DE4231007C2 - Verfahren zum Herstellen von Lumineszenzdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Lumineszenzdioden-Chips aus einer mit einer zur Strah­ lungserzeugung geeigneten Schichtenfolge versehenen Halblei­ terscheibe.

Lumineszenzdioden sind Halbleiterdioden, die bei Stromfluß in Durchlaßrichtung Strahlung emittieren. Infrarotstrahlung emittierende Dioden (IRED) werden beispielsweise aus GaAs oder GaAlAs hergestellt und emittieren im nahen In­ frarot zwischen 800 nm und 950 nm. Auch bei den (sichtbares) Licht emittierenden Dioden (LED) erfolgt die Strahlungserzeu­ gung durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren. Als Halb­ leitersubstrat wird beispielsweise GaP, das für sichtbares Licht transparent ist, verwendet. Die aktiven Zonen bestehen je nach Wellenlänge z. B. aus GaAsP, GaP oder GaAlAs. Die für die Strahlungserzeugung geeignete Schichtenfolge mit unter­ schiedlicher Dotierung zum Erzeugen des strahlungsaktiven pn- Übergangs wird auf das Halbleitersubstrat vorzugsweise epi­ taktisch aufgebracht. Die Lumineszenzdioden werden dabei zweckmäßig im Scheibenverband hergestellt und nach Fertig­ stellung 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 Flä­ che stark zur Lichtauskopplung. Bei Annahme einer Würfel­ form des Chips, bei transparentem Material und bei isotroper Strahlungsverteilung ist das Verhältnis Seitenfläche zu Vor­ derfläche wie 4 zu (1-A), wobei A die Fläche des absorbieren­ den Vorderseitenkontakts darstellt. Im selben Verhältnis er­ folgt auch der Chips dient und in der Betrachtung vernachlässigt wird. Das seitlich austretende Licht kann durch das Gehäuse­ design, z. B. mit Reflektoren, genutzt werden.

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

Eine verbesserte Auskopplung der Strahlung aus den Seitenflä­ chen von Lumineszenzdioden-Chips kann durch eine Reduzierung der Absorption erreicht werden, die durch das Trennen der Scheiben (Wafer) in Einzelchips entsteht. Beim Trennschleifen wird dazu ein anschließendes Glattätzen, eine sogenannte Da­ mage-Ätze vorgenommen. Bei einer anderen bekannte Methode werden die Chips aus den Scheiben durch Ritzen und Brechen vereinzelt. Dieser Vorgang ist von vornherein damagefrei.

Eine weitere Verbesserung der Auskopplung erzielt man bei Lu­ mineszendioden mit Antireflexbeschichtungen auf der Chipsei­ tenfläche, wie dies beispielsweise aus der US 4,766,470 und der EP 0 321 087 A1 bekannt ist. Die Schichtdicke wird übli­ cherweise so gewählt, daß sich eine λ/-Schicht ausbildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, das die Herstellung von Lumineszenzdioden ermöglicht, deren Wirkungsgrad durch Verbesserung der seitlichen Auskopp­ lung der in der Diode erzeugten Strahlung erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

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

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß mindestens die Hälfte, vorzugsweise mindestens zwei Drittel der Seitenflächen der Lumineszenzdiode zusätz­ lich zu der zweckmäßig auch vergüteten Vorderseite mit einer optischen Vergütung versehen sind, und zwar in dem interes­ santen oberen Bereich des Chips, da Strahlung bei den meisten Designs aufgrund der Lage des pn-Übergangs als aktive Schicht dort entsteht, und das untere Drittel bzw. der untere Teilbe­ reich der Chips bei der Montage mit absorbierendem Kleber be­ deckt ist. Zudem sind mit dem Verfahren zum Herstellen der Diode die Prozeßabläufe so gestaltet, daß ermöglicht wird, auf die Seitenfläche einer Vielzahl von Chips gleichzeitig Schichten aufzubringen, die die Auskopplung des Lichtes bzw. der Strahlung an den Seitenflächen der Chips durch Minimie­ rung 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 Tem­ peratur durchführbar ist.

In der Praxis zeigen beispielsweise GaAs-Chips mit einer Si­ liziumnitrid-Vergütung der Seitenflächen bei einer Emissions­ wellenlänge von λ = 950 nm eine Erhöhung der Strahlungslei­ stung von 16% gegen Luft.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Lumineszenzdiode schematisch im Schnitt und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfah­ rensschritte zum Herstellen der Lumineszenzdiode.

Die in Fig. 1 dargestellte Lumineszenzdiode besteht aus einem quaderförmigen Chip 1 aus transparentem Halbleitermaterial, vorzugsweise Verbindungshalbleitermaterial. Der Chip 1 weist eine zur Strahlungserzeugung geeignete, vorzugsweise epitak­ tisch auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Schichtenfolge auf, die insbesondere zum Bilden des pn-Übergangs 2 als strahlungserzeugenden Bereich des Chips 1 dient und entspre­ chend dotiert ist. Der Chip 1 besitzt eine partiell mit einer Kontaktierung 6 versehene Vorderseite 3, deren übriger Ober­ flächenbereich als Strahlungs- bzw. Lichtaustrittsfläche zweckmäßig mit einer optischen Vergütung 5 beschichtet ist, die beispielsweise aus Siliziumnitrid besteht und als an sich bekannte λ/4-Schicht ausgebildet ist. Die metallisierte, zweckmäßig partiell mit einer Metallisierung 7 versehene Rückseite 4 des Chips 1 dient als Kontakt- und Befestigungs­ teil für ein geeignetes, nicht dargestelltes Gehäuse oder Sockelelement. Die vier nahezu planen Seitenflächen 8 des quaderförmigen Chips 1 sind von der Vorderseite 3 her minde­ stens zur Hälfte, vorzugsweise mindestens zu zwei Dritteln mit einer reflexionsmindernden Schicht 9 bedeckt. Die refle­ xionsmindernde Schicht ist zweckmäßig eine λ/4-Schicht und besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Es kann aber auch vorteilhaft sein, als reflexionsmindernde Schicht 9 eine Me­ talloxidschicht auf die Seitenflächen 8 aufzubringen. Das Me­ talloxid wird dabei zweckmäßig in Verbindung mit einem geeig­ neten Lösungsmittel 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 darge­ stellt ist, wird so gestaltet, daß eine Abscheidung einer re­ flexionsmindernden λ/4-Schicht 9 auf den Seitenflächen 8 des Chips 1 möglich wird.

Die Vorderseite 3 der Scheibe bzw. der einen pn-Übergang 2 aufweisenden Chips 1 wird einschließlich der optischen Vergü­ tung 5 und Kontaktierung 6 auf herkömmliche Weise herge­ stellt. Auch die Fertigstellung der Rückseiten 4 der Chips 1 mit den Kontaktierungen 7 sowie die erforderlichen Temperpro­ zesse werden im Scheibenverband auf an sich bekannte Weise 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 Tiefe 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 ei­ nem Damage-Ätzprozeß unterzogen, so daß die nahezu planen Seitenflächen 8 der Chips 1 gebildet werden. In einem weite­ ren Schritt (Fig. 2c) erfolgt das Beschichten der Seitenflä­ chen 8 mit einer reflexionsmindernden Schicht 9. Als refle­ xionsmindernde 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 Vorderseitenlack nicht verbrannt wird und rückstandsfrei entfernt werden kann. Bei der Verwendung von Polyimid können auch höhere Temperatu­ ren gewählt werden. Der angewandte Druck sollte möglichst hoch (z. B. 1 mbar) sein, um die mittlere frei Stoßlänge der Gasmoleküle zu reduzieren und eine hohe 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 Strippern ent­ fernt. Damit wird auch die überflüssige Beschichtung 9 auf der Lack- bzw. Polyimidschicht 10 beseitigt. Schließlich er­ folgt das Vereinzeln (Fig. 2e) der Chips 1 aus dem Scheiben­ verband. Zweckmäßig wird die Scheibe hierzu in Höhe der Trennspuren 11 von der Rückseite 4 her angeritzt und die Chips 1 dann durch Brechen vereinzelt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Lumineszenzdi­ oden-Chips aus einer mit einer zur Strahlungserzeugung geeigneten Schichtenfolge versehenen Halbleiterscheibe, mit folgenden Schritten:
die Vorderseite der Halbleiterscheibe wird mit einer Lack- oder Polyimidschicht (10) versehen,
die Halbleiterscheibe wird matrixförmig zwischen den einzel­ nen Chips (1) bis zu einer Tiefe von mindestens der Hälfte, vorzugsweise von mindestens zwei Dritteln, der Scheibendicke angesägt,
die Flanken der Sägespuren (11) werden glattgeätzt, so daß nahezu plane Seitenflächen (8) gebildet werden,
die Seitenflächen (8) werden mit einer reflexionsmindernden Schicht (9) bedeckt,
die Lack- oder Polyimidschicht (10) wird entfernt und die Halbleiterscheibe wird in Chips (1) vereinzelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenflächen (8) in einem PECVD (Plasma Enhanced CVD)-Verfahren mit der reflexionsmindernden Schicht (9) versehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenflächen (8) durch Tauchen oder Aufsprühen mit mit der reflexionsmindernden Schicht (9) versehen werden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) eine Siliziumnitrid­ schicht ist.

5. Verfahren gemäß einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) eine Metalloxid­ schicht ist.

6. Verfahren gemäß einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die reflexionsmindernde Schicht (9) eine λ/4-Schicht ist.