DE4438598A1 - Halbleiter-Wafer-Verbindungstechnologie unter Verwendung eines transparenten leitfähigen Films - Google Patents
Halbleiter-Wafer-Verbindungstechnologie unter Verwendung eines transparenten leitfähigen FilmsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Substrat-Verbindungstech
nologie, insbesondere eine Technik mit einem transparenten Sub
strat für die Doppelheterostruktur einer Leuchtdiode.
Auf dem Gebiet der Herstellung von Halbleiter-Leuchtdioden ist
die Verwendung eines transparenten Substrats ein beliebtes Ver
fahren zum Verbessern der Lichtemissionsleistung von Dioden. Die
Struktur von Leuchtdioden mit AlGaAs-Heterostruktur, welche
rotes Licht im Wellenlängenbereich von 660 nm emittieren, kann
in drei unterschiedliche Typen, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt,
unterteilt werden. Fig. 1 zeigt ein einzelnes Heterostruktur-
Element mit einem p-Typ GaAs-Substrat 11. Eine p-Typ-
AlGaAs-Schicht 12 ist auf der Oberfläche des GaAs-Substrats auf
gewachsen, und eine n-Typ-AlGaAs-Schicht 13 ist auf der Ober
fläche der p-Typ-AlGaAs-Schicht aufgewachsen. Die Leuchtintensi
tät der Diode liegt im Bereich von 500 bis 800 mcd.
Die in Fig. 2 gezeigte Struktur stellt ein AlGaAs-Element mit
Doppelheterostruktur dar. Eine Doppelheterostruktur, umfassend
eine p-Typ AlGaAs-Schicht 22, eine nicht-dotierte aktive AlGaAs-
Schicht 23 und eine n-Typ-AlGaAs-Schicht 24 sind auf einem p-Typ
GaAs-Substrat 21 aufgewachsen. Die Diode kann Licht mit einer
Leuchtintensität von ungefähr 1,5 cd emittieren.
Der in Fig. 3 gezeigte dritte Strukturtyp ist ähnlich dem in
Fig. 2 gezeigten. Er umfaßt eine p-Typ-AlGaAs-Schicht 32, eine
nicht-dotierte aktive AlGaAs-Schicht 33 und eine n-Typ-AlGaAs-
Schicht 34. Anstelle von GaAs wird AlGaAs vom p-Typ als Substrat
31 verwendet. Aufgrund des transparenten Substrats wird das
Licht, welches gegen die Substratrichtung emittiert wird, nicht
absorbiert. Die Leuchtintensität der Diode kann auf etwa 3 cd
verbessert werden. Bei der obigen Struktur sind sämtliche
AlGaAs-Schichten epitaxial aufgewachsen. Obwohl die in Fig. 3
gezeigte Struktur die höchste Leuchtleistung besitzt, ist sie
auch am schwierigsten zum Aufwachsen. Daher stellt die Herstel
lung einer Leuchtdiode mit hoher Leuchtintensität eine Heraus
forderung für Halbleiter-Hersteller dar.
Die Herstellung von Leuchtdioden mit hoher Lichtleistung im
grünen bis roten Spektralbereich bringt ähnliche Schwierigkeiten
mit sich. Für Leuchtdioden im grünen bis roten Lichtbereich (560
bis 630 nm) wird oft eine AlGaInP-Doppelheterostruktur verwen
det. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind eine Basis-AlGaInP-Doppelhete
rostruktur mit einer p-Typ-AlGaAs-Schicht 43, eine nicht-dotier
te aktive AlGalnP-Schicht 44 und eine n-Typ-AlGaInP-Schicht 45
auf einem Halbleiter-Substrat aufgewachsen. Eine dicke p-Typ-
GaP-Fensterschicht 46 ist oben auf der Doppelheterostruktur
aufgewachsen, um den Strom vom oberen Elektrodenkontakt 47 aus
zubreiten.
Bei den bestehenden Leuchtdioden wird normalerweise GaAs vom n-
Typ als Substrat verwendet. Die Leistungsfähigkeit der Dioden
ist begrenzt, da sämtliches gegen das Substrat emittierte Licht
absorbiert wird. F.A. Kish et al. von Hewlett-Packed, Kalifor
nien, stellten ein Verfahren zum selektiven Entfernen des ab
sorbierenden GaAs-Substrats vom n-Typ und Verbinden eines trans
parenten GaP-Substrats vom n-Typ an dessen Stelle vor. Die von
F.A. Kish et al. verwendete Wafer-Verbindungstechnik wurde von
Z.L. Liau et al. vom Lincoln Laboratory, Massachusetts, vorge
schlagen. Obwohl die Technik die Leuchtleistung verbessern kann,
besitzt sie ein paar Nachteile. Einer ist, daß die Wafer-Ver
bindung bei einer erhöhten hohen Temperatur von typischerweise
830°C durchgeführt werden muß. Der andere ist, daß die falsch
angepaßte Gitterstruktur an der Grenzfläche der GaP- und
AlGaInP-Schichten ein Verwickeln oder Brechen des Wafers ver
ursacht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben
aufgezeigten Schwierigkeiten und Nachteile bei der Herstellung
von Leuchtdioden mit hoher Leistung zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Anspruch 2 gibt eine vorteilhafte Ausführungsform dieses Ver
fahrens an.
Es wird eine Technik zum Ersetzen des lichtabsorbierenden Halb
leiter-Substrats durch ein transparentes Substrat zum Erhöhen
der Leuchtleistung der Leuchtdioden offenbart. Gemäß der Erfin
dung wird das Halbleiter-Substrat, welches im Verfahren zum Auf
wachsen der Doppelheterostruktur der Leuchtdioden verwendet
wird, zunächst selektiv unter Verwendung einer herkömmlichen
Ätztechnik entfernt. Eine dünne Schicht aus einem transparenten
leitfähigen Film wird aufgezogen oder auf einem transparenten
Wafer-Substrat niedergeschlagen. Die Heterostruktur und das
transparente Substrat werden zusammengeklemmt und in einem Hoch
temperaturofen erhitzt. Das Substrat und die Doppelheterostruk
tur werden dadurch unter Ausbildung der Leuchtdioden verbunden.
In der vorliegenden Erfindung ist der transparente leitfähige
Film in hohem Maße leitfähig. Er ist auch für ein weites Licht
spektrum vom blauen bis roten Bereich transparent. Der leitfähi
ge dünne Film ist keine kristallisierte Gitterschicht. Daher
schafft er eine gute Pufferschicht zwischen den beiden Halblei
ter-Körpern. Er gestattet das Verbinden bei relativ niedriger
Temperatur. Die falsch angepaßte Gitterstruktur an der Grenz
fläche wird durch den leitfähigen dünnen Film gepuffert. Der
Einschluß einer leitfähigen Schicht erleichtert nicht nur die
Herstellung der Leuchtdioden, sondern verbessert auch die Grenz
flächenstruktur des Elements.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert, in der zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Leuchtdiode
mit einer AlGaAs-Einzelheterostruktur;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Leuchtdiode
mit einer AlGaAs-Doppelheterostruktur und einem GaAs-
Substrat;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Leuchtdiode
mit einer AlGaAs-Doppelheterostruktur und einem
AlGaAs-Substrat;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Leuchtdiode
mit einer AlGaInP-Doppelheterostruktur und einem ver
bundenen GaP-Substrat;
Fig. 5 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Leuchtdiode,
wobei eine AlGaP-Doppelheterostruktur mit einem GaP-
Substrat, welches mit einem dünnen ITO-Film überzogen
ist, verbunden ist;
Fig. 6 eine Strom-Spannungscharakteristik eines Halbleiter-
Substrats, hergestellt unter Ausbildung einer dünnen
ITO-Schicht zwischen zwei GaP-Substraten, und deren
Verbinden bei 500°C für eine Stunde;
Fig. 7 eine strom-Spannungscharakteristik eines Halbleiter-
Substrats, hergestellt durch Ausbilden einer dünnen
ITO-Schicht zwischen zwei GaP-Substraten, und deren
Verbinden bei 700°C für eine Stunde; und
Fig. 8 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Leuchtdiode,
wobei eine AlGaInP-Doppelheterostruktur mit einem GaP-
Substrat, welches mit einem dünnen ITO-Film überzogen
ist, verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Technik zum Verbessern
der Leuchtleistung einer herkömmlichen Leuchtdiode mit Doppelhe
terostruktur, wie in Fig. 2 gezeigt.
Das Ziel der Erfindung ist das Ersetzen des lichtabsorbierenden
Substrats durch ein transparentes Substrat. Um die falsch ange
paßte Gitterstruktur in der Grenzfläche zu verbessern, wird ein
dünner leitfähiger Film als Pufferschicht verwendet.
Die Technik zum Verbinden eines transparenten Substrats wurde
illustriert durch Ausbilden eines dünnen leitfähigen und trans
parenten ITO-Films auf einem transparenten Substrat vom n-Typ
GaP und dessen Verbinden mit einem weiteren Substrat vom n-Typ
GaP. Nach Erhitzen des kombinierten Substrats bei 500°C für eine
Stunde war das Verbinden des Substrats vervollständigt. Fig. 6
zeigt die Strom-Spannungscharakteristik für das verbundene Halb
leiter-Substrat. Der Plot in Fig. 6 zeigt eine sehr gute Linea
rität. Es ist wichtig, daß der dünne Film transparent ist und
eine gute Leitfähigkeit besitzt. Obwohl ITO in dieser Erfindung
verwendet wird, kann CTO (Cadmiumzinnoxid) als weiterer guter
Kandidat verwendet werden. Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel
der Strom-Spannungscharakteristik eines verbundenen Substrats
dieser Erfindung. Das Substrat in Fig. 7 wurde bei 700°C für
eine Stunde verbunden und erhitzt.
Die in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Diode umfaßt eine AlGaAs-
Doppelheterostruktur, die auf einem P-Typ-GaAs-Substrat aufge
wachsen ist. Die AlGaAs-Doppelheterostruktur ist ausgebildet
durch Aufwachsen einer p-Typ-AlGaAs-Schicht auf das Substrat,
einer nicht-dotierten aktiven Schicht aus AlGaAs auf die AlGaAs-
Schicht vom p-Typ und einer AlGaAs-Schicht vom n-Typ auf die
nicht-dotierte aktive Schicht. Das GaAs-Substrat wird selektiv
durch eine herkömmliche Ätztechnik unter Verwendung einer ge
eigneten Ätzlösung entfernt. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist bei der
Erfindung das GaAs-Substrat der herkömmlichen Diode entfernt
worden. Ein transparenter leitfähiger ITO-Film (Indiumzinnoxid)
52 ist auf dem transparenten GaP-Substrat 51 vom p-Typ ausgebil
det. Das hergestellte GaP-Substrat und der AlGaAs-Doppelhetero
struktur-Körper werden zusammengeklemmt. Der kombinierte Körper
wird in einem Hochtemperaturofen unter Wasserstoff- oder Stick
stoffstrom erhitzt. Das Verbinden kann in einer Stunde bei etwa
500°C vervollständigt werden. Daher umfaßt die Struktur dieser
Erfindung ein transparentes GaP-Substrat 51 vom p-Typ, einen
dünnen transparenten und leitfähigen ITO-Film 52 und eine untere
AlGaAs-Schicht 53 vom p-Typ, eine nicht-dotierte aktive AlGaAs-
Schicht 54 und eine obere AlGaAs-Schicht 55 vom n-Typ.
Die Technik schafft ein wirksames Verfahren zum Herstellen einer
Leuchtdiode mit hoher Leuchtintensität. Der AlGaAs-Doppelhetero
struktur-Körper und das ITO-beschichtete GaP-Substrat vom p-Typ
der Diode werden zusammen verbunden, nachdem sie auf 500°C für
eine Stunde erhitzt worden sind. Die Dioden gemäß der Erfindung
besitzen ungefähr die gleiche Leuchtintensität wie diejenige der
in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Diode. Nichtsdestoweniger wird
die Schwierigkeit beim Aufwachsen der AlGaAs-Schicht auf ein
AlGaAs-Substrat vermieden.
Verglichen mit der bestehenden Technik erlaubt die Erfindung das
Verbinden innerhalb kurzer Zeit bei relativ niedriger Tempera
tur. Die typische Arbeitstemperatur bei der von Z.L. Liau et al.
vorgeschlagenen Technik beträgt 830°C, und die Vervollständigung
der Verbindung erfordert etwa 2 Stunden Zeit. Durch Einschluß
eines transparenten leitfähigen Films kann die Temperatur auf
500°C erniedrigt werden, und es wird nur eine Stunde Zeit zur
Vervollständigung des Verbindens benötigt. Die niedrigere Ar
beitstemperatur vermeidet die Diffusion von Dotiermitteln in die
Halbleiterschicht und die Interdiffusion zwischen dem Element
mit unterschiedlicher Gitter- oder Quantenwandstruktur. Zusätz
lich zu der Leichtigkeit und Einfachheit bei der Herstellung des
Elements dient der leitfähige Film ebenso als Pufferschicht, um
die Falschanpassung in der unterschiedlichen Gitterstruktur in
Einklang zu bringen. Die Tatsache, daß der leitfähige Film keine
kristallisierte Gitterstruktur besitzt, kann ein Polster für die
Variation der thermischen Expansion für unterschiedliches Mate
rial und Gitterstruktur schaffen. Die Struktur der Diode wird
durch die dünne Filmschicht verstärkt. Konsequenterweise wird
dadurch das Verbinden größerer Substrate ermöglicht.
Die Technik kann auch zur Herstellung von Leuchtdioden mit Al-
GaInP-Doppelheterostruktur, wie in Fig. 4 gezeigt, verwendet
werden. Durch selektives Entfernen des GaAS-Substrats vom n-Typ
unter Verwendung einer herkömmlichen Ätztechnik kann ein GaP-
Substrat vom n-Typ, welches mit einer dünnen ITO-Filmschicht
überzogen ist, mit einer AlGaInP-Doppelheterostruktur verbunden
werden. Die Technik, die in den obigen Abschnitten beschrieben
wird, ist leicht anwendbar. Fig. 8 zeigt eine schematische
Schnittansicht einer Leuchtdiode mit AlGaInP-Doppelheterostruk
tur, welche unter Verwendung der erfindungsgemäßen Technik her
gestellt worden ist. Es ist ersichtlich, daß die Struktur eine
Kontaktelektrode 81, ein GAP-Substrat 82 vom n-Typ, einen dünnen
transparenten und leitfähigen ITO-Film 83, eine untere AlGaInP-
Schicht 84 vom n-Typ, eine nicht-dotierte aktive AlGaInP-Schicht
85, eine obere AlGaInP-Schicht 86 vom p-Typ, eine dicke Fenster
schicht 87 vom p-Typ und eine weitere Kontaktelektrode 88 um
faßt.
Claims (2)
1. Verfahren zum Verbinden eines Halbleiter-Substrats mit
einem Halbleiter-Wafer, umfassend die Schritte:
- a. Herstellen eines Halbleiter-Wafers mit einem Halbleiter-Element,
- b. Herstellen eines Halbleiter-Substrats,
- c. Ausbilden eines weitgehend dünnen transparenten, leitfähigen Films auf diesem Substrat,
- d. Verklemmen des Substrats und des Wafers, wobei der dünne leitfähige Film zwischen dem Wafer und dem zweiten Substrat angeordnet ist, und
- e. Erhitzen des verklemmten Wafers und Substrats bei weitgehend hoher Temperatur für einen geeigneten Zeitraum.
2. Verfahren zum Verbinden eines Halbleiter-Substrats mit
einem Halbleiterwafer nach Anspruch 1, wobei der dünne,
transparente und leitfähige Film ITO oder CTO umfaßt.
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Cited By (2)
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DE102006051745A1 (de) * | 2006-09-28 | 2008-05-15 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | LED-Halbleiterkörper und Verwendung eines LED-Halbleiterkörpers |
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1994
- 1994-10-28 DE DE19944438598 patent/DE4438598C2/de not_active Expired - Lifetime
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