DE112004002809B4

DE112004002809B4 - Verfahren zum Herstellen eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips und durch dieses Verfahren hergestellter Halbleiterchip

Info

Publication number: DE112004002809B4
Application number: DE112004002809.4T
Authority: DE
Inventors: Dr. Hahn Berthold; Dr. Kaiser Stephan; Dr. Härle Volker
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: CN1943044A; CN100423300C; EP1741144A1; KR101248195B1; KR20120105059A; KR20070026546A; KR101361630B1; US8273593B2; JP2007535152A; US20110140141A1; JP4653804B2; US7897423B2; DE112004002809B9; WO2005106972A1; US20080093611A1; DE112004002809A5

Abstract

Verfahren zur Mikrostrukturierung einer strahlungsemittierenden Fläche einer Halbleiterschichtfolge für einen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit folgenden Verfahrensschritten :
(a) Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge auf einem Substrat;
(b) Ausbilden oder Aufbringen einer Spiegelschicht auf der Halbleiterschichtfolge, die zumindest einen Teil einer in der Halbleiterschichtfolge bei deren Betrieb erzeugten und zur Spiegelschicht hin gerichteten Strahlung in die Halbleiterschichtfolge zurückreflektiert;
(c) Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Substrat mittels eines Abhebe-Verfahrens, bei dem eine Trennzone in der Halbleiterschichtfolge zumindest teilweise zersetzt wird, wobei an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge, von der das Substrat abgetrennt ist, anisotrop Rückstände eines Bestandteils der Trennzone verbleiben; und
(d) Ätzen der mit den Rückständen versehenen Trennfläche der Halbleiterschichtfolge mittels eines Trockenätzverfahrens, mittels eines gasförmigen Ätzmittels oder mittels eines nass-chemischen Ätzmittels, bei dem die anisotropen Rückstände zumindest temporär als Ätzmaske verwendet werden.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikrostrukturierung von strahlungsemittierenden Halbleiterchips. Sie bezieht sich auf die Aufrauhung einer strahlungsemittierenden Fläche einer strahlungserzeugenden Halbleiterschichtfolge, insbesondere einer Strahlungsauskoppelfläche einer strahlungsemittierenden Halbleiterschichtfolge eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:

- an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche seiner strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20µm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 µm auf; und
- an einer von der reflektierenden Schicht abgewandten zweiten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge weist diese eine Durchmischungsstruktur auf, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in Schnitzer I., [u. a.]: 30% external quantum efficiency from surface textured, thin-film light-emitting diodes. In: Applied Physics Letters, 63, 1993, 16, 2174-2176 beschrieben.
Weitere Leuchtdiodenchips und deren Herstellungsverfahren sind aus den Patentschriften DE 102 45 628 A1 , US 6 071 795 A , US 2002 / 0 173 064 A1 , DE 100 20 464 A1 und JP 2003- 188 142 A bekannt, sowie aus dem Artikel von Wong W. S., [u. a.]: In x Ga 1x N light emitting diodes on Si substrates fabricated by Pd-In metal bonding and laser lift-off. In: Applied Physics Letters, 77, 2000, 18, 2822-2824.

Das emittierende Zone eines Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips ist im Wesentlichen auf die vorderseitige strukturierte Auskoppelfläche der äußerst dünnen Epitaxieschichtenfolge beschränkt, wodurch sichnahezu die Verhältnisse eines Lambert'schen Oberflächenstrahlers einstellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Mikrostukturierung sowie einen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit verbesserter Lichtauskopplung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst. Ein nach dem Verfahren hergestellter Dünnschicht-Leuchtdiodenchip ist Gegenstand des Patentanspruches 32.
Vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens bzw. des Dünnschicht-Leuchtdiodenchips sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden technischen Lehre eignet sich besonders bevorzugt für Dünnfilm-Leuchtdiodenchips mit einer Epitaxieschichtenfolge auf der Basis von Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf der Basis von Halbleitermaterial aus dem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial-System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.
Vorliegend fallen unter die Gruppe von Halbleiterschichtfolgen auf Basis von Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial insbesondere solche Halbleiterschichtfolgen, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschicht, die in der Regel eine Schichtfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial-System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 umfaßt.
Eine solche Halbleiterschichtfolge kann beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Ein Beispiel für eine Mehrfachquantentopfstruktur auf der Basis von GaN ist in der WO 01/ 39 282 A2 beschrieben.
Ein Verfahren zur Mikrostrukturierung einer strahlungsemittierenden Fläche einer Halbleiterschichtfolge für einen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip gemäß der Erfindung baut auf dem Grundgedanken auf, nach dem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge auf einem hinsichtlich der Aufwachsbedingungen weitestgehend optimierten Aufwachs-Substrat und dem Ausbilden oder Aufbringen der Spiegelschicht auf die Halbleiterschichtfolge, die Halbleiterschichtfolge vom Aufwachs-Substrate zu trennen. Diese Trennung erfolgt in einer Trennzone der Halbleiterschichtfolge, die zumindest teilweise zersetzt wird, derart, dass an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge, von der das Substrat abgetrennt ist, anisotrop Rückstände eines Bestandteils der Trennzone, insbesondere eines metallischen Bestandteils der Trennschicht verbleiben.
Nachfolgend wird die Trennfläche der Halbleiterschichtfolge, auf der sich die Rückstände befinden, bei einem Vorätzschritt unter Nutzung der Rückstände als Ätzmaske mittels eines Trockenätzverfahrens, mittels eines gasförmigen Ätzmittels oder mittels eines nass-chemisches Ätzmittels materialabtragend geätzt. Vorzugsweise werden dabei gleichzeitig die Rückstände zumindest zu einem Großteil beseitigt, das heißt, die anisotropen Rückstände wirken nur temporär als Ätzmaske.
Die Rückstände verbleiben nach dem Trennschritt auf der Trennfläche meist als durchgängige Schicht mit variierender Dicke oder weisen bereits inselartige oder netzartige Zonen mit Zwischenräumen auf, in denen die Oberfläche der Halbleiterschichtfolge bereits freigelegt ist.
Bei dem Vorätzschritt wird dann die Halbleiterschichtfolge abhängig von der Schichtdicke der Rückstände unterschiedlich stark geätzt, so dass eine Aufrauung der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge entsteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden unterschiedliche Kristallfacetten der Halbleiterschichtfolge freigelegt. Mit besonderem Vorteil wird nach dem Vorätzen der Trennfläche diese mit einem Nachätzschritt mit einem nass-chemischen oder gasförmigen Ätzmittel behandelt, das vorwiegend an Kristalldefekten ätzt und unterschiedliche Kristallfacetten an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge selektiv ätzt. Besonders bevorzugt enthält dazu das nass-chemische Ätzmittel KOH. Als gasförmiges Ätzmittel eignet sich beispielsweise ein korrosives Gas wie H oder Cl. Bevorzugt wird H als Ätzgas bei einer erhöhten Temperatur, insbesondere größer oder gleich 800°C, verwendet.
Für den Fall, dass beim Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Aufwachssubstrat nur unwesentliche Rückstände auf der Trennfläche verbleiben und/oder diese mit einem Ätzmittel zumindest größtenteils beseitigt werden können, das vorwiegend an Kristalldefekten der Halbleiterschichtfolge ätzt und unterschiedliche Kristallfacetten an der Trennfläche selektiv ätzt, kann der oben dargelegte Vorätzschritt entfallen.
Bei einer Trennzone mit Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wird diese vorzugsweise derart zersetzt, dass gasförmiger Stickstoff entsteht. Als Trennverfahren eignet sich hierzu besonders bevorzugt ein Laser-Abhebe-Verfahren (auch kurz Laser-Liftoff genannt). Ein solches Laser-Abhebe-Verfahren ist beispielsweise in der WO 98/ 14 986 A1 erläutert. Alternativ könnte ein anderes Trennverfahren eingesetzt werden, bei dem an der Trennfläche anisotrop Rückstände eines Bestandteils der Trennschicht, insbesondere eines metallischen Bestandteils der Trennschicht verbleiben.
Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtfolge an der Trennfläche eine im Vergleich zu einem aus Sicht des Substrats der Trennfläche nachgeordneten Teil der Halbleiterschichtfolge erhöhte Defektdichte auf. Vorzugsweise liegt die Trennzone in einer Pufferschicht zwischen Aufwachssubstrat und strahlungserzeugenden Bereich der Halbleiterschichtfolge.
I
Eine Pufferschicht ist eine zum Substrat hin gewandte Halbleiterschicht der Halbleiterschichtfolge, die im Wesentlichen dazu dient, eine optimale Aufwachsoberfläche für das nachfolgende Aufwachsen der funktionellen Schichten der Halbleiterschichtfolge (zum Beispiel eine Multi-QuantentopfStruktur) herzustellen. Eine solche Pufferschicht gleicht beispielsweise Unterschiede zwischen der Gitterkonstante des Substrats und der Gitterkonstante der Halbleiterschichtfolge sowie Kristalldefekte des Substrats aus. Mittels der Pufferschicht können ebenso gezielt Verspannungszustände für das Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge eingestellt werden.
Die Trennzone weist besonders bevorzugt im Wesentlichen GaN auf und auf der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge bleiben vorzugsweise anisotrop Rückstände aus metallischem Ga zurück.
Derjenige Bereich der Halbleiterschichtfolge, in dem sich die Trennzone befindet, wird vorzugsweise mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1 * 10¹⁸ cm^-3 und einschließlich 1*10¹⁹ cm^-3 versehen. In diesem Fall weist die Halbleiterschichtfolge an deren Trennfläche vorteilhafterweise eine Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1*10¹⁸ cm^-3 und einschließlich 1*10²⁰ cm^-3 auf. Dies vereinfacht die Ausbildung eines ohmschen Kontaktes auf der Halbleiterschichtfolge. Basiert der Bereich im Wesentlichen auf GaN, so wird als Dotierstoff bevorzugt Si verwendet.
Bei einer anderen bevorzugten Auführungsform enthält die Trennzone AlGaN, dessen Al-Gehalt derart gewählt ist, dass es beim Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Aufwachssubstrat zersetzt wird, und Al in die Halbleiterschichtfolge eingesintert wird. Der Al-Gehalt liegt dazu vorzugsweise zwischen etwa 1% und etwa 10%, insbesondere zwischen etwa 1% und etwa 7%. Zur Herstellung eines Al-n-Kontakts wird beim Trennvorgang Al vorzugsweise aufgeschmolzen und in die Halbleiterschichtfolge eingesintert. Besonders bevorzugt wird hierzu ein Laser-Liftoff-Verfahren eingesetzt, bei dem der Laser eine Wellenlänge in einem Bereich kleiner als 360 nm, bevorzugt eine Wellenlänge zwischen einschließlich 350 nm und einschließlich 355 nm aufweist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens weist die Trennzone eine GaN-Schicht auf, an die sich gesehen vom Substrat eine AlGaN-Schicht anschließt. Beim Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Aufwachssubstrat wird die gesamte GaN-Schicht und ein Teil der AlGaN-Schicht zersetzt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass, wenn es aus Gründen der Schichtqualität oder aus anderen Gründen notwendig ist, zunächst eine GaN-Schicht aufgewachsen werden kann, die dünner ist als die Trennzone, die beim Trennvorgang zersetzt wird. Beim Trennvorgang wird dann die GaN-Schicht und ein Teil der darüberliegenden AlGaN-Schicht zersetzt, was, falls gewünscht, mit den im vorangehenden Absatz geschilderten Vorteilen verbunden ist. Die AlGaN-Schicht weist hier wiederum bevorzugt einen Al-Gehalt auf, der zwischen etwa 1% und etwa 10%, insbesondere zwischen etwa 1% und etwa 7% liegt.
Als Aufwachssubstrat wird vorzugsweise ein Saphir-Substrat verwendet. Dies ist vorteilhafterweise in einem großen Wellenlängenbereich für elektromagnetische Strahlung gut durchlässig. Insbesondere ist Saphir für Wellenlängen kleiner 350 nm durchlässig was hinsichtlich der Zersetzung von GaN oder,GaN-basiertem Material von großer Bedeutung ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die mikrostrukturierte Trennfläche der Halbleiterschichtfolge ein Kontaktpad, insbesondere eine Kontaktmetallisierung zum elektrischen Anschließen der Halbleiterschichtfolge aufgebracht. Hierzu eignen sich die herkömmlich bekannten Metallisierungsschichten, wie beispielsweise TiAl-, Al- oder TiAlNiAu-Kontakte.
Besonders bevorzugt wird mittels der Mikrostrukturierung an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge eine Aufrauung auf einer Skala (d.h. mit einer Strukturgröße) erzeugt, die einem Wellenlängenbereich (bezogen auf die innere Wellenlänge im Chip) einer von der Halbleiterschichtfolge in deren Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren bei einer Halbleiterschichtfolge auf der Basis von Halbleitermaterial aus dem hexagonalen Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial-System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 angewendet, bei dem die 000-1-Kristallfläche (N-Face des hexagonalen Nitridgitters) dem Aufwachssubstrat zugewandt wird.
Das epitaktische Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge erfolgt vorzugsweise mittels MOVPE (metallorganischer Gasphasenepitaxie).
Als Spiegelschicht kann ein Braggspiegel aufgebracht werden. Alternativ kann eine Spiegelschicht hergestellt werden, die eine strahlungsdurchlässige Schicht und eine, gesehen von der Halbleiterschichtfolge, dieser nachgeordnete reflektierende Schicht aufweist.
Ebenso kann die Spiegelschicht eine Reflexionsschicht mit einer Mehrzahl von Fenstern zur Halbleiterschichtfolge hin aufweisen und in den Fenstern eine von der Reflexionsschicht verschiedene Stromtransportschicht angeordnet sein.
Ein nach einem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellter elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip weist zumindest eine epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtfolge mit einer n-leitenden Halbleiterschicht, einer p-leitenden Halbleiterschicht und einen zwischen diesen beiden Halbleiterschichten angeordneten elektromagnetische Strahlung erzeugenden Bereich auf. Zumindest eine der Halbleiterschichten enthält ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial und die Halbleiterschichtfolge ist mit der von einer mikrostrukturierten Fläche der Halbleiterschichtfolge abgewandten Seite, das heißt mit der Seite, auf dem der Spiegel angeordnet ist, auf einen Trägerkörper montiert. Bei einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterchips ist auch die Spiegelschicht mikrostrukturiert.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens verbleibt nach dem Abhebeschritt beispielsweise mittels Laser-Liftoff keine vollständig durchgängige Schicht von metallischem Material aus der Trennzone auf der Halbleiterschichtfolge, sondern nur eine netzartige oder inselartige Struktur von metallischem Material, die beim nachfolgenden Vorätzschritt zumindest annähernd in die Halbleiterschichtfolge übertragen wird, um für den Nachätzschritt bewußt unterschiedliche Kristallfacetten anzubieten. Bei dem Nachätzschritt wirkt das Ätzmittel selektiv auf unterschiedliche Kristallfacetten und führt so zu einer mikroskopischen Aufrauung der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge. Als Ätzkeime dienen dabei Ätzkanten aus dem Vorätzschritt und Kristalldefekte in der Halbleiterschichtfolge an deren Trennfläche.
Das Ausbilden oder das Aufbringen der Spiegelschicht auf der Halbleiterschichtfolge, die zumindest einen Teil einer in der Halbleiterschichtfolge bei deren Betrieb erzeugten Strahlung in die Halbleiterschichtfolge zurückreflektiert, kann vor oder nach dem Mikrostrukturieren der Halbleiterschichtfolge erfolgen, wobei erstere Alternative besonders bevorzugt ist. Die Nennung des entsprechenden Schrittes in Anspruch 1 und 7 vor dem Trennschritt (c) bedeutet ausdrücklich nicht, dass dieser Verfahrensschritt vor dem Abtrennen der Halbleiterschicht vom Substrat und vor dem Mikrostrukturieren stattfinden muß. Die Spiegelschicht stellt aber einen wesentlichen Bestandteil einer Dünnschicht-Leuchtdiode dar. Die Spiegelschicht kann auch zusammen mit einem Trägerkörper für die Halbleiterschichtfolge mit der mikrostrukturierten Halbleiterschichtfolge verbunden werden.
Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf die Verwendung bei einem Dünnschicht-Leuchtdiodenchip eingeschränkt, sondern ist grundsätzlich überall dort einsetzbar, wo auf epitaktisch hergestellten und vom Aufwachs-Substrat abgelösten Halbleiterschichtfolgen mikrostrukturierte Oberflächen benötigt werden.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und des Leuchtdiodenchips ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1a bis 3b erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1a bis 1e: eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2a und 2b: REM-Aufnahmen einer Halbleiteroberfläche zu verschiedenen Verfahrensstadien des Ausführungsbeispieles, und
3a bis 3e: eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Schichtdicken sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, sie sind vielmehr zum besseren Verständnis übertrieben dick dargestellt. Auch die Epitaxieschichten sind nicht mit den richtigen Dickenverhältnissen untereinander dargestellt.
Bei dem in den 1a bis 1e schematisch dargestellten Verfahrensablauf wird zunächst auf ein Aufwachs-Substrat 1 aus Saphir mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) eine Halbleiterschichtfolge aufgewachsen. Diese Halbleiterschichtenfolge weist ausgehend vom Saphir-Substrat 1 folgende aufeinanderfolgende Schichten auf (man vgl. 1a) :

- Si-dotierte GaN-Pufferschicht 2
- Si-dotierte GaN-Kontaktschicht 3 (kann noch teilweise zur Pufferschicht gehören)
- Si-dotierte GaN-Deckschicht 4
- elektromagnetische Strahlung (insbesondere grünes oder blaues Licht) erzeugende Schicht 5 mit einer Multiquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von InGaN-Quantentöpfen und zwischen diesen liegenden GaN-Barrieren
- p-dotierte AlGaN-Deckschicht 6 (z.B. Mg als p-Dotierstoff)

Auf die p-dotierte AlGaN-Deckschicht 6 folgt vorzugsweise noch eine p-dotierte GaN-Schicht (beispielsweise ebenfalls mit Mg dotiert).
Die Kontaktschicht 3 kann alternativ Si:AlGaN aufweisen.
Eine oben genannte Multiquantentopfstruktur ist beispielsweise in der WO 01/ 39 282 A2 beschrieben.
An Stelle der Multiquantentopfstruktur kann auch eine Einfachquantentopfstruktur, eine Doppel-Heterostruktur oder eine Single-Heterostruktur verwendet sein.
Auf der Halbleiterschichtfolge 100 wird eine metallische Spiegelschicht 7 aufgebracht, die derart ausgelegt ist, dass sie eine in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung in die Halbleiterschichtfolge 100 zurückreflektieren kann. Als Spiegelmaterial im blauen Spektralbereich eignet sich Al oder Ag. Bei Verwendung von Ag kann die Spiegelschicht mit einer dünnen Ti-, Pd- oder Pt-, Schicht unterlegt werden. Dies führt insbesondere zu einer verbesserten Haftung der Ag-Schicht auf der Halbleiterschichtfolge 100. Die Schichtdicke einer solchen Haftverbesserungsschicht liegt vorzugsweise unter 1 nm.
Als Spiegelschicht 7 kann alternativ ein Braggspiegel aufgebracht oder eine Spiegelschicht hergestellt werden, die eine strahlungsdurchlässige Schicht, z. B. aus ITO, und eine, gesehen von der Halbleiterschichtfolge, dieser nachgeordnete reflektierende Schicht aufweist. Ebenso kann die Spiegelschicht eine Reflexionsschicht mit einer Mehrzahl von Fenstern zur Halbleiterschichtfolge 100 hin aufweisen und in den Fensterneine von der Reflexionsschicht verschiedene Stromtransportschicht angeordnet sein.
Die Halbleiterschichtfolge wird nachfolgend mit der Spiegelseite mit einem elektrisch leitenden Trägerkörper 10 verbunden, der beispielsweise aus GaAs, Ge oder Mo. Dies erfolgt beispielsweise mittels eutektischem Bonden mittels AuGe, AuSn oder PdIn. Aber auch Löten oder Kleben ist möglich. Nachfolgend wird das Saphir-Substrat 1 mittels eines Laser-Liftoff-Verfahrens, das in 1b durch die Pfeile 110 angedeutet ist, abgetrennt, wobei die Pufferschicht 2 derart zersetzt wird, dass gasförmiger Stickstoff entsteht und Rückstände 20 aus metallischem Gallium in Form einer anisotropen Schicht mit variierender Schichtdicke auf der Halbleiterschichtfolge 100 verbleiben. Man vergleiche hierzu die 1c. Ein entsprechendes Laser-Liftoff-Verfahren ist beispielsweise in der WO 98/ 14 986 A1 beschrieben.
Die Rückstände 20 werden nachfolgend bei einen Vorätzschritt mit einem Ätzmittel 120, das sowohl metallisches Ga als auch die Si-dotierte GaN-Kontaktschicht 3 materialabtragend ätzt, entfernt. Dadurch wird die Oberfläche der Si-dotierten GaN-Kontaktschicht 3 aufgeraut. Die anisotrop verteilten Rückstände aus metallischem Gallium wirken hierbei insofern als temporäre Ätzmaske.
Bevorzugt wird bei dem Vorätzschritt nass-chemisch geätzt. Als Ätzmittel ist insbesondere KOH in verdünnter Form geeignet. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei diesem Ätzschritt KOH mit einer Konzentration von 5% bei Raumtemperatur verwendet, wobei die Ätzdauer zwischen 5 min und 15 min liegt.
Alternativ eignet sich für den Vorätzschritt auch beispielweise ein Trockenätzverfahren (RIE_Verfahren). Ein Trockenätzverfahren wirkt in der Regel gerichtet, so dass bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Form der Rückstände in die darunterliegende Halbleiterschicht übertragen und so eine Aufrauung dieser Halbleiterschicht erzielt wird.
Bei einer weiteren Alternative der Erfindung wird bei als Ätzmittel ein korrosives Gas, beispielsweise H oder Cl, verwendet, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, die insbesondere größer oder gleich 800° C ist.
Im geschilderten Beispiel wird die gesamte Pufferschicht 2 während des Laser-Abhebe-Verfahrens zersetzt, so dass diese eine Trennzone darstellt. Alternativ kann die Pufferschicht 2 und das Laser-Abhebe-Verfahren so aufeinander abgestimmt sein, dass nur eine Trennzone in der Pufferschicht oder in der Nähe der Pufferschicht zersetzt wird, die dünner ist als diese.
Bei dem Vorätzschritt werden unterschiedliche Kristallfacetten der Kontaktschicht 3 freigelegt. Danach wird die vorgeätzte Fläche der Kontaktschicht 3 in einem Nachätzschritt mit einem weiteren nass-chemischen Ätzmittel behandelt (angedeutet durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 130), das vorwiegend an Kristalldefekten ätzt und unterschiedliche Kristallfacetten an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge selektiv ätzt (man vergleiche 1d). Das weitere nass-chemische Ätzmittel enthält im Beispielfall KOH. Durch die Behandlung mit KOH kann die Oberfläche der Kontaktschicht sehr effektiv aufgeraut werden; die beim Vorätzen erzeugte Rauhigkeit wird hinsichtlich Effizienz für die Strahlungsauskopplung erheblich verbessert.
Bevorzugt wird bei dem Nachätzschritt KOH in konzentrierter Form als Ätzmittel verwendet. Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird hierbei mit KOH mit einer Konzentration von 25% bei einer Temperatur zwischen 70°C und 90°C, beispielsweise bei 80°C, geätzt, wobei die Ätzzeit zwischen 3 min und 10 min liegt.
Alternativ kann für den Nachätzschritt als Ätzmittel ein korrosives Gas, beispielsweise H oder Cl, verwendet werden.
Die 2a zeigt eine Oberfläche nach dem Trockenätzen. Die 2b ein Oberfläche nach dem weiteren Ätzen mit KOH.
Zu Verbesserung der Aufrauungswirkung weist die Kontaktschicht 3 zumindest an der zur Pufferschicht 2 hin gewandten Seite eine im Vergleich zu den nachfolgenden Schichten 4, 5 und 6 erhöhte Defektdichte auf.
Weiterhin besitzt die Kontaktschicht 3 zumindest an der zur Pufferschicht hin gewandten Seite eine Si-Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1*10¹⁸ cm^-3 und einschließlich 1*10¹⁹ cm^-3. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung eines ohmschen Kontaktes auf der Kontaktschicht 3.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Ausführungsbeispieles ist die GaN-Pufferschicht 2 dünner als die beim Laser-Liftoff-Verfahren zersetzte Schichtdicke und ist der Al-Gehalt der Kontaktschicht 3 zumindest in einem zur Pufferschicht 2 hin gewandten Bereich zwischen etwa 1% und etwa 7%. Dieser Bereich der Kontaktschicht 3 wird beim Laser-Liftoff unter Bildung von gasförmigem Stickstoff und metallischem Ga und Al zersetzt und A1 wird aufgeschmolzen und in die verbleibende Kontaktschicht 3 eingesintert.
Auf diese Weise kann an der GaN-Kontaktschicht 3 ein Aluminium-n-Kontakt erzeugt werden.
Auf die mikrostrukturierte Fläche der GaN-Kontaktschicht 3 wird nachfolgend ein Bondpad, insbesondere eine Bondpad-Metallisierung zum elektrischen Anschließen der n-Seite der Halbleiterschichtfolge 100 aufgebracht (1e). Dieser weist beispielsweise TiAl auf.
Durch die Mikrostrukturierung der Kontaktschicht 3 wird eine Aufrauung auf einer Skala erzeugt, die dem blauen Spektralbereich des sichtbaren Spektrums elektromagnetischer Strahlung entspricht. Die Aufrauungsstrukturen liegen insbesondere in der Größenordnung einer halben inneren Wellenlänge der in der aktiven Halbleiterschicht 5 erzeugten elektromagnetischen Strahlung.
Beim Aufwachsen der epitaktischen Schichtenfolge mittels MOVPE (metallorganische Gasphasenepitaxie) wird vorzugsweise die 000-1-Kristallfläche (N-Face des hexagonalen Nitridgitters) dem Saphir-Aufwachssubstrat zugewandt.
Als Strahlungsquelle für das Laser-Liftoff-Verfahren wird eine Laser-Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 350 nm und 360 nm oder kurzwelliger verwendet.
Auf der von der Halbleiterschichtfolge 100 abgewandten Seite des Trägerkörpers 10 wird vor oder nach dessen Verbinden mit der Halbleiterschichtfolge 100 eine Kontaktschicht 12 zum elektrischen Anschließen des Dünnschicht-Leuchtdiodenchips 20, wie er in der 1e ausschnittsweise dargestellt ist, aufgebracht. Diese Kontaktschicht besteht beispielsweise aus Al oder aus einer Ti/Al-Schichtfolge.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Spiegelschicht vor dem Verbinden mit dem Trägerkörper 10 mit einer ähnlichen Skala wie die Kontaktschicht 3 mikrostrukturiert werden.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens nach dem Ausführungsbeispiel verbleibt nach dem Laser-Liftoff keine vollständig durchgehende Schicht von metallischem Ga und ggf. Al auf der Kontaktschicht 3, sondern nur eine netzartige oder inselartige Struktur von metallischen Ga und ggf. Al-Rückständen, die beim nachfolgenden Vorätzschritt zumindest annähernd in die Kontaktschicht 3 übertragen wird, um für die nachfolgende KOH-Ätzung bewußt unterschiedliche Kristallfacetten anzubieten.
Für den Vorätzschritt eignet sich wiederum wie oben beschrieben ein Trockenätzverfahren (RIE-Verfahren) oder ein nass-chemisches Ätzverfahren, vorzugsweise mit KOH in verdünnter Form (z.B. KOH 5% bei Raumtemperatur; Ätzzeit 5 min bis 15 min).
Für den folgenden Nachätzschritt wird wiederum bevorzugt KOH, besonders bevorzugt wie oben beschrieben in konzentrierter Form, verwendet.
KOH wirkt selektiv auf unterschiedliche Kristallfacetten und führt so zu einer mikroskopischen Aufrauung. Als Ätzkeime dienen dabei Ätzkanten aus dem vorangehenden RIE-Prozeß und Kristalldefekte in der Kontaktschicht oder ggf. im verbliebenen Bereich der Pufferschicht 2, falls diese beim Laser-Liftoff nicht vollständig zersetzt worden ist.
Alternative kann wiederum für den Nachätzschritt als Ätzmittel ein korrosives Gas, beispielsweise H oder Cl, verwendet werden, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, die insbesondere größer oder gleich 800° C ist.
Das in den 3a bis 3e schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der 1a bis 1e und deren verschiedenen Ausführungsformen insbesondere dadurch, dass beim Laser-Liftoff 110 (3b) nahezu keine oder überhaupt keine Rückstände von metallischem Ga und ggf. Al auf der Kontaktschicht 3 verbleiben und dass unmittelbar nach dem Laser-Liftoff 110 die Kontaktschicht 3 mit einem KOH-haltigen Ätzmittel, vorzugsweise in der oben beschriebenen konzentrierten Form, geätzt wird (angedeutet durch die Pfeile 130 in 3c) .
Selbstverständlich kann auch hier, falls zweckmäßig, vor dem Ätzen mit KOH vorgeätzt werden, um beispielsweise unterschiedliche Kristallfacetten und/oder -defekte freizulegen, oder wie beschrieben ein korrosives Gas wie H oder Cl, als Ätzmittel verwendet werden.
Alternativ kann auch hier, ebenso wie beim oben in Verbindung mit den 1a bis 1e beschriebenen Ausführungsbeispiel; nach dem Trennen vom Substrat 1 auf der Kontaktschicht 3 eine Restschicht der Pufferschicht 2 verbleiben, falls diese dicker ist als deren beim Trennschritt zersetzte Zone. Die Aufrauung wird dann auf dem Rest der Pufferschicht 2 erzeugt.

Claims

Verfahren zur Mikrostrukturierung einer strahlungsemittierenden Fläche einer Halbleiterschichtfolge für einen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit folgenden Verfahrensschritten : (a) Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge auf einem Substrat; (b) Ausbilden oder Aufbringen einer Spiegelschicht auf der Halbleiterschichtfolge, die zumindest einen Teil einer in der Halbleiterschichtfolge bei deren Betrieb erzeugten und zur Spiegelschicht hin gerichteten Strahlung in die Halbleiterschichtfolge zurückreflektiert; (c) Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Substrat mittels eines Abhebe-Verfahrens, bei dem eine Trennzone in der Halbleiterschichtfolge zumindest teilweise zersetzt wird, wobei an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge, von der das Substrat abgetrennt ist, anisotrop Rückstände eines Bestandteils der Trennzone verbleiben; und (d) Ätzen der mit den Rückständen versehenen Trennfläche der Halbleiterschichtfolge mittels eines Trockenätzverfahrens, mittels eines gasförmigen Ätzmittels oder mittels eines nass-chemischen Ätzmittels, bei dem die anisotropen Rückstände zumindest temporär als Ätzmaske verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rückstände Rückstände eines metallischen Bestandteils der Trennschicht sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt (d) sowohl Rückstände der Trennzone als auch die Halbleiterschichtfolge an deren Trennfläche materialabtragend geätzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Schritt (d) unterschiedliche Kristallfacetten der Halbleiterschichtfolge freigelegt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das nass-chemische Ätzmittel KOH, vorzugsweise in verdünnter Form, enthält, oder das gasförmige Ätzmittel ein korrosives Gas, insbesondere H oder Cl, enthält.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach Verfahrensschritt (d) die geätzte Trennfläche mit einem weiteren nass-chemischen oder gasförmigen Ätzmittel behandelt wird, das vorwiegend an Kristalldefekten ätzt und unterschiedliche Kristallfacetten an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge selektiv ätzt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das weitere nass-chemische Ätzmittel KOH, vorzugsweise in konzentrierter Form, oder das gasförmige Ätzmittel ein korrosives Gas, insbesondere H oder Cl enthält.
Verfahren zur Mikrostrukturierung einer strahlungsemittierenden Fläche einer Halbleiterschichtfolge für einen Dünnschicht-Leuchtdiodenchip mit folgenden Verfahrensschritten : (a) Aufwachsen der Halbleiterschichtfolge auf einem Substrat; (b) Ausbilden oder Aufbringen einer Spiegelschicht auf der Halbleiterschichtfolge, die zumindest einen Teil einer in der Halbleiterschichtfolge bei deren Betrieb erzeugten und zur Spiegelschicht hin gerichteten Strahlung in die Halbleiterschichtfolge zurückreflektiert; (c) Trennen der Halbleiterschichtfolge vom Substrat, bei dem eine Trennzone aus Verbindungshalbleitermaterial der Halbleiterschichtfolge zumindest teilweise zersetzt wird, und (d) Ätzen der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge, von der das Substrat abgetrennt ist, mit einem Ätzmittel, das vorwiegend an Kristalldefekten ätzt und unterschiedliche Kristallfacetten an der Trennfläche selektiv ätzt; wobei in der Trennzone AlGaN enthalten ist, dessen Al-Gehalt derart gewählt ist, dass es in Schritt (c) zersetzt wird, und Al in die Halbleiterschichtfolge eingesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in Schritt (d) das Ätzmittel KOH, vorzugsweise in konzentrierter Form, enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in Schritt (d) das Ätzmittel ein korrosives Gas, insbesondere H oder Cl enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Al-Gehalt zwischen etwa 1% und etwa 10%, insbesondere zwischen etwa 1% und etwa 7% Al liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem in Schritt (c) Al aufgeschmolzen und in die Halbleiterschichtfolge eingesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Trennzone eine GaN-Schicht aufweist, an die sich gesehen vom Substrat eine AlGaN-Schicht anschließt und in Schritt (c) die gesamte GaN-Schicht und ein Teil der AlGaN-Schicht zersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge ein Aluminium-n-Kontakt erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in Schritt (c) in der Trennzone Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial der Halbleiterschichtfolge derart zersetzt wird, dass gasförmiger Stickstoff entsteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abhebe-Verfahren ein Laser-Abhebe-Verfahren ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtfolge an der Trennfläche eine im Vergleich zu einem aus Sicht des Substrats der Trennfläche nachgeordneten Teil der Halbleiterschichtfolge erhöhte Defektdichte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Bereich der Halbleiterschichtfolge, in dem die Trennzone liegt, eine Pufferschicht ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtfolge mindestens ein Material aus dem System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 enthält.
Verfahren nach Anspruch 19 unter Rückbezug auf mindestens einen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Trennzone im Wesentlichen GaN aufweist und auf der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge anisotrop Rückstände aus metallischem Ga zurückbleiben.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtfolge an deren Trennfläche eine Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1*10¹⁸ cm^-3 und einschließlich 1*10²⁰ cm^-3 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Dotierstoff Si ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Saphir-Substrat verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf die mikrostrukturierte Trennfläche der Halbleiterschichtfolge ein Kontaktpad, insbesondere eine Kontaktmetallisierung zum elektrischen Anschließen der Halbleiterschichtfolge aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem durch die Mikrostrukturierung an der Trennfläche der Halbleiterschichtfolge eine Aufrauung auf einer Skala erzeugt wird, die einem Wellenlängenbereich einer von der Halbleiterschichtfolge in deren Betrieb ausgesandten elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Aufrauungsstrukturen in der Größenordnung einer halben inneren Wellenlänge liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtfolge insgesamt aus hexagonalem GaN-basiertem Material auf dem Substrat auf gewachsen wird, bei dem die 000-1-Kristallfläche dem Substrat zugewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 27 unter Rückbezug auf Anspruch 16, bei dem in Schritt (c) eine Laser-Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 350 nm und 360 nm oder kürzerer Wellenlänge verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem in Schritt (b) ein Braggspiegel aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 28, bei dem in Schritt (b) eine Spiegelschicht hergestellt wird, die eine strahlungsdurchlässige Schicht und eine, gesehen von der Halbleiterschichtfolge, dieser nachgeordnete reflektierende Schicht aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 30, bei dem die Spiegelschicht eine Reflexionsschicht mit einer Mehrzahl von Fenstern zur Halbleiterschichtfolge hin aufweist und in den Fenstern eine von der Reflexionsschicht verschiedene Stromtransportschicht angeordnet ist.
Elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip mit zumindest - einer epitaktisch hergestellten Halbleiterschichtfolge, der eine n-leitende Halbleiterschicht, eine p-leitende Halbleiterschicht und einen zwischen diesen beiden Halbleiterschichten angeordneten elektromagnetische Strahlung erzeugenden Bereich aufweist, wobei zumindest eine der Halbleiterschichten ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufweist, und - einem Trägerkörper, auf dem der Halbleiterschichtstapel angeordnet ist, zumindest eine Halbleiterschicht der Halbleiterschichtfolge mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mikrostrukturiert ist. wobei
Halbleiterchip nach Anspruch 32, bei dem die Spiegelschicht eine Mehrzahl von Fenstern zur Halbleiterschichtfolge hin aufweist.