DE102004004780A1

DE102004004780A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes mit einem elektrischen Kontaktbereich und Bauelement mit einem elektrischen Kontaktbereich

Info

Publication number: DE102004004780A1
Application number: DE200410004780
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Illek; Andreas Dr. Plößl; Peter Dr. Stauss; Gudrun Diepold; Ines Dr. Pietzonka; Wilhelm Dr. Stein; Ralph Dr. Wirth; Walter Wegleiter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2024-01-31
Also published as: DE102004004780B4; DE102004004780B9

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes mit einem elektrischen Kontaktbereich auf einer n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Außenschicht einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, bei dem elektrisches Kontaktmaterial, welches Au und mindestens einen Dotierstoff aufweist, aufgebracht und die Außenschicht nachfolgend getempert wird. Der Dotierstoff enthält mindestens eine Element aus der Gruppe Ge, Si, Sn und Te. DOLLAR A Zudem beschreibt die Erfindung ein Bauelement, das eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetische Strahlung emittierender aktiver Zone aufweist, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht aufweist, auf der ein elektrischer Kontakt, entsprechend dem vorgenannten Verfahren, aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes mit einem elektrischen Kontaktbereich, der auf einer Außenschicht einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Bauelement, welches eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetischer Strahlung emittierender aktiver Zone aufweist, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine Außenschicht aufweist, auf der ein elektrischer Kontakt aufgebracht ist.
Die Außenschicht basiert insbesondere auf AlGaInP oder AlGaInAs.
Unter einer AlGaInP- bzw. AlGaInAs-basierten Schicht ist eine Schicht zu verstehen, die mindestens ein Material Al_xGa_yIn_1-x- _yP oder Al_xGa_yIn_1-x- _yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 umfasst. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In und P oder As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Bei kommerziellen, auf AlGaInP oder AlGaInAs basierenden Halbleiterbauelementen ist die Vorderseite, d.h. die von einem Aufwachssubstrat abgewandte Seite einer Halbleiterschichtenfolge, in der Regel derart dotiert, daß sie p-leitend ist. Dies liegt insbesondere in der Tatsache begründet, daß kommerzielle GaAs-Substrate in der erforderlichen Qualität nur als n-dotierte Substrate verfügbar sind, auf denen zunächst eine n-dotierte epitaktische Halbleiterstruktur aufgebracht wird. Aus diesem Grunde werden elektrische Kontakte bei AlGaInP-basierten Halbleiterschichtenfolgen bislang fast ausschließlich auf p-dotierten Schichten erzeugt.
Unter einer Außenschicht oder einer außenliegenden Halbleiterschicht ist im Folgenden eine Halbleiterschicht einer Halbleiterschichtenfolge zu verstehen, der auf einer von zwei Hauptseiten zumindest in Teilbereichen keine weiteren Halbleiterschichten nachgeordnet sind. Insbesondere handelt es sich um eine Halbleiterschicht einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, der auf einer Seite zumindest in Teilbereichen keine weiteren Halbleiterschichten nachgeordnet sind.
Außenliegende n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierende Halbleiterschichten, die elektrisch zu kontaktieren sind, kommen beispielsweise bei Dünnfilm-Leuchtdioden vor. Bei deren Herstellung wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge wie allgemein üblich mit einer p-leitenden Schicht abgeschlossen. Auf diese wird dann ein Trägersubstrat aufgebracht und das Aufwachssubstrat wird zumindest teilweise von der Halbleiterschicht entfernt, so daß eine n-leitende Halbleiterschicht, mit der beim Aufwachsen begonnen wurde, exponiert ist.
Eine weitere Möglichkeit, elektrisch zu kontaktierende, n-leitende außenliegende Halbleiterschichten zu erhalten, wenn das Aufwachsen mit einer p-leitenden Schicht abgeschlossen wird, ist, p-leitende Schichten an mindestens einer Stelle zu entfernen, bis ein Teil einer n-leitenden, zu kontaktierenden Schicht freiliegt. Auf diese Weise kann man beispielsweise bei einer Leuchtdiode beide elektrischen Kontakte auf einer Seite herstellen.
Desweiteren sind auch Technologien denkbar, bei denen beim Aufwachsen einer epitaktischen AlGaInP- oder AlGaInAs-basierenden Halbleiterschichtenfolge mit einer p-leitenden Schicht begonnen und mit einer n-leitenden Schicht abgeschlossen wird, so daß von vornherein eine n-leitende Halbleiterschicht außenliegend ist.
Um einen elektrischen Kontakt zu einer n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Halbleiterschicht zu erzeugen, kann z.B. mittels Direct-Wafer-Bonding ein elektrisch leitender Kontakt zu einem GaP-Zwischensubstrat erzeugt werden, auf welches dann ein elektrischer Anschlußkontakt aufgebracht wird (siehe z.B. F.A. Kish, F.M. Steranka et al., „Very highefficiency semiconductor wafer-bonded transparent substrate (Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P/GaP light emitting diodes", 1994, Appl. Phys. Lett. 64(21): 2839–2841). Die Technologie zum Herstellen eines direkt auf eine derartige n-leitende Halbleiterschicht aufgebrachten elektrischen Anschlußkontaktes ist dagegen noch nicht hinreichend entwickelt. Gleichzeitig steigt der Bedarf an Möglichkeiten zur Herstellung derartiger elektrischer Kontakte zunehmend.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein elektrischer Kontaktbereich direkt auf einer n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Halbleiterschicht erzeugt werden kann. Desweiteren soll ein Bauelement mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetische Strahlung emittierender aktiver Zone, das einen derartigen elektrischen Kontakt aufweist, entwickelt werden.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 23 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Das Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes beinhaltet ein Bereitstellen einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, die eine zumindest teilweise exponierte n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht und eine elektromagnetische Strahlung emittierende aktive Zone umfasst. Auf die Außenschicht wird ein elektrisches Kontaktmaterial, welches Au und mindestens einen Dotierstoff aufweist, aufgebracht, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe Ge, Si, Sn und Te enthält. Nachfolgend wird die Außenschicht getempert.

Das Tempern bewirkt ein Eindiffundieren von Dotierstoff aus dem Kontaktmaterial in die Außenschicht, wodurch diese im Randbereich sehr stark n-dotiert wird. Dadurch wird eine Potentialbarriere zwischen der AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Außenschicht und dem Kontaktmaterial so schmal, dass effektiv ein ohmscher elektrischer Kontakt geschaffen ist. Die Bezeichnung Dotierstoff bezieht sich in diesem Zusammenhang also auf die Funktion des jeweiligen Stoffes in der Außen schicht, in welche dieser insbesondere beim Tempern hineindiffundiert.

Durch das Aufbringen einer elektrischen Kontaktstruktur direkt auf die n-leitende Außenschicht ergibt sich, verglichen mit einer Herstellung eines elektrischen Kontaktes über ein Zwischensubstrat, ein deutlich vereinfachtes Verfahren. Mit diesem lässt sich etwa eine einfache Schichtstruktur erreichen, so dass sowohl Herstellungskosten als auch Herstellungszeit eingespart werden können.

Die Außenschicht basiert besonders bevorzugt auf einem quaternären Halbleitermaterial, d.h. sie weist mindestens Al, Ga, In und P oder mindestens Al, Ga, In und As auf. Üblicherweise werden quaternäre Epitaxieschichten als elektrisch zu kontaktierende Außenschichten vermieden, oftmals werden gezielt zumindest ternäre Materialien oder GaAs als Außenschicht aufgebracht. Mittels der Erfindung ist jedoch insbesondere die Verwendung eines auf einem quaternären Halbleitermaterial basierenden Materials für die Außenschicht möglich. Dadurch kann sich ein Epitaxieverfahren zur Herstellung der Halbleiterschichtenfolge vereinfachen, etwa indem ein Aufwachsen einer zusätzlichen binären oder ternären Epitaxieschicht als Außenschicht über einem quaternären Halbleitermaterial überflüssig wird.

Der Anteil von Dotierstoffen im elektrischen Kontaktmaterial beträgt mit besonderem Vorteil zwischen 0 und einschließlich 5 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 0 und einschließlich 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 1,5 Gewichtsprozent.

Au und Dotierstoffe können gemeinsam in einer Legierung vorliegen, was eine mögliche Ausführungsform ist. Alternativ kann das elektrische Kontaktmaterial auch aus mehreren Materialschichten zusammengesetzt sein, von denen mindestens eine im Wesentlichen aus Au und mindestens eine weitere im Wesentlichen aus mindestens einem der Dotierstoffe besteht.

Ebenfalls mit besonderem Vorteil weist das elektrische Kontaktmaterial mindestens eine Legierung mit Au und mindestens einem der Dotierstoffe auf, wobei das Verhältnis von Au und Dotierstoff etwa der jeweiligen eutektischen Zusammensetzung entspricht. Diese enthält bei Au-Ge etwa 12 Gewichtsprozent Ge, bei Au-Si etwa 3 Gewichtsprozent Si, bei Au-Sn etwa 20 Gewichtsprozent Sn und bei Au-Te etwa 42 Gewichtsprozent Te. Eutektische Zusammensetzungen weisen einen niedrigeren Schmelzpunkt auf, weshalb ein derart beschaffenes Kontaktmaterial zweckmäßigerweise etwa dann zu wählen ist, wenn vorgesehen ist, das Tempern und das Verlöten des Chips mit einem Bonddraht gleichzeitig durchzuführen oder wenn ein einfaches Ablösen des elektrischen Kontaktmaterials erwünscht ist.

Vor oder nach dem Tempern der Außenschicht wird bevorzugt elektrisches Anschlußmaterial derart aufgebracht, dass es Kontakt zu dem Kontaktmaterial hat. Der Kontakt sollte von einer Art sein, dass nach der Durchführung aller Verfahrensschritte ein elektrischer Kontakt zwischen elektrischem Anschluß- und Kontaktmaterial besteht.

Mit Vorteil weist das elektrische Anschlußmaterial gesehen von der Außenschicht mindestens eine erste und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht eine Diffusionssperre darstellt und die zweite Schicht eine elektrische Anschlußfläche ausbildet.

Hierbei weisen die erste Schicht bevorzugt mindestens einen der Stoffe Ti, Pt, TiPt, TiW, TiN und TiW:N und die zweite Schicht mindestens einen der Stoffe Al, Ti, Pt und Au auf. Hierbei ist es auch möglich, dass die erste Schicht mehrere derartige Teilschichten aufweist.

Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren vor dem Aufbringen des Kontaktmaterials zumindest eine für den elektrischen Kontaktbereich vorgesehene Fläche auf der n-leitenden Außenschicht gereinigt. Mit dieser Maßnahme läßt sich eine deutliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit der elektrischen Kontakte hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit erzielen, was für einen effektiven Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Serienproduktion erforderlich ist.

Vor dem Aufbringen von Kontaktmaterial wird mit besonderem Vorteil eine Schicht aufgebracht, die mindestens einen der Stoffe Ti, Cr, V und Ni aufweist und eine Dicke zwischen 0,1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 und 20 nm aufweist, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Durch das Unterlegen des Kontaktmaterials mit derartigen Stoffen wird die niedrigste Temperatur zum Tempern, bei der noch ein ausreichend gut leitender elektrischer Kontakt ausgebildet werden kann, verringert. Zusätzlich wird dadurch die Haftung zwischen dem Kontaktmaterial und der Außenschicht verbessert.

Der elektrische Kontaktbereich wird bevorzugt erzeugt, indem in einem Schritt zunächst eine Maskenschicht auf die Außenschicht aufgebracht wird, in welche an den Stellen, an denen elektrische Kontaktbereiche vorgesehen sind, Fenster ausgebildet werden. Nach dem Aufbringen des elektrischen Anschlußmaterials wird das auf der Maskenschicht befindliche Kontakt- und Anschlußmaterial durch Entfernen der Maskenschicht abgehoben. Durch so ein Verfahren ist es möglich, den Kontaktbereich mit nur einem Lithographieverfahren herzustellen, selbst wenn dieser mehrere Schichten aufweist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Außenschicht mit mindestens einem der Stoffe Te, Si, Se, S, Ge und Sn dotiert, mit einer Konzentration, die größer als oder gleich 5·10¹⁷ cm^–3 ist und die bevorzugt im Bereich größer als oder gleich 8·10¹⁷ cm^–3 und kleiner als oder gleich 5·10¹⁹ cm^–3 liegt.

Die Außenschicht ist vorteilhafterweise Bestandteil einer auf ein Aufwachssubstrat aufgewachsenen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, welche mit der n-leitenden Außenschicht beginnend aufgewachsen ist. Die Außenschicht wird freigelegt, indem die Halbleiterschichtenfolge vorderseitig auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird und nachfolgend das Aufwachssubstrat sowie etwaige Zwischenschichten zwischen dem Aufwachssubstrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge entfernt werden. Vorderseitig bedeutet in diesem Zusammenhang auf der von dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens kann das Trägersubstrat deutlich dünner als das Aufwachssubstrat gewählt werden.

Bevorzugt ist eine derartige epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, insbesondere für eine Dünnfilm-Leuchtdiode.

Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfol ge 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
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, 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 I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Vor dem Tempern wird zwischen dem Trägersubstrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zweckmäßigerweise eine Lotschicht ausgebildet. Nachfolgend wird bei einer Temperatur getempert, bei der die Lotschicht im wesentlichen nicht aufschmilzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Tempern auf der von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche des Trägersubstrats ein elektrischer Rückseitenkontakt aufgebracht. Somit kann durch nur einen Tempervorgang sowohl der elektrische Kontaktbereich als auch der Rückseitenkontakt gleichzeitig getempert werden.

Das Trägersubstrat weist zweckmäßigerweise ein Halbleitermaterial, insbesondere GaAs oder Ge auf und der Rückseitenkontakt weist bevorzugt Au sowie mindestens einen der Stoffe Ge, Zn und Be auf.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist die Außenschicht zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis a:(1 – a), mit 0,4 ≤ a ≤ 1 auf.

Bei auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Bauelementen mit p-leitend dotierten Außenschichten weisen diese Außenschichten üblicherweise einen möglichst niedrigen Al-Gehalt auf, da sich mit steigendem Al-Gehalt deren elektrische Kontaktierbarkeit verschlechtert. Bei n-leitend dotierten Außenschichten von auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Bauelementen wurde dagegen die überraschende Feststellung gemacht, dass sich die Kontaktierbarkeit der Außenschicht ab einem gewissen Al-Anteil mit steigendem Al-Gehalt zunächst verbessert, um darauf ein Maximum zu durchlaufen und mit weiter steigendem Al-Gehalt wieder schlechter zu werden.

Zudem konnte unerwartet festgestellt werden, dass sich bei elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelementen ab etwa dem gleichen Al-Anteil in der Außenschicht, ab dem eine Verbesserung der Kontaktierbarkeit beobachtet werden konnte, die Strahlungsausbeute des Bauelements mit steigendem Al-Gehalt verbessert.

Über den Al-Gehalt bzw. über das Verhältnis von Al und Ga in der Außenschicht lässt sich demnach sowohl die elektrische Kontaktierbarkeit der AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Schicht als auch die Strahlungsausbeute eines Bauelements deutlich verbessern. Je nachdem ob beispielsweise die Kontaktierbarkeit der Außenschicht oder die Strahlungsausbeute von größerer Bedeutung sind kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verhältnis a:(1 – a) von Al zu Ga in der Außenschicht ein Wert a, der knapp größer ist als 0,4, oder ein Wert, der deutlich größer ist als 0,4 besonders vorteilhaft sein.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist a vorteilhafterweise größer als oder gleich 0,45. In einer weiteren Ausführungsform ist a mit Vorteil größer oder gleich 0,5

Bevorzugt beträgt der Wert für a maximal 0,65. Alternativ beträgt a bevorzugt maximal 0,6.

Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtenfolge eine zwischen der Außenschicht und der aktiven Zone angeordnete Stromaufweitungsschicht auf, die zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis b:(1 – b) aufweist, mit 0,4 ≤ b ≤ 1. Ähnlich wie bei der Außenschicht kann sich ein derartiger Al-Gehalt bzw. ein derartiges Verhältnis von Al und Ga auch in der Stromaufweitungsschicht vorteilhaft auf Eigenschaften des Bauelements auswirken.

Für den Parameter b sind in zwei vorteilhaften Ausführungsformen Werte von mindestens 0,45 bzw. von mindestens 0,5 vorgesehen.

Bevorzugt entspricht das Verhältnis von Al und Ga zumindest in Teilen der Stromaufweitungsschicht im Wesentlichen einem Verhältnis von Al und Ga in Teilen der Außenschicht. Dadurch kann beispielsweise eine Epitaxie zum Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht und der Außenschicht vereinfacht werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement weist eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetische Strahlung emittierender aktiver Zone auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht aufweist, auf der ein elektrischer Kontakt aufgebracht ist. Der elektrische Kontakt umfasst Kontaktmaterial, welches Au und mindestens einen Dotierstoff aufweist, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe Ge, Si, Sn und Te enthält.

Die Außenschicht basiert besonders bevorzugt auf einem quaternären Halbleitermaterial.

Bevorzugt weist der elektrische Kontakt elektrisches Anschlußmaterial auf.

Hierbei weisen die erste Schicht bevorzugt mindestens einen der Stoffe Ti, Pt, TiPt, TiW, TiN und TiW:N und die zweite Schicht mindestens einen der Stoffe Al und Au auf. Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, dass die erste Schicht mehrere derartige Teilschichten aufweist.

Das Kontaktmaterial ist vorteilhafterweise mit einer Schicht unterlegt, die mindestens einen der Stoffe Ti, Cr, V und Ni aufweist und eine Dicke zwischen 0,1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 und 20 nm aufweist, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Durch das Unterlegen des Kontaktmaterials mit derartigen Stoffen wird u.a. die Haftung zwischen dem Kontaktmaterial und Außenschicht verbessert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist die Außenschicht mit mindestens einem der Stoffe Te, Si, Se, S, Ge und Sn dotiert, mit einer Konzentration, die größer als oder gleich 5·10¹⁷ cm^–3 ist und die bevorzugt im Bereich größer als oder gleich 8·10¹⁷ cm^–3 und kleiner als oder gleich 5·10¹⁹ cm^–3 liegt.

Bevorzugt ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Bauteils eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, insbesondere eine Dünnfilm-Leuchtdiode.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Bauelementes weist die Außenschicht zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis a:(1 – a), mit 0,4 ≤ a ≤ 1 auf.

In einer Ausführungsform des Bauelements ist a mit besonderem Vorteil größer als oder gleich 0,45. In einer weiteren Ausführungsform ist a mit besonderem Vorteil größer oder gleich 0,5

Für den Parameter b sind in zwei vorteilhaften Ausführungsformen des Bauteils Werte von mindestens 0,45 bzw. von mindestens 0,5 vorgesehen.

Bevorzugt entspricht das Verhältnis von Al und Ga zumindest in Teilen der Stromaufweitungsschicht im Wesentlichen einem Verhältnis von Al und Ga in Teilen der Außenschicht. Dadurch kann beispielsweise die Epitaxie zum Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht und der Außenschicht vereinfacht sein.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den 1a bis 2e beschriebenen zwei Ausführungsbeispielen. Es zeigen in schematischer Darstellung:

die 1a und 1b verschiedene Verfahrensstadien eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

die 2a bis 2e verschiedene Verfahrensstadien eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens, und

3 die Strahlungsausbeute von elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelementen mit unterschiedlichen Werten für a in Abhängigkeit von a.

1a zeigt eine auf ein Aufwachssubstrat 17 aufgewachsene epitaktische Halbleiterschichtfolge 8. Diese ist mit einer n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Außenschicht 7 beginnend aufgewachsen und weist eine elektromagnetische Strahlung emittierende aktive Zone auf (nicht dargestellt). Die Außenschicht 7 weist mindestens ein Material der Zusammensetzung Al_xGa_yIn_1-x- _yP oder Al_xGa_yIn_1-x- _yAs mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 auf. Beipielsweise besteht sie aus (Al_aGa_1- _a)_0,5In_0,5P, wobei a z.B. 0, 55 beträgt . Dieser Wert für a ergibt eine gute elektrische Kontaktierbarkeit der Außenschicht 4 mittels einem elektrischen Kontakt 2.

Die aktive Zone weist beispielsweise einen strahlungserzeugenden pn-Übergang oder eine strahlungserzeugende Einfach- oder Mehrfach-Quantenstruktur auf. Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher nicht näher erläutert. Das Aufwachssubstrat 17 kann beispielsweise aus n-dotiertem GaAs bestehen.

In 1b ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 8 vorderseitig, d.h. mit der vom Aufwachssubstrat 17 abgewandten Seite auf ein Trägersubstrat 14 aufgebracht und das Aufwachssubstrat 17 von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 entfernt. Auf der freigelegten Außenschicht 7 wird ein elektrischer Kontakt 2 hergestellt. Dieser weist eine etwa 10 nm dicken Ti-Schicht 16, eine Kontaktschicht 3 aus Au:Ge mit etwa 1 Gewichtsprozent Ge, sowie Anschlußmaterial 6 auf. Das Anschlußmaterial 6 umfasst eine Sperrschicht 4, die aus Stickstoff dotiertem TiW besteht, sowie eine Anschlußschicht 5 aus Aluminium. Diese verschiedenen Materialschichten des elektrischen Kontaktes 2 können beispielsweise jeweils durch Lithographie mittels Maskenschichten und Aufdamp fen aufgebracht werden. Die Oberfläche der Anschlußschicht 5 ist geeignet, um einen Bond-Draht anzuschließen.

Die Anschlußschicht 5 kann alternativ aus einer Schichtenfolge mit einer beispielsweise 100 nm dicken Ti-Schicht, einer 100 nm Pt-Schicht und einer 1000 nm Au-Schicht bestehen. Bei einer derartigen Anschlußschicht 5 beträgt die Dicke der Kontaktschicht 3 mit Vorteil zwischen einschließlich 10 und einschließlich 300 nm, z.B. etwa 200 nm. Dadurch kann sich, verglichen mit deutlich dickeren Kontaktschichten, ein verbesserter elektrisch leitender Kontakt bzw. ein geringerer Spannungsabfall an diesem Kontakt ergeben. Außerdem ergibt sich dadurch ein verringerter Materialverbrauch, eine geringere Prozeßzeit beim Aufdampfen der Kontaktschicht 3 und eine verbesserte Strukturierbarkeit der Kontaktschicht.

Als eine weitere Alternative kann die Kontaktschicht 3 aus zwei Teilschichten bestehen, von denen eine beispielsweise eine 10 nm dicke Ge-Schicht und die andere z.B. eine 200 nm dicke Au-Schicht sein kann. Hierbei sind beide Reihenfolgen möglich. Ebenfalls möglich ist eine Kontaktschicht, die aus einer Legierung von beispielsweise 88 Gewichtsprozent Au und 12 Gewichtsprozent Ge besteht, was für diese Materialien die eutektische Zusammensetzung ist.

Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 8 ist mittels einer Lotschicht 11 mit dem Trägersubstrat 14 verbunden. Zwischen der Lotschicht 11 und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 sind, von der Lotschicht 11 aus gesehen, eine Sperrschicht 10 sowie eine AuZn-Schicht 9 aufgebracht. Zwischen der Lotschicht 11 und dem Trägersubstrat 14 sind von der Lotschicht 11 aus gesehen eine weitere Sperrschicht 12 sowie ein elektrischer Zwischenkontakt 13 aufgebracht. Auf der von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 abgewandten Seite des Trägersubstrats 14 ist ein elektrischer Rückseitenkontakt 15 aufgebracht.

Das Trägersubstrat 14 kann beispielsweise aus GaAs bestehen, der Zwischenkontakt 13 und der Rückseitenkontakt 15 können beispielsweise aus Au:Ge bestehen, die Lotschicht 11 ist beispielsweise aus AuSn.

Die Außenschicht 7 ist mit Tellur dotiert, mit einer Konzentration von etwa 1·10¹⁹ cm^–3. Sie wird vor dem Aufbringen des elektrischen Kontaktbereiches 2 gereinigt, was beispielsweise mit stark verdünnter HCl, kalter Phosphorsäure oder einer flußsäurehaltigen Lösung geschehen kann.

Nachfolgend wird der Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip 1 getempert, so daß Ge aus der Kontaktschicht 3 des elektrischen Kontaktbereiches 2, aus dem Zwischenkontakt 13 sowie dem Rückseitenkontakt 15 in die jeweilige angrenzende Halbleiterschicht diffundieren kann und somit jeweils ein gut leitender elektrischer Kontakt ausgebildet wird, der praktisch ohmsch ist. Das Tempern wird ausreichend lange und bei einer Temperatur durchgeführt, bei der die Lotschicht 11 im Wesentlichen nicht aufschmilzt, was ansonsten beim Wiedererstarren der Lotschicht zu einer unvorteilhaften Verformung von dieser und zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften des Dünnfilm-Leuchtdioden-Chips führen könnte.

Das Aufbringen der Ti-Schicht 16 führt beim Tempern zu einer niedrigeren Mindesttemperatur, bei der sich ein ausreichend guter elektrischer Kontakt ausbildet. Dies kann insbesondere im Zusammenhang mit dem möglichen Verfahrensschritt des Temperns bei einer Temperatur, bei der die Lotschicht 11 im We sentlichen nicht aufschmilzt, besonders vorteilhaft für das Verfahren sein.

In 2a bis 2e ist eine n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht 7 gezeigt, auf welche mittels Abhebetechnik ein elektrischer Kontaktbereich aufgebracht wird. Hierfür wird zunächst eine Maskenschicht 18 aufgebracht, was in 2a gezeigt ist. In der Maskenschicht 18 wird derart ein Fenster ausgebildet, dass die das Fenster begrenzenden Flächen der Maskenschicht 18 einen spitzen Winkel mit der Oberfläche der Außenschicht 7 einschließen, so daß das Fenster auf seiner zu Außenschicht 7 gewandten Seite einen größeren Querschnitt aufweist als auf seiner gegenüberliegenden Seite (siehe 2b).

In 2c ist mittels eines gerichteten Abscheideverfahrens eine Kontaktschicht 3 aufgebracht. Nachfolgend werden mittels eines ungerichteten, überformenden Beschichtungsverfahrens eine Sperrschicht 4 sowie eine Anschlußschicht 5 aufgebracht, wie in 2d gezeigt ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Anschlußschicht grundsätzlich auch mit nicht überformenden Verfahren hergestellt werden kann. Mittels eines Lösungsmittels kann die Maskenschicht 18 nachfolgend entfernt und somit das darauf befindliche Material abgehoben werden. Ein geeignetes Material für die Maskenschicht 18 sowie ein geeignetes Lösungsmittel zum Auflösen von dieser sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht explizit angegeben. Übrig bleibt, wie in 2e gezeigt, lediglich der elektrische Kontaktbereich 2, welcher nachfolgend getempert werden kann.

Bei dem in 3 gezeigten Graphen ist die gemessene Strahlungsausbeute Φ verschiedenener Bauelemente in Abhängigkeit von a (in Prozent) des jeweiligen Bauelements aufgetragen, wobei a:(1 – a) das Verhältnis von Al und Ga in der Außenschicht bezeichnet. Bis auf den Wert für a sind die vermessenen Bauelemente im Wesentlichen gleich und entsprechen jeweils einem Bauelement gemäß dem anhand 1a und 1b erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Außenschicht 7 besteht aus (Al_xGa_1-a)In_1- _yP, mit y ungefähr 0,5 . Sie ist auf einer Stromaufweitungsschicht angeordnet, die ebenfalls Al und Ga im Verhältnis a:(1 – a) aufweist.

Φ-Werte von Bauelementen mit a zwischen knapp 0,35 und knapp 0,65 sind aufgetragen. Die Strahlungsausbeute Φ nimmt mit steigendem a zu, wobei Φ(a ≈ 0,65) gegenüber Φ(a ≈ 0,35) um etwa 50 % erhöht ist.

Zusätzlich zu den in 3 dargestellten Messungen wurde die Beobachtung gemacht, dass die elektrische Kontaktierbarkeit von Außenschichten 7 mit a ≈ 0,35 relativ schlecht ist und sich ab a ≈ 0,4 mit steigendem a zunächst verbessert, obwohl sich die Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 gleichzeitig etwas verringert. Abhängig vom Kontaktmaterial verschlechtert sich die Kontaktierbarkeit ab einem gewissen Wert von a mit steigendem a wieder. Ab a ≈ 0,65 erscheint es zunehmend schwieriger, mittels Au:Ge einen ausreichend gut leitenden elektrischen Kontakt zu der Außenschicht 7 zu realisieren, was sich mit weiter steigendem Wert für a verstärkt.

Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits beschrieben, können ganz unterschiedliche Werte für a von Vorteil sein, je nachdem wie groß beispielsweise die Bedeutung der Kontaktierbarkeit der Außenschicht 7, der Strahlungsausbeute oder der Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 für das konkrete Bauelement ist. Dies kann insbesondere auch von den Materialien der Kontaktschichtenfolge 2 und von dem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes zu der Außenschicht 7 abhängen. Demnach stellt der Wert für a von ungefähr 0,55, der vorhergehend im anhand 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel genannt wurde, keineswegs einen für alle Fälle optimalen Wert im Sinne der Erfindung dar. Vielmehr ist er als ein Beispiel zu verstehen, das unter bestimmten Aspekten besonders vorteilhaft sein kann.

Die Beschreibung des Verfahrens und des Bauteils anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung auf diese anzusehen. Beipielsweise kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer n-leitenden AlGaInP- oder AlGaInAs-basierten Außenschicht abschließend aufgewachsen sein, so dass diese von vornherein exponiert ist und direkt elektrisch kontaktiert werden kann. Zudem muß dass Kontaktmaterial und/oder das Anschlußmaterial nicht in Form einer Schicht aufgebracht werden. Vielmehr kann das elektrische Kontaktmaterial auch in beliebiger Form und auch auf mehrere, nicht zusammenhängende Bereiche verteilt aufgebracht werden. Ebenso muß das Anschlußmaterial keineswegs ganzflächig auf das Kontaktmaterial aufgebracht werden, sondern es reicht, wenn sich die Materialien an einer Stelle, z.B. in einer Ebene senkrecht zur Außenschicht, derart berühren, dass sich ein ausreichend gut leitender, elektrischer Kontakt zwischen ihnen ausbilden kann.

Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes mit einem elektrischen Kontaktbereich, das mindestens folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenfolge, die eine n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht und eine elektromagnetische Strahlung emittierende aktive Zone umfasst; – Aufbringen von elektrischem Kontaktmaterial, welches Au und mindestens einen Dotierstoff aufweist, auf die Außenschicht, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe Ge, Si, Sn und Te enthält; – Tempern der Außenschicht.
Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die Außenschicht auf einem quaternären Halbleitermaterial basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anteil von Dotierstoffen im elektrischen Kontaktmaterial höchstens 5 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 1,5 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das elektrische Kontaktmaterial aus mehreren Materialschichten zusammensetzt, von denen mindestens eine im Wesentlichen aus Au und mindestens eine weitere im Wesentlichen aus mindestens einem Dotierstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das elektrische Kontaktmaterial mindestens eine Au-Dotierstoff-Legierung aufweist, bei der das Verhältnis von Au und Dotierstoff etwa der jeweiligen eutektischen Zusammensetzung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem vor oder nach dem Tempern der Außenschicht elektrisches Anschlußmaterial derart aufgebracht wird, dass es Kontakt zu dem Kontaktmaterial hat.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das elektrische Anschlussmaterial gesehen von der Außenschicht mindestens eine erste und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine Diffusionssperre darstellt und die zweite Schicht eine elektrische Anschlussfläche ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die erste Schicht mindestens einen der Stoffe Ti, Pt, TiPt, TiW, TiN und TiW:N und die zweite Schicht mindestens einen der Stoffe Al, Ti, Pt und Au aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest eine für den elektrischen Kontaktbereich vorgesehene Fläche auf der Außenschicht vor dem Aufbringen des Kontaktmaterials gereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Kontaktmaterial mit einer Schicht unterlegt wird, die mindestens einen der Stoffe Ti, Cr, V und Ni aufweist und die eine Dicke zwischen 0,1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 und 20 nm aufweist, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem – eine Maskenschicht auf die Außenschicht aufgebracht wird, in welche an den Stellen, an denen elektrische Kontaktbereiche vorgesehen sind, Fenster ausgebildet werden, und – nach dem Aufbringen des elektrischen Anschlussmaterials das auf der Maskenschicht befindliche Kontakt- und Anschlussmaterial durch Entfernen der Maskenschicht abgehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Außenschicht mit mindestens einem der Stoffe Tellur, Silicium, Selen, Schwefel, Germanium und Zinn dotiert ist, mit einer Konzentration die größer als oder gleich 5·10¹⁷ cm^– ³ ist und die bevorzugt größer als oder gleich 8·10¹⁷ cm^– ³ und kleiner als oder gleich 5·10¹⁹ cm^– ³ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem – die Halbleiterschichtenfolge mit der Außenschicht beginnend auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen ist, – die Halbleiterschichtenfolge vorderseitig auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird und – die Außenschicht nachfolgend durch ein Entfernen des Aufwachssubstrates sowie etwaiger Zwischenschichten zwischen dem Aufwachssubstrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, insbesondere für eine Dünnfilm-Leuchtdiode ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem vor dem Tempern zwischen dem Trägersubstrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge eine Lotschicht ausgebildet und nachfolgend bei einer Temperatur getempert wird, bei der die Lotschicht im Wesentlichen nicht aufschmilzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem vor dem Tempern auf der von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche des Trägersubstrats ein elektrischer Rückseitenkontakt aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Trägersubstrat ein Halbleitermaterial, insbesondere GaAs oder Ge aufweist, vorzugsweise im Wesentlichen aus diesen Stoffen besteht, und der Rückseitenkontakt Au und mindestens einen der Stoffe Ge, Zn und Be aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 bei dem die Außenschicht zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis a:(1 – a), mit 0,4 ≤ a ≤ 1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass a ≥ 0,45.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass a ≥ 0,50.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich gilt a ≤ 0,65.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich gilt a ≤ 0,60.
Bauelement, das eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetische Strahlung emittierender aktiver Zone aufweist, wobei die Halbleiterschichtenfolge Eine n-leitende AlGaInP- oder AlGaInAs-basierte Außenschicht aufweist, auf der ein elektrischer Kontakt aufgebracht ist, bei dem der elektrische Kontakt elektrisches Kontaktmaterial umfasst, welches Au und mindestens einen Dotierstoff aufweist, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe Ge, Si, Sn und Te enthält.
Bauelement nach Anspruch 23, bei dem der elektrische Kontakt elektrisches Anschlußmaterial aufweist.
Bauelement nach Anspruch 23 oder 24, bei dem der Anteil von Dotierstoffen im elektrischen Kontaktmaterial höchstens 5 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 1,5 Gewichtsprozent beträgt.
Bauelement nacheinem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem sich das elektrische Kontaktmaterial aus mehreren Materialschichten zusammensetzt, von denen mindestens eine im Wesentlichen aus Au und mindestens eine weitere im Wesentlichen aus mindestens einem Dotierstoff besteht.
Bauelement nach Anspruch 23 oder 24, bei dem das elektrische Kontaktmaterial mindestens eine Au-Dotierstoff-Legierung aufweist, bei der das Verhältnis von Au und Dotierstoff etwa der jeweiligen eutektischen Zusammensetzung entspricht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem das elektrische Anschlussmaterial gesehen von der Außenschicht mindestens eine erste und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste eine Diffusionssperre darstellt und die zweite eine elektrische Anschlussfläche ausbildet.
Bauelement nach Anspruch 28, bei dem die erste Schicht mindestens einen der Stoffe Ti, Pt, TiPt, TiW, TiN und TiW:N und die zweite Schicht mindestens einen der Stoffe Al und Au aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 29, bei dem das Kontaktmaterial mit einer Schicht unterlegt ist, die mindestens einen der Stoffe Ti, Cr, V und Ni aufweist und die eine Dicke zwischen 0,1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 und 20 nm aufweist, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 30, bei dem Außenschicht mit mindestens einem der Stoffe Tellur, Silicium, Selen, Schwefel, Germanium und Zinn dotiert ist, mit einer Konzentration die größer als oder gleich 5·10¹⁷ cm^– ³ ist und die bevorzugt größer als oder gleich 8·10¹⁷ cm^– ³ und kleiner als oder gleich 5·10¹⁹ cm^– ³ ist .
Bauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 31, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, insbesondere für eine Dünnfilm-Leuchtdiode ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 32, bei dem die Außenschicht zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis a:(1 – a), mit 0,4 ≤ a ≤ 1 aufweist.
Bauelement nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass x ≥ 0,45.
Bauelement nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass x ≥ 0,50.
Bauelement nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich gilt x ≤ 0,65.
Bauelement nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich gilt x ≤ 0,60.
Bauelement nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtenfolge eine zwischen der Außenschicht und der aktiven Zone angeordnete Stromaufweitungsschicht aufweist, die zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis b:(1 – b) enthält, mit 0,4 ≤ b ≤ 1.
Bauelement nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass b ≥ 0,45.
Bauelement nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass b ≥ 0,50.
Bauelement nach einem der Ansprüche 33 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Al und Ga zumindest in Teilen der Stromaufweitungsschicht im Wesentlichen einem Verhältnis von Al und Ga in Teilen der Außenschicht entspricht.