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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode angegeben.
Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben.
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Die
Druckschrift
WO2007096405 beschreibt ein
Nitridhalbleiter-Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hiermit ausdrücklich
durch Rückbezug aufgenommen.
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Bei
Hochleistungsleuchtdioden, die beispielsweise als Leuchtmittel in
Lampen oder Scheinwerfern eingesetzt werden können, stellt
die Ableitung von im Betrieb erzeugter Wärme ein wichtiges Problem
dar. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Leuchtdioden eine
Hochspannungsstabilität von wenigstens 100 V, zum Beispiel
500 V bis zirka vier kV aufweisen sollten.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode mit einem thermisch
leitfähigen aber elektrisch isolierenden Leuchtdiodenträger
anzugeben.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer
Leuchtdiode wird in einem Verfahrensschritt ein Trägersubstrat bereitgestellt,
das eine Silizium-Oberfläche aufweist. Dazu kann das Trägersubstrat
beispielsweise aus Silizium bestehen. Ferner ist es möglich,
dass es sich bei dem Trägersubstrat um ein SOI-Substrat
(Silizium an Insulator) handelt. Bei der Silizium-Oberfläche des
Trägersubstrats handelt es sich beispielsweise um eine (111)-Silizium-Oberfläche.
Die Silizium-Oberfläche zeichnet sich durch ihre gute thermische
Leitfähigkeit von zirka 140 W/(mK) aus.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform eines hier beschriebenen Verfahrens
zur Herstellung einer Leuchtdiode weist das Verfahren einen Verfahrensschritt
auf, bei dem eine aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge auf der
Silizium-Oberfläche epitaktisch abgeschieden wird. Die
Schichtenfolge umfasst dabei zumindest eine Schicht. Die aluminiumhaltige
Nitrid-Schichtenfolge umfasst vorzugsweise zumindest eine Schicht,
die aus einem Material besteht, dass Aluminium und Stickstoff aufweist.
Das Material kann darüber hinaus weitere Stoffe wie Silizium
und/oder Gallium und/oder Indium umfassen.
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Die
aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge und das Trägersubstrat,
auf welches die aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge epitaktisch
abgeschieden ist, bilden einen Leuchtdiodenträger. Der
Leuchtdiodenträger ist elektrisch isolierend und weist
eine Hochspannungsstabilität von wenigstens 500 V auf. Vorzugsweise
weist der Leuchtdiodenträger eine Durchbruchspannung von
größer 1 kV auf. Solch hohe Durchbruchspannungen
können insbesondere aufgrund der aluminiumhaltigen Nitrid-Schichtenfolge
des Leuchtdiodenträgers erzielt werden. Zum Beispiel ist
die aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge elektrisch isolierend.
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Die
aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge wird beispielsweise mittels
einer der folgenden Wachstumstechniken auf die Silizium-Oberfläche des
Trägersubstrats epitaktisch abgeschieden: MOVPE (Metallorganische
Gasphasenepitaxie), HVPE (Hydridgasphasenepitaxie), MBE (Molekularstrahlepitaxie).
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren
einen Verfahrensschritt, bei dem eine Leuchtdioden-Struktur auf einem
Aufwachsträgerbereitgestellt wird. Beispielsweise wird
dazu ein Wafer bereitgestellt, bei dem eine Leuchtdioden-Struktur
epitaktisch auf den Aufwachsträger abgeschieden ist. Der
Aufwachsträger kann dabei beispielsweise Silizium, Saphir,
Siliziumcarbid oder Galliumnitrid enthalten oder aus einem dieser
Materialien bestehen. Die Leuchtdioden-Struktur basiert beispielsweise
auf dem Materialsystem InGaN. Die Leuchtdioden-Struktur umfasst wenigstens
eine aktive Zone, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung
vorgesehen ist. Die Leuchtdioden-Struktur kann durchtrennt werden.
Dadurch kann die Leuchtdioden-Struktur in eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips
vereinzelt werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer
Leuchtdiode umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem
die dem Aufwachsträger abgewandte Oberfläche der
Leuchtdioden-Struktur mit der dem Trägersubstrat abgewandten
Oberfläche des Leuchtdiodenträgers verbunden wird.
Das heißt, die Leuchtdioden-Struktur wird mit der aluminiumhaltigen
Nitrid-Schichtenfolge verbunden. Dies kann beispielsweise mittels
eines Lotmaterials geschehen, welches eine mechanisch stabile Verbindung
zwischen der Leuchtdioden-Struktur und dem Leuchtdiodenträger vermittelt.
Das Verbinden kann dann zum Beispiel über eutektisches
Bonden geschehen. Das Verbindungsmittel kann dabei auch aus zwei
oder mehr Materialien bestehen und elektrisch leitfähig
oder elektrisch isolierend sein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem weiteren
Verfahrensschritt der Aufwachsträger von der Leuchtdioden-Struktur
abgelöst. Dies kann beispielsweise mittels eines Schleifens, Ätzens
und/oder Laser-Lift-Off-Verfahrens geschehen. Nach dem Ablösen
des Aufwachsträgers liegt die dem Trägersubstrat
abgewandte Oberfläche, also die Oberseite, der Leuchtdioden-Struktur
frei.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem Verfahrensschritt
des Verfahrens zumindest ein p-Kontakt und zumindest ein n-Kontakt
zum Kontaktieren der Leuchtdioden-Struktur von der dem Trägersubstrat
abgewandten Oberfläche der Leuchtdioden-Struktur aus hergestellt.
Das heißt, die Leuchtdioden-Struktur ist dann von der gleichen
Seite her sowohl n-seitig als auch p-seitig kontaktierbar. Beispielsweise
ist die dem Trägersubstrat abgewandte Oberfläche
der Leuchtdioden-Struktur die n-leitende Oberfläche der
Leuchtdioden-Struktur. Zum Beispiel mittels Ätzen kann
ein Kanal in der Leuchtdioden-Struktur von der Oberseite her erzeugt
werden, der bis zur p-leitenden Seite der Leuchtdioden-Struktur
reicht und der mit dem p-Kontakt an der Oberseite der Leuchtdioden-Struktur
verbunden werden kann. Vorzugsweise wird für jeden späteren
Leuchtdiodenchip der Leuchtdioden-Struktur wenigstens ein p-Kontakt
und wenigstens ein n-Kontakt in der beschriebenen Weise hergestellt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer
Leuchtdiode umfasst das Verfahren die folgenden Schritte vorzugsweise
in der folgenden Reihenfolge:
- – Bereitstellen
eines Trägersubstrats, das eine Silizium-Oberfläche
aufweist,
- – Epitaktisches Abscheiden einer aluminiumhaltigen
Nitrid-Schichtenfolge auf der Silizium-Oberfläche des Trägersubstrats
zur Bildung eines Leuchtdiodenträgers,
- – Bereitstellen einer Leuchtdioden-Struktur auf einem
Aufwachsträger,
- – Verbinden der dem Aufwachsträger abgewandten
Oberfläche der Leuchtdioden-Struktur mit der dem Trägersubstrat
abgewandten Oberfläche des Leuchtdiodenträgers,
- – Ablösen des Aufwachsträgers,
- – Herstellen zumindest eines p-Kontakts und eines n-Kontaktes
zum Kontaktieren der Leuchtdioden-Struktur von der dem Trägersubstrat
abgewandten Oberfläche der Leuchtdioden-Struktur her.
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Das
hier beschriebene Verfahren weist dabei unter anderem die folgenden
Vorteile auf:
Zum einen zeichnet sich der Leuchtdiodenträger durch
eine gute thermische Leitfähigkeit aus, die beispielsweise über
der thermischen Leitfähigkeit von Germanium oder einer
Al2O3-Keramik liegt. Ferner kann als Trägersubstrat ein
Silizium-Wafer Verwendung finden, der besonders kostengünstig
ist. Ferner zeichnet sich das Trägersubstrat mit der Silizium-Oberfläche
durch eine gute Verarbeitbarkeit aus, da Silizium-Standardtechnologien,
die beispielsweise bei der Chipherstellung eingesetzt werden, Verwendung
finden können. Trägersubstrate mit einer Silizium-Oberfläche
sind ferner beispielsweise besser verfügbar als zum Beispiel
Saphir-Substrate.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Aufwachsträger
der Leuchtdioden-Struktur ein Aufwachssubstrat und eine Pufferschichtenfolge,
wobei die Pufferschichtenfolge epitaktisch auf eine Aufwachsoberfläche
des Aufwachssubstrats abgeschieden ist. Das heißt, der Aufwachsträger
ist – ähnlich wie der Leuchtdiodenträger – zumindest
zweiteilig aufgebaut: Er weist ein Aufwachssubstrat auf und eine
Pufferschichtenfolge, deren dem Aufwachssubstrat abgewandte Oberfläche
als Aufwachsoberfläche für das epitaktische Abscheiden
der Leuchtdioden-Struktur dient.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Aufwachsoberfläche
des Aufwachssubstrats dabei eine Silizium Oberfläche. Für das
Aufwachssubstrat kann dann beispielsweise ein Silizium-Wafer Verwendung
finden. Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Aufwachssubstrat
um einen SOI-Wafer handelt. Bei der Silizium-Oberfläche
handelt es sich beispielsweise um eine (111)-Silizium-Oberfläche.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Pufferschichtenfolge
zumindest eine aluminiumhaltige Nitrid-Schicht. Das heißt,
auch die Pufferschichtenfolge ist eine aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge.
Die Leuchtdioden-Struktur wird also epitaktisch auf eine aluminiumhaltige
Nitrid-Schichtenfolge abgeschieden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens enthalten oder bestehen
die aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge des Leuchtdiodenträgers
und/oder die Pufferschichtenfolge des Aufwachsträgers eines
der folgenden Materialien: AlN, AlGaN, SiGaN, SiAlGaN. Zusätzlich
oder alternativ können die Schichtenfolgen auch Schichten
aus weiteren Materialien wie beispielsweise InGaN oder GaN umfassen.
Beispielsweise ist es möglich, dass die Schichtenfolgen
Einzelschichten umfassen, die aus zumindest einem der genannten
Materialien bestehen. Bevorzugt enthält jede der Schichtenfolgen zumindest
eine aluminiumhaltige Nitrid-Schicht, die beispielsweise aus AlN
oder aus AlGaN besteht.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind der Aufwachsträger
und der Leuchtdiodenträger identisch aufgebaut. Beispielsweise
weisen beide Träger eine Silizium-Oberfläche auf,
auf welche die gleiche aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge epitaktisch
abgeschieden ist. Vorteilhafterweise können dann für
die Erzeugung des Aufwachsträgers und des Leuchtdiodenträgers
die gleichen Technologien sowie die gleichen Herstellungsapparate
Verwendung finden.
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Ferner
erweist es sich bei dem Verbinden der Leuchtdioden-Struktur mit
dem Leuchtdiodenträger als besonders vorteilhaft, dass
der Aufwachsträger und der Leuchtdiodenträger
identisch aufgebaut sind, da die beiden Träger die gleichen
thermischen Eigenschaften aufweisen. Dies führt zu einer
Reduktion von thermischen Verspannungen beim Verbinden. Die thermischen
Verspannungen können beispielsweise durch Erhitzen einer
Lotschicht zwischen der Leuchtdioden-Struktur und dem Leuchtdiodenträger
entstehen. Auch die thermischen Belastungen durch thermische Verspannungen
beim Ablösen des Aufwachsträgers von der Leuchtdioden-Struktur
sind in diesem Fall reduziert.
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Es
wird darüber hinaus eine Leuchtdiode angegeben. Die hier
beschriebene Leuchtdiode kann mittels dem hier beschriebenen Verfahren
zur Herstellung einer Leuchtdiode hergestellt werden. Das heißt,
sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale
sind auch für die hier beschriebene Leuchtdiode offenbart
und umgekehrt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Leuchtdiode umfasst die Leuchtdiode
ein Trägersubstrat, das eine Silizium-Oberfläche
aufweist. Ferner umfasst die Leuchtdiode eine aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge,
die auf der Silizium-Oberflächedes Trägersubstrats
aufgebracht ist. Die Leuchtdiode umfasst ferner eine Verbindungsmittelschicht auf
der dem Trägersubstrat abgewandten Oberfläche der
aluminiumhaltigen Nitrid-Schichtenfolge. Bei der Verbindungsmittelschicht
handelt es sich beispielsweise um eine Lotschicht. Die Verbindungsmittelschicht
kann dabei auch aus mehreren Schichten aufgebaut sein, die beim
Verbinden von Trägersubstrat und einer Leuchtdioden-Struktur
durchmischen.
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Die
Leuchtdiode umfasst ferner eine Leuchtdioden-Struktur auf der der
aluminiumhaltigen Nitrid-Schichtenfolge abgewandten Oberfläche
der Verbindungsmittelschicht. Schließlich umfasst die Leuchtdioden-Struktur
an ihrer dem Trägersubstrat abgewandten Oberseite zumindest
einen n-Kontakt und zumindest einen p-Kontakt, wobei die Kontakte zum
n-seitigen und p-seitigen Kontaktieren der Leuchtdioden-Struktur
dienen. Eine Strahlungsaustrittsfläche der Leuchtdioden-Struktur,
durch die im Betrieb der Leuchtdiode erzeugte elektromagnetische
Strahlung die Leuchtdioden-Struktur verlassen kann, befindet sich
vorzugsweise an der Oberseite der Leuchtdioden-Struktur.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Leuchtdiode ist zwischen der
Leuchtdioden-Struktur und der Verbindungsmittelschicht eine reflektierende
Schicht angeordnet, die zur Reflexion von im Betrieb der Leuchtdiode erzeugter
elektromagnetischer Strahlung in Richtung der Oberseite der Leuchtdioden-Struktur
eingerichtet ist. Bei der reflektierenden Schicht handelt es sich
also um einen Spiegel, der erzeugte elektromagnetische Strahlung
in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche, also in Richtung
der Oberseite der Leuchtdioden-Struktur, reflektiert. Beispielsweise
enthält der Spiegel ein Metall wie Silber und/oder es handelt
sich um einen dielektrischen Spiegel.
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Im
Folgenden werden das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung
einer Leuchtdiode sowie die hier beschriebene Leuchtdiode anhand
von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen
Figuren näher erläutert.
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Anhand
der schematischen Schnittdarstellungen der 1A bis 1D ist
ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens
näher erläutert.
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Anhand
der schematischen Schnittdarstellungen der 1D und 2 sind
Ausführungsbeispiele einer hier beschriebenen Leuchtdiode
näher erläutert.
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Gleiche,
gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit
denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse
der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht
als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können
einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren
Verständnis übertrieben groß dargestellt
sein.
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Anhand
der schematischen Schnittdarstellung der 1A ist
ein erster Verfahrensschritt eines hier beschriebenen Verfahrens
näher erläutert. Bei dem Verfahren wird zunächst ein
Leuchtdiodenträger 100 bereitgestellt. Vorliegend
umfasst der Leuchtdiodenträger ein Trägersubstrat 10,
das durch einen Silizium-Wafer gebildet ist. Das Trägersubstrat 10 weist eine
Silizium-Oberfläche 10a, beispielsweise eine (111)-Silizium-Oberfläche
auf. Auf der Silizium-Oberfläche 10a ist eine
aluminiumhaltige Nitrid-Schichtenfolge 20 mit Einzelschichten 21 epitaktisch
abgeschieden. Beispielsweise weist die aluminiumhaltig Nitrid-Schichtenfolge 20 vom
Trägersubstrat 10 aus gesehen die folgenden Einzelschichten
in der folgenden Reihenfolge auf: AlN, AlGaN, SiGaN, SiAlGaN, GaN.
Ferner ist auch folgende Schichtabfolge möglich: AlN, AlGaN,
AlGaN. Bei der aluminiumhaltigen Nitrid-Schichtenfolge 20 handelt
es sich vorzugsweise um eine elektrisch isolierende Schichtenfolge.
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In
Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 1B ist
eine Leuchtdioden-Struktur 300 dargestellt, die auf einen
Aufwachsträger 200 epitaktisch abgeschieden ist.
Der Aufwachsträger 200 umfasst ein Aufwachssubstrat 30 und
eine Pufferschichtenfolge 40, die auf die Aufwachsoberfläche 30a des
Aufwachsträgers 30 epitaktisch abgeschieden ist
und Einzelschichten 41 umfasst.
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Vorliegend
ist das Aufwachssubstrat 30 identisch zum Trägersubstrat 10 gewählt,
die Pufferschichtenfolge 40 ist identisch zur Nitrid-Schichtenfolge 20 gewählt.
Bei der Leuchtdioden-Struktur 300 handelt es sich um eine
auf dem Materialsystem InGaN basierenden Leuchtdioden-Struktur.
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Im
in Verbindung mit der 1C schematisch dargestellten
Verfahrensschritt werden die Leuchtdioden-Struktur 300 und
der Aufwachsträger 200 mit dem Leuchtdiodenträger 100 verbunden. Dazu
wird eine Verbindungsmittelschicht 50, zum Beispiel eine
Lotschicht, an der dem Aufwachsträger 200 abgewandten
Oberfläche der Leuchtdioden-Struktur 300 angeordnet.
Das Verbinden erfolgt beispielsweise durch Erhitzen der Verbindungsmittelschicht 50.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt, siehe dazu die schematische Schnittdarstellung
der 1D, wird der Aufwachsträger 200 von
der Leuchtdioden-Struktur 300 abgelöst. Dies kann
beispielsweise durch Schleifen, Ätzen und/oder Laser-Lift-Off
geschehen.
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Die
durch das Ablösen des Aufwachsträgers 200 freigelegte
Oberseite 300a der Leuchtdioden-Struktur 300 bildet
die Strahlungsaustrittsfläche der Leuchtdioden-Struktur 300.
Von der Oberseite 300a der Leuchtdioden-Struktur 300 her
werden ein n-Kontakt 61 und ein p-Kontakt 62 zum
elektrischen Kontaktieren der Leuchtdioden-Struktur 300 erzeugt. An
der Oberseite 300a kann die Leuchtdioden-Struktur 300,
wie in der 1D schematisch dargestellt, Aufrauungen
aufweisen, die die Wahrscheinlichkeit für einen Strahlungsaustritt
erhöhen. In der 1D ist
dabei eine bereits vereinzelte Leuchtdioden-Struktur 300 dargestellt,
die einen einzigen Leuchtdiodenchip bildet.
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Im
Ausführungsbeispiel der 1D kann beispielsweise
die Verbindungsmittelschicht 50 als Spiegel für
die in der Leuchtdioden-Struktur 300 erzeugte elektromagnetische
Strahlung dienen und diese in Richtung der Oberfläche 300a der
Leuchtdioden-Struktur 300 reflektieren.
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In
Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen
Leuchtdiode näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst die Leuchtdiode einen Leuchtdiodenträger 100 mit
einem Trägersubstrat 10 und einer aluminiumhaltigen
Nitrid-Schichtenfolge 20 an der Silizium-Oberfläche 10a des
Trägersubstrats 10. Die Leuchtdioden-Struktur 300 ist
mittels der Verbindungsmittelschicht 50 mit dem Leuchtdiodenträger 100 verbunden.
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Zusätzlich
zum in Verbindung mit der 1D dargestellten
Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Leuchtdiode
umfasst die in Verbindung mit der 2 beschriebene
Leuchtdiode eine reflektierende Schicht 70, die an der
der Oberseite 300a abgewandten Oberfläche der
Leuchtdioden-Struktur 300 angeordnet ist. Die reflektierende
Schicht 70 wirkt als Spiegel für die im Betrieb
der Leuchtdiode in der Leuchtdioden-Struktur 300 erzeugte
elektromagnetische Strahlung und reflektiert diese in Richtung der
Oberseite 300a der Leuchtdioden-Struktur.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes
neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere
jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen
angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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