DE4438598C2

DE4438598C2 - Halbleiter-Wafer-Verbindungstechnologie unter Verwendung eines transparenten leitfähigen Films

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Publication number: DE4438598C2
Application number: DE19944438598
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: DE4438598A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Substrat-Verbindungstech nologie, insbesondere eine Technik mit einem transparenten Sub strat für die Doppelheterostruktur einer Leuchtdiode.

Aus der EP 0 611 131 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Licht aussendenden Diode bekannt, wobei eine erste halbleitende Mehrfachschicht auf einem ersten Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps ausgebildet wird, eine Licht aussendende Schicht auf der ersten halbleitenden Mehrfachschicht gebildet wird und eine zweite halbleitende Mehrfachschicht ausgebildet wird. Zudem umfaßt das Verfahren die Aus bildung eines zweiten Substrats, welches transparent für Licht ist, welches von der Licht aussendenden Schicht ist, und Verbin den des zweiten Substrats und der zweiten Halbleitermehrfach schicht durch Erhitzen der Umgebung einer Oberfläche zwischen dem zweiten Substrat und der zweiten Halbleitermehrfachschicht.

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 aufgewach sen, und eine n-Typ-AlGaAs-Schicht 13 ist auf der Oberfläche der p-Typ-AlGaAs-Schicht aufgewachsen. Die Leuchtintensität 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 die 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 AlGaInP-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. Wie dem Anmelder bekannt ist, stellten F. A. Kish et al. von Hewlett-Packard, Kalifornien, ein Verfahren zum selektiven Entfernen des absorbierenden GaAs-Substrats vom n-Typ und Verbinden eines transparenten 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 Labo ratory, Massachusetts, vorgeschlagen. Obwohl die Technik die Leuchtleistung verbessern kann, besitzt sie ein paar Nachteile. Einer ist, daß die Wafer-Verbindung 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 Verwinden 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.

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-Spannungcharakteristik 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 diesem Beispiel 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 geeigneten 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 Quantentrogstruktur. 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

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 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 hoher Temperatur für einen geeigneten Zeitraum,

dadurch gekennzeichnet, daß der dünne, transparente und leitfähige Film ITO oder CTO umfaßt.