-
Die Erfindung betrifft ein Verbindungshalbleiterbauelement. Diese Verbindungshalbleiterbauelemente werden für vielfältige Anwendungen unter anderem in der Optoelektronik (LEDs, Laser), Hochfrequenz- und Hochspannungselektronik (Transistoren, FETs) als auch für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eingesetzt. Dabei werden meist geeignete Substrate aus der Gasphase, mit einem Molekularstrahl oder mit Sputtertechniken einseitig beschichtet. Dies schränkt die Arten von Bauelementen als auch die Anwendungen deutlich ein. Bekannt sind einfache Bauelemente mit beidseitiger Kontaktierung, wie z. B. auf semiisolierendem GaAs beruhende Schottkydetektoren, nicht aber auf extra für diesen Zweck beschichteten Substraten.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Verbindungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst.
-
Vorgeschlagen wird ein Verbindungshalbleiterbauelement, umfassend zumindest einen Träger mit beidseitiger Beschichtung, bestehend aus funktionalen Schichten.
-
Ein Träger wird hierbei im Sinne eines Substrates verstanden. Bei Verwendung eines Substrates aus Silizium ist es vorteilhaft hoch dotiertes Silizium wie z. B. in der
DE 10 2010 040860.3 genannt einzusetzen. Durch die Dotierung wird die Festigkeit des Siliziums im Bereich der Beschichtungstemperatur wesentlich erhöht.
-
Es ergeben sich dabei eine Reihe neuer Möglichkeiten für Verbindungshalbleiterbauelemente, dabei können diese funktionalen Schichten unterschiedlicher Natur sein.
-
Beispielsweise können sie lichtemittierende Schichten aufweisen oder aus ihnen bestehen.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungshalbleiterbauelement eine elektrisch schaltende oder verstärkende Funktion aufweist. Demgemäß kann das Bauelement eine den Strom schaltende oder verstärkende Funktion, beispielsweise in Transistoren oder in MEMS aufweisen.
-
Vorzugsweise kann das Bauelement eine Auslenkung, beispielsweise eine mechanische Auslenkung von Teilen des Bauelements durch Anlegen einer Spannung oder Bestrahlen mit Licht oder die Erzeugung einer Spannung odereines Stromes durch Auslenkung des Bauelementteils bewirken.
-
Dabei können die Bauelemente auf jeder Seite unabhängig voneinander arbeiten oder eine funktionale Verbindung der auf beiden Seiten hergestellten Halbleiterbauelemente aufweisen. Solch eine funktionale Verbindung kann z. B. über Leiterbahnen oder Löcher bzw. Vias durch den Träger realisiert werden In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungshalbleiterbauelement gekennzeichnet ist, durch in den Träger eingebrachte hoch wärmeleitende Materialien oder mit kühlenden Medien gefüllte, in den Träger eingebrachte Kanäle.
-
Dabei eröffnet eine beidseitige Beschichtung eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten im Bauelementdesign und somit auch neue Bauelementtypen.
-
Zudem ermöglichen beidseitige Beschichtungen bei verspannten Schichtsystemen oder bei der Epitaxie auf Heterosubstraten die Verwendung dünner Substrate, da sich die Verspannungen der Schichten auf beiden Seiten ganz oder zum Großteil ausgleichen und ein flacher Wafer erzielt wird, was Voraussetzung für eine weitere Prozessierung zum Bauelement ist.
-
Dies ist in hochverspannten Systemen, wie zum Beispiel in der GaN Heteroepitaxie nicht der Fall, weswegen hier auf dicke Substrate zurückgegriffen wird. Dies erschwert zum Teil die Prozessierung, da Dicken über 1 mm verwendet werden und zum anderen steigert es die Kosten, auch weil das Substrat während, bzw. am Ende der Prozessierung meist noch stark gedünnt werden muss, um optimale Bauelementeigenschaften zu erzielen. Dies ist bei einer beidseitigen Beschichtung nicht notwendig.
-
Anhand der nachfolgend aufgezeigten Figuren folgt beispielhaft eine Beschreibung von möglichen Ausführungsformen für Bauelemente, beruhend auf beidseitig beschichteten Substraten, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
-
Es zeigen:
-
1: schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Verbindungshalbleiterbauelements,
-
2: schematisch eine Ausführung des Verbindungshalbleiterbauelements für Transistoren,
-
3: schematisch den Schichtenaufbau eines lichtemittierenden Verbindungshalbleiterbauelements mit hoch leitfähige Kontaktschichten,
-
4: den schematischen Aufbau eines lichtemittierenden Verbindungshalbleiterbauelements mit hochleitfähigen Kontaktschichten zur verbesserten Lichtauskopplung,
-
5: schematisch ein mikroelektromechanisches Bauelement,
-
6 und 7: schematisch den Aufbau von lichtemittierenden Bauelementen analog zu den 3 und 4.
-
In 1 ist ein Beispiel für eine Schichtenfolge gezeigt, in der der Träger bzw. das Substrat 100 beidseitig mit Schichten 101, 102, 103, 104 beschichtet ist. Bei einem Heterosubstrat stellen z. B. 101 und 102 Pufferschichten dar, 103 und 104 die bauelementrelevanten, aktiven Schichten.
-
Eine mögliche Ausführung dieser Schichtenfolge ist ein Transistorbauelement. Dabei können auf beiden Seiten Transistoren prozessiert werden und somit auf sehr kleinem Raum Verstärkungs- oder Logikaufgaben realisiert werden. Je nach Beschichtungssystem können dabei die beiden Seiten identisch oder unterschiedlich beschichtet sein.
-
Vorteilhaft ist jedoch, speziell in der Heteroepitaxie, eine gleichmäßige Verspannung der Schichten auf beiden Seiten des Substrats, um so Krümmungen aufgrund von intrinsischer Verspannung, bzw. Verspannungen aufgrund eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu minimieren.
-
Speziell bei Transistoren ist eine Ausführungsform für einige Anwendungen vorteilhaft, bei der, z. B. bei Gruppe-III-Nitriden, auf einem c-achsenorientierten GaN Substrat gewachsen wird. Dabei kann eine Polarisation in den Schichten vorhanden sein, die dann für eine unterschiedliche Richtung der Polarisationsfelder in den aktiven Bauelementschichten auf beiden Seiten sorgt. Dadurch werden, bei identischer oder nahezu identischer Schichtfolge, an einem GaN/AlGaN Heteroübergang Elektronen, an dem der gegenüberliegenden Schichtfolge Löcher an der Grenzfläche induziert. Dies ermöglicht die Realisierung von p- und n-Kanal Transistoren.
-
Schematisch ist dies anhand eines Verbindungshalbleiterbauelements in 2 gezeigt, wo das Substrat 200 mit Pufferschichten 201, 202 und aktiven Schichten 203 und 204 beschichtet wird. Die Schichten 203 und 204 können im Fall von Gruppe-III-Nitriden zum Beispiel aus einem GaN / AlGaN oder GaN / AlInN Heteroübergang bestehen. Der Pfeil PPz+Sp gibt dabei die Richtung des Polarisationsfelds an, mit Pz als piezoelektrischen Anteil und Sp als spontanen Polarisationsanteil.
-
Die Entstehung eines p- und n-Kanals kann dabei zusätzlich durch den unterschiedlichen Einbau von Dotanden auf den unterschiedlichen Wachstumsoberflächen unterstützt werden, um vor allen Dingen im, in der Regel leicht n-leitenden Material, Löcher für den p-Kanal zur Verfügung zu stellen.
-
Solche Transistoren sind unter anderem für Logikschaltkreise vorteilhaft. Im Fall von Gruppe-III-Nitriden speziell für die Anwendung bei hohen Temperaturen oder hohen Strahlendosen, wie sie im Weltall auftreten.
-
Eine weitere Ausführungsform ist eine GaN basierte Leuchtdiode. Diese wird vorteilhaft entweder auf einem transparenten und gut wärmeleitenden Heterosubstrat wie z. B. SiC oder Diamant oder einem Homosubstrat, bei GaN basierten Schichten also z. B. GaN oder AlN hergestellt.
-
Auf AlN und GaN Substraten lassen sich so zudem sehr einfach unpolare Lichtemitter realisieren, wenn z. B. ein m-planares oder a planares Substrat gewählt wird. Dies ist prinzipiell auch mit Heterosubstraten möglich, aber wegen der dann meist auftretenden Stapelfehler nur schwer in ausreichender Qualität.
-
Zum anderen lassen sich auch unterschiedliche Lichtwellenlängen auf beiden Seiten dadurch erzielen, dass beim Wachstum in c-Achsenrichtung verschiedene Polarisationen entstehen und damit auch unterschiedliche Wachstumsraten und Einbaukoeffizienten vorliegen, was dies befördert. Aber auch auf Heterosubstraten ist eine unterschiedliche Polarisation, also z. B. ein Kationen- oder Anionenabschluß der Oberflächenatome denkbar, wenn auf beiden Seiten unterschiedlich bekeimt werden kann, was vom Beschichtungssystem abhängt. Die Bekeimung kann auch außerhalb des Beschichtungssystems vorgängig erfolgen, beispielswiese durch Sputtern, sollte dann aber vor einer Kontamination durch die Atmosphäre geschützt werden.
-
Solche Lichtemitter haben den Vorteil, beidseitig, bzw. allseitig abzustrahlen, was für Beleuchtungsanwendungen ideal ist. Wichtig ist hier eine gute Wärmeabfuhr, z. B. über das Substrat oder seitlich am Substrat angebrachte Kontakte bzw. wärmeleitende Metallschichten.
-
Erfindungsgemäß kann das Substrat vor dem Beschichten strukturiert werden, beispielswiese mit einem gerichteten Ätzprozess. So ist es möglich LEDs herzustellen die z. B. eine ähnliche Form haben wie die Glühwendel einer herkömmlichen Glühbirne. Diese LEDs sind im Wafer angeordnet, können aber nach der Beschichtung aus dem flachen Wafer entfernt und anschließend durch eine mechanische Belastung in eine neue Form gebracht werden. So ist es möglich LEDs herzustellen, die das Licht in praktisch alle Richtungen abstrahlen.
-
Eine weitere Möglichkeit besteht darin das Substrat vor dem Beschichten so zu strukturieren dass es seine Festigkeit im strukturierten Bereich weitgehend verliert. Dies kann beispielsweise geschehen durch das Ätzen von mehreren vertikalen Schnitten in den Wafer, wobei die Reihen so angeordnet sind dass sich die einzelnen Schnitte jeweils zu ungefähr 50% überlappen. Es entsteht dann eine Art Gitterstruktur bzw. interdigitale Fingerstruktur.
-
Nach dem Beschichten kann die so entstandene einzelne LED, die aus zusammenhängenden interdigitalen Fingern besteht, aus dem Substrat entfernt und anschließend durch eine mechanische Belastung verformt werden, beispielswiese durch einfaches Krümmen des Bauteils.
-
Es ist auch möglich die LED in verformten Zustand auf ein vorgeformtes Bauteil, welches vorzugsweise aus hoch wärmeleitenden Materialien gefertigt ist, zu befestigen, beispielsweise mit einem geeigneten Klebstoff. Dadurch kann eine gute Wärmeübertragung von der LED auf das vorgeformte Bauteil zwecks Kühlung der LED gewährleistet werden, zudem wird die LED auch noch mechanisch stabilisiert. Und da die LED verformt ist wird das erzeugte Licht in viele Richtungen abgestrahlt. Dies, da nicht nur die Oberseite, wie bei einer herkömmlichen LED mit einer beschichteten Seite in im wesentlichen nur eine Richtung abstrahlt, sondern weil bei dieser erfindungsgemäßen neuartigen LED alle Oberflächen des Substrats mit lichtemittierenden Schichten versehen sind.
-
Die 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen für lichtemittierende Bauelemente. Hier ist auf dem Substrat 300, 400 eine Schichtenfolge 303, 304 bzw. 403, 404 aufgebracht. 303 und 403 können hoch leitfähige Kontaktschichten sein, die idealerweise zur verbesserten Licht-auskopplung bei der Abscheidung mechanisch oder mittels chemischer Methoden aufgerauht werden.
-
Bei einem isolierenden Substrat oder hochohmigen Pufferschichten wird der Rückseitenkontakt z. B. über den Kontakt 301 realisiert, der Frontkontakt über den Kontakt 302 gewährleistet. Bei einem leitfähigen Substrat kann der Kontakt auch über das Element 401 erfolgen, das Element 402 ist hier der Frontkontakt.
-
Bei diesen Figuren wurde der Einfachheit halber nur eine Seite beschriftet, auf der anderen gelten die Angaben analog, wobei sich die Schichten, sofern dies im Beschichtungssystem realisierbar ist, auch leicht unterscheiden können, d. h. die Dicken, die Dotierungen und die Emissionswellenlänge nicht identisch sein müssen. Der, bzw. die Lichtemitter können selbstverständlich auch auf anderen Materialien basieren, idealerweise sind dies dann direkte Halbleiter, wie z. B. Verbindungen aus der Familie (Al)GaInNPAsSb.
-
Als weiteres Ausführungsbeispiel ist ein mikroelektromechanisches Bauelement gemäß 5 vorgesehen. Hier wird auf einem Substrat 500 eine Schichtenfolge 501, 502, 503 und 504 aufgebracht. Es folgen Kontakte 506 und 507. Das Bauelement wird nun, z. B. an einem freien Ende 505, eingespannt und durch Beaufschlagen einer Spannung zwischen den Kontakten 506 und 507 oder zwischen den Kontakten und der Einspannstelle, wenn es sich um ein piezoelektrisches Material handelt, ausgelenkt.
-
Analog kann durch Auslenken des Bauelements eine Spannung an den Kontakten 506 und 507 abgegriffen werden. Durch die beidseitige Beschichtung mit aktiven Schichten ergibt sich, im Gegensatz zu einer einseitigen, ein doppelt so starkes Auslenken des Bauelements bzw. eine doppelt so hohe induzierte Spannung. Auch kann ein Teil der Schichten durch eine Prozessierung des Bauelements freigelegt werden und dann die auslenkende oder stromerzeugende Funktion übernehmen, d. h. es muss nicht zwingend das ganze Bauelement ausgelenkt werden.
-
Allgemein können zur besseren Wärmeableitung der Bauelemente neben geeigneten Substraten und geschickten Einfassungen weitere Maßnahmen getroffen werden, wie in den Träger eingebrachte hoch wärmeleitende Materialien oder mit kühlenden Medien gefüllte eingebrachte Kanäle.
-
So zeigen die 6 und 7 lichtemittierende Bauelemente analog zu den 3 und 4, wobei hier auf dem Substrat 600, 700 eine Schichtenfolge 603, 604 bzw. 703, 704 aufgebracht wurde. Die Schichten 603 und 703 können hoch leitfähige Kontaktschichten sein.
-
Es gibt nun die Möglichkeit, die Wärme über ein eingebrachtes Metall oder ein anderes hoch wärmeleitendes Material 605 abzuleiten. Dieses Material wird in ein mittels mechanischer oder chemischer Methoden in das Substrat eingebrachte Hohlräume eingebracht. Im Fall von LEDs ist dafür ideal ein hochreflektierendes Material wie Silber aber auch diamantbasierte Materialien sind geeignet und können bei geeigneter Formgebung der Hohlräume die Lichtauskopplung verbessern. Ist das Substrat leitfähig, kann über dieses Material, sofern es auch leitfähig ist, die Kontaktierung erfolgen, analog zu 701.
-
Ansonsten bieten sich Kontakte 601 auf dem Schichtsystem an. Es können aber auch Kanäle 705 eingebracht werden, die mit einem Kühlmedium arbeiten, also einer Flüssigkeit, die Wärme entweder passiv durch Konvektion oder aktiv durch Pumpen ableitet. Dies ist schematisch durch die Pfeile an dem Kanal 705 angedeutet. Der Vorteil hiervon ist eine bessere Kühlleistung. Der Frontkontakt erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über die Kontakte 602 oder 702, und es ist analog zu den 3 und 4 nur eine Seite der Bauelementschichten beschriftet.
-
Neben der Anwendung für Lichtemitter erweist sich diese Anordnung für alle anderen Bauelemente als vorteilhaft, bei denen größere Wärmemengen abgeführt werden müssen.
-
Alle Ausführungsformen sind nur Beispiele und stellen nur ein kleines Spektrum der Bauelemente, die mit doppelseitiger Beschichtung von Substraten realisierbar sind, dar. Es können prinzipiell auch auf beiden Seiten unterschiedliche Schichtenfolgen aufgebracht werden und somit zum Beispiel Lichtemitter und Transistoren auf den jeweils unterschiedlichen Seiten realisiert werden, was z. B. für Displayanwendungen interessant ist. Als Materialien kommen prinzipiell alle Substrattypen und Verbindungshalbleiter in Frage.
-
Durch die Möglichkeit Bauteile durch eine bestimmte Strukturierung des Ausgangsubstrates nach dem Beschichten flexibel zu gestalten sind nicht nur flache 3-dimensonale Strukturen herstellbar, sondern auch echte 3-dimensionale Strukturen. Dies ermöglicht komplett neue Bauelemente, wie die weiter oben beschriebenen dreidimensionalen LEDs. Es sind darüber hinaus auch andere Bauelemente denkbar, beispielswiese dreidimensionale Sensoren, wie z. B. Beschleunigungssensoren für extreme Anwendungsbedingungen oder mit extrem hoher Empfindlichkeit.
-
Idealerweise werden die Schichten in einer Wachstumskammer simultan von beiden Seiten beschichtet oder unter Wenden, so dass, zumindest im Fall der Heteroepitaxie, nur eine geringe Nettoverspannung bzw. Krümmung der Wafer auftritt.
-
Die Beschichtung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch ein System, das eine simultane oder durch Wenden erzielbare beidseitige Substratbeschichtung ermöglicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
