu eingeprägtem Strom darstellt, zu steigern.

Bei Chips mit für Strahlung der gewünschten Wellenlänge transparentem Substrat, wie GaAs, GaP, GaAlAs, tritt Licht bzw. Infrarotstrahlung aus den Seitenflächen des Chips und nicht nur nach oben in Richtung der Vorderseite des Chips aus. Die Seitenflächen tragen aufgrund der geometrischen Fläche stark zur Lichtauskopplung bei. Bei Annahme einer Würfelform des Chips, bei transparentem Material und bei isotroper Strahlungsverteilung ist das Verhältnis Seiten­ fläche zu Vorderfläche wie 4 zu (1-A), wobei A die Fläche des absorbierenden Vorderseitenkontakts darstellt. Im sel­ ben Verhältnis erfolgt auch der Lichtaustritt, wobei die Rückseite zur Befestigung des Chips dient und in der Be­ trachtung vernachlässigt wird. Das seitlich austretende Licht kann durch das Gehäusedesign, z. B. mit Reflektoren, genutzt werden.

Der Austritt der Strahlung aus dem Chip wird bekanntlich durch Reflexion am Übergang Halbleiter zu Luft bzw. Epoxy, sofern eine solche Einhüllung vorgesehen ist, gemindert. Die Reflexion beträgt rechnerisch 30% bzw. 15%, bei Bre­ chungsindizes für GaAs von 3,5 und für Luft von 1,0 bzw. für Epoxy von 1,5.

Eine angestrebte gute Auskopplung der Strahlung aus den Seitenflächen von Lumineszenzdioden-Chips wurde bisher durch eine Reduzierung der Absorption erreicht, die durch das Trennen der Scheiben (Wafer) in Einzelchips entstehen kann. Beim Trennschleifen wurde daher ein anschließendes Glattätzen, eine sogenannte Damage-Ätze vorgenommen. Bei einer anderen bekannten Methode werden die Chips aus den Scheiben durch Ritzen und Brechen vereinzelt. Dieser Vor­ gang ist von vornherein damagefrei.

Eine Reduzierung der Reflexion bzw. Steigerung der Auskopp­ lung mit reflexionsmindernden λ/4-Schichten, wie sie in der Optik an sich bekannt sind, gelang bisher aus Prozeßablauf­ gründen allerdings nur an der oberen Chipfläche und nicht an den Chipseitenflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Lumi­ neszenzdiode der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad durch Verbesserung der seitlichen Auskopplung der in der Diode erzeugten Strahlung zu erhöhen und ein Verfahren an­ zugeben, das die Herstellung einer solchen Diode ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß mindestens die Hälfte, vorzugsweise minde­ stens zwei Drittel der Seitenflächen der Lumineszenzdiode zusätzlich zu der zweckmäßig auch vergüteten Vorderseite mit einer optischen Vergütung versehen sind, und zwar in dem in­ teressanten oberen Bereich des Chips, da Strahlung bei den meisten Designs aufgrund der Lage des pn-Übergangs als ak­ tive Schicht dort entsteht, und das untere Drittel bzw. der untere Teilbereich der Chips bei der Montage mit absorbie­ rendem Kleber bedeckt ist. Zudem sind mit dem Verfahren zum Herstellen der Diode die Prozeßabläufe so gestaltet, daß ermöglicht wird, auf die Seitenflächen einer Vielzahl von Chips gleichzeitig Schichten aufzubringen, die die Aus­ kopplung des Lichtes bzw. der Strahlung an den Seitenflä­ chen der Chips durch Minimierung der Reflexion steigern. Von besonderem Vorteil bei dem Prozeßablauf ist ein freies Handling von angesägten Scheiben bei einem PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)-Prozeß. Hinzu kommt, daß bei einer Si₃N₄-Beschichtung mit Lackabdeckung ein PECVD-Verfahren bei relativ niedriger Temperatur durch­ führbar ist.

In der Praxis zeigen beispielsweise GaAs-Chips mit einer Siliziumnitrid-Vergütung der Seitenflächen bei einer Emis­ sionswellenlänge von λ = 950nm eine Erhöhung der Strahlungs­ leistung von 16% gegen Luft.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lumineszenzdiode schematisch im Schnitt und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Ver­ fahrensschritte zum Herstellen der Lumineszenzdiode.

Die in Fig. 1 dargestellte Lumineszenzdiode besteht aus ei­ nem quaderförmigen Chip 1 aus transparentem Halbleitermate­ rial, vorzugsweise Verbindungshalbleitermaterial. Der Chip 1 weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete, vorzugswei­ se epitaktisch auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Schichtenfolge auf, die insbesondere zum Bilden des pn- Übergangs 2 als strahlungserzeugenden Bereich des Chips 1 dient und entsprechend dotiert ist. Der Chip 1 besitzt eine partiell mit einer Kontaktierung 6 versehene Vorderseite 3, deren übriger Oberflächenbereich als Strahlungs- bzw. Lichtaustrittsfläche zweckmäßig mit einer optischen Ver­ gütung 5 beschichtet ist, die beispielsweise aus Silizium­ nitrid besteht und als an sich bekannte λ/4-Schicht ausge­ bildet ist. Die metallisierte, zweckmäßig partiell mit einer Metallisierung 7 versehene Rückseite 4 des Chips 1 dient als Kontakt und Befestigungsteil für ein geeignetes, nicht dargestelltes Gehäuse oder Sockelelement. Die vier nahezu planen Seitenflächen 8 des quaderförmigen Chips 1 sind von der Vorderseite 3 her mindestens zur Hälfte, vorzugsweise mindestens zu zwei Dritteln mit einer reflexionsmindernden Schicht 9 bedeckt. Die reflexionsmindernde Schicht ist zweckmäßig eine λ/4-Schicht und besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Es kann aber auch vorteilhaft sein, als reflexionsmindernde Schicht 9 eine Metalloxidschicht auf die Seitenflächen 8 aufzubringen. Das Metalloxid wird da­ bei zweckmäßig in Verbindung mit einem geeigneten Lösungs­ mittel auf die Seitenflächen 8 durch Aufsprühen oder durch Tauchen aufgebracht. Geeignete Metalloxide sind z. B. Al₂O₃ oder TiO₂ mit einem Brechungsindex n = 1,5.

Der Prozeßablauf bei der Chipherstellung, der in Fig. 2 dar­ gestellt ist, wird so gestaltet, daß eine Abscheidung einer reflexionsmindernden λ/4-Schicht 9 auf den Seiten­ flächen 8 des Chips 1 möglich wird.

Die Vorderseite 3 der Scheibe bzw. der einen pn-Übergang 2 aufweisenden Chips 1 wird einschließlich der optischen Ver­ gütung 5 und Kontaktierung 6 auf herkömmliche Weise herge­ stellt. Auch die Fertigstellung der Rückseiten 4 der Chips 1 mit den Kontaktierungen 6 sowie die erforderlichen Temper­ prozesse werden im Scheibenverband auf an sich bekannte Wei­ se durchgeführt. Gemäß Fig. 2a wird dann die Vorderseite 3 mit einer Lack- oder Polyimidschicht 10 beschichtet. Danach er­ folgt gemäß Fig. 2b ein Ansägen der Scheibe bis zu einer Tie­ fe von mindestens der Hälfte, vorzugsweise von mindestens zwei Dritteln der Scheibendicke. Die Säge- bzw. Trennspuren 11 bilden dabei ein matrix- bzw. schachbrettartiges Raster, das zwischen den auf der Scheibe erzeugten einzelnen Chips 1 verläuft. Anschließend werden die Flanken der Trennspuren 11 einem Damage-Ätzprozeß unterzogen, so daß die nahezu pla­ nen Seitenflächen 8 der Chips 1 gebildet werden. In einem weiteren Schritt (Fig. 2c) erfolgt das Beschichten der Sei­ tenflächen 8 mit einer reflexionsmindernden Schicht 9. Als reflexionsmindernde Schicht 9 wird vorzugsweise eine Si₃N₄- Schicht mit einem Brechungsindex von 2,0 zweckmäßig in einer Dicke von λ/4 auf die Seitenflächen 8 aufgebracht. Zum Aufbringen der Siliziumnitridschicht 9 wird mit besonderem Vorteil ein PECVD-Verfahren mit einer niedrigen Temperatur, die weniger als 200°C beträgt, angewendet, damit der Vorder­ seitenlack nicht verbrannt wird und rückstandsfrei entfernt werden kann. Bei der Verwendung von Polyimid können auch höhere Temperaturen gewählt werden. Der angewandte Druck sollte möglichst hoch (z. B. 1 mbar) sein, um die mittlere freie Stoßlänge der Gasmoleküle zu reduzieren und eine ho­ he Abscheiderate an den Seitenflächen der Chips 1 zu erzielen.

Als Alternative zu dem Si₃N₄-Beschichten kann es zweckmäßig sein, die Seitenflächen 8 durch Tauchen oder Aufsprühen von Metalloxid in Lösungsmitteln wie z. B. Al₂O₃ oder TiO₃ mit Brechungsindex n = 1,5 zu beschichten.

In dem in Fig. 2d gezeigten folgenden Schritt wird die Lack- bzw. Polyimidschicht 10 z. B. mit sogenannten Strip­ pern entfernt. Damit wird auch die überflüssige Beschich­ tung 9 auf der Lack- bzw. Polyimidschicht 10 beseitigt. Schließlich erfolgt das Vereinzeln (Fig. 2e) der Chips 1 aus dem Scheibenverband. Zweckmäßig wird die Scheibe hier­ zu in Höhe der Trennspuren 11 von der Rückseite 4 her an­ geritzt und die Chips 1 dann durch Brechen vereinzelt.

Claims (10)

1. Lumineszenzdiode aus einem mit einer zur Strahlungs­ erzeugung geeigneten Schichten folge versehenen, quaderför­ migen Chip aus transparentem Halbleitermaterial, der eine kontaktierte Vorderseite, einte metallisierte Rückseite als Kontakt- und Befestigungsteil sowie nahezu plane Seitenflä­ chen aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß die planen Seitenflächen (8) von der Vorder­ seite (3) her bis mindestens zur Hälfte mit einer refle­ xionsmindernden Schicht (9) bedeckt sind.

2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planen Seitenflächen (8) von der Vorderseite (3) her mindestens zu zwei Dritteln mit einer reflexionsmindernden Schicht (9) bedeckt sind.

3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die kontaktierte Vorderseite (3) mit einer optischen Vergütung (5) versehen ist.

4. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) eine λ/4-Schicht ist.

5. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Halbleitermaterial ein Verbindungshalbleiter­ material ist.

6. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) aus Siliziumnitrid besteht.

7. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) eine Metalloxidschicht ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Lumineszenz­ dioden nach einem der Anspruche 1 bis 7 im Scheibenverband, mit bereits kontaktierten Vorderseiten und metallisierten Rückseiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseitenscheibenfläche (3) mit einer Lack- oder Polyimidschicht (10) versehen wird, daß die Scheibe matrixförmig zwischen den einzelnen Chips (1) bis zu einer Tiefe von mindestens der Hälfte der Scheibendicke angesägt wird, daß die Flanken der Trennspuren (11) glattgeätzt werden, so daß nahezu plane Seitenflächen (8) gebildet werden, daß die Seitenflächen (8) mit einer reflexions­ mindernden Schicht (9) bedeckt werden, daß die Lack- oder Polyimidschicht (10) entfernt wird, und daß die Scheibe von der Rückseite (4) her in Höhe der Trennspuren (11) geritzt und die Chips (1) vereinzelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenflächen (8) in einem PECVD-Verfahren mit einer Siliziumnitridschicht als refle­ xionsmindernde Schicht (9) in einer Schichtdicke von λ/4 versehen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenflächen (8) durch Tauchen oder Aufsprühen mit einem Metalloxid beschichtet werden.