DE2826486C2 - - Google Patents

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semiconductor
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie auf ein Herstellungsverfahren hierfür. Eine derartige lichtemittierende Halbleitervorrichtung ist aus der US-PS 40 17 881 bekannt.
Bei der bekannten Halbleitervorrichtung ist die erste Halbleiterschicht p-leitend, während die zweite Halbleiterschicht n-leitend ist. Hierbei ist zur Herstellung einer ohmschen Kontaktierung der p-leitenden ersten Halb­ leiterschicht ein Teilbereich der darüberliegenden n-lei­ tenden zweiten Halbleiterschicht in einen p⁺-Bereich umdotiert worden. Auf der freien Oberfläche des umgewandelten Be­ reiches der zweiten Halbleiterschicht befindet sich eine ohmsche Elektrode. Zur Kontaktierung der zweiten Halblei­ terschicht steht eine weitere ohmsche Elektrode direkt mit der freien Oberfläche dieser Schicht in Berührungs­ kontakt. Die zur ohmschen Kontaktierung der p-leitenden ersten Halbleiterschicht erforderliche teilweise Umdotierung der darüberliegenden n-leitenden zweiten Halbleiterschicht begründet allerdings einen relativ hohen Fertigungsaufwand.
Weiterhin ist aus "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-11, No. 7, 1975, Seiten 421 bis 426 eine Halbleiter­ laseranordnung bekannt, bei der die beiden Anschluß-Elektro­ denschichten auf gegenüberliegenden Seiten des scheibenförmigen Halb­ leiters angeordnet sind. Dort wird angestrebt, die mechanischen Beanspruchungen bei Verwendung von Iso­ lierschichten bzw. Kristallunstetigkeiten bei Einsatz von pn-Übergängen zu vermeiden. Hierzu wird zwischen der obersten aktiven Halbleiterschicht aus p-GaAs und der darüberliegenden metallischen, nur streifenförmig mit ihr in Verbindung stehenden Elektrodenschicht anstelle eines Isoliermaterials eine Halbleiterschicht aus nGa1- z Al z As aufgewachsen. Diese zusätzliche Schicht bewirkt eine Isolation zwischen den randseitigen Elektrodenschicht­ bereichen und der oberen aktiven p-GaAs-Schicht mit ver­ ringerter mechanischer Beanspruchung. Diese zusätzliche Schicht hat aber keinerlei aktive elektrische Funktion, sondern dient ausschließlich der Isolation mit verringerter elektrischer mechanischer Spannungsbelastung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lichtemit­ tierende Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und verhältnismäßig geringem Herstellungsaufwand eine zuverlässige elektrische Kontaktierung erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleitervorrichtung zeichnet sich somit durch sehr einfachen Schichtenaufbau, der keinerlei Umdotierungen oder dergleichen erfordert, aus, wobei die obere Halbleiterschicht eine bis zur darun­ terliegenden Halbleiterschicht reichende Ausnehmung auf­ weist, die die direkte elektrische Kontaktierung mittels der diese Ausnehmung auskleidenden sowie einen Teil der darüberliegenden Halbleiterschicht bedeckenden Elektro­ denschicht in einfacher Weise ermöglicht. Da die zweite Halbleiterschicht, auf der sich auch die andere Elektroden­ schicht befindet, aus eigenleitendem Material besteht, kann zwischen den beiden Elektroden kein störender Querstrom auftreten.
Die im Anspruch 2 angegebene Maßnahme hat den Vorteil einer besonders einfachen Herstellung mehrerer erfindungs­ gemäßer lichtemittierender Halbleitervorrichtungen.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 bezweckt, daß die beiden Lötanschlüsse in derselben Ebene liegen.
Das im Anspruch 4 angegebene Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bringt den Vorteil, daß die Kontak­ tierung der ersten Elekrodenschicht gleichzeitig mit dem Aufbringen des Elektrodenmaterials auf der zweiten Halb­ leiterschicht durchführbar ist, so daß es hierzu nicht mehrerer Arbeitsgänge bedarf.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1A bis 1G aufeinanderfolgende Schritte der Fer­ tigung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 und 3 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht des gem. den Fig. 1A bis 1G hergestellten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweisenden Lumineszenzdiode,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des bei der Lumineszenz­ diode gem. Fig. 4 verwendeten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
Fig. 6A bis 6F aufeinanderfolgende Schritte der Fertigung des Ausführungsbeispiels gem. Fig. 5.
In den Fig. 1A bis 1G sind die Herstellungsschritte zur Ausbildung eines Ausführungsbeispiels in Form eines Leucht-Halbleiterchips mit einem Übergang zwi­ schen einer n-leitenden Halbleiterschicht und einer eigenleitenden Schicht, deren spezifischer Wider­ stand erheblich höher als der der n-Schicht ist, veranschau­ licht.
Beim ersten in Fig. 1A gezeigten Schritt wurde als erste Halbleiterschicht eine n-leitende Schicht 41 aus Halbleitermaterial auf einem Saphir-Substrat 40 mit einer Dicke von 10-100 µm aufgebracht. Dies erfolgte durch Aufwachsen von GaN aus der Dampfphase mit n ≈ 1018 cm-3. Dann wurde auf der n-Schicht 41 als zweite Halbleiterschicht eine nachfolgend als i-Schicht bezeichnete eigenleitende Schicht 42 ausgebildet, wie dies in Fig. 1B gezeigt ist. Dies erfolgte in einem Fall durch Aufwachsen von GaN aus der Dampfphase. Das GaN war mit einem p-Dotierstoff (ein Dotierstoff, der an der Licht­ emission teilnimmt) wie Zn dotiert. In einem anderen Fall wurde die n-Schicht 41 durch Diffusion (alter­ nativ könnte eine Ionenimplantation verwendet werden) eines p-Dotierstoffs von der Oberfläche der n-Schicht 41 in diese hinein ausgebildet. Die Dicke der i-Schicht 42 lag bei etwa 10 µm oder darunter. Beim nächsten in Fig. 1C gezeigten Schritt wurde die dünne i-Schicht 42 mit Hilfe einer Diamantnadel geritzt, um eine Vielzahl paralleler, im Querschnitt V-förmiger Ausnehmungen 43 in regelmäßigen Abständen zu erzeugen. Das Ritzen erfolgte so tief, daß der Boden der Ausnehmungen 43 in der n-Schicht 41 lag. Als nächster in Fig. 1D gezeigter Schritt wurde eine dünne Schicht 44 aus Metall, die als eine ohmsche Elektrodenschicht diente, auf der Außenfläche der i-Schicht 42 so ausgebildet, daß auch die Oberflächen der Ausnehmungen 43 von dieser Metall­ schicht 44 bedeckt wurden. Bei diesem Beispiel wurde die Metallschicht 44 durch Vakuumverdampfen von Al mit einer Dicke von etwa 500 nm erzeugt. Die Metallschicht 44 wurde dann selektiv mit einem Metall beschichtet, das gegenüber einem geschmolzenen Lot widerstandsfähig oder mit ihm verträglich ist (in diesem Fall wurde Ni durch Vakuumverdampfen mit einer Dicke von etwa 500 nm abge­ schieden). Dadurch wurde eine erste Gruppe von Beschichtungsbereichen 45 auf der Metallschicht 44 geschaffen, von dene sich jeder in einem eine der Ausnehmungen 43 enthaltenden Be­ reich befand, und eine zweite Gruppe von Beschichtungsbereichen 45′ ausgebildet, von denen jeder von den Beschichtungsbereichen 45 beabstandet war und im ebenen Bereich zwischen zwei Ausnehmungen 43 lag, wie dies in Fig. 1E gezeigt ist. Danach wurde auf die Oberflächen der Metallbeschichtungsbereiche 45, 45′ ein geeignetes Flußmittel (nicht gezeigt) aufge­ bracht und die so bearbeitete Scheibe 40 A in ein nicht gezeigtes Lotbad getaucht. Als Beispiel wurde ein 60%-Sn- 40%-Pb-Lot mit einer Temperatur von etwa 523 K verwendet. Das Eintauchen wurde mehrmals wiederholt und dauerte jedesmal wenige Sekunden. Als Ergebnis wurden zwei Grup­ pen von Lötanschlüssen 46 und 46′ auf den beiden Grup­ pen von Metallbeschichtungsbereichen 45 bzw. 45′ aufgebaut, wie dies in Fig. 1F gezeigt ist. Jeder Lötanschluß 46 füllte jeweils eine Ausnehmung 43 auf. Während dieses Verfahrens wurde der größte Teil der unbeschichteten Teile der Metallschicht 44 aus Aluminium vom Lot weggeätzt. Die Entfernung dieses Teils der Metallschicht 44 wurde in einem nachfolgenden chemischen Ätzprozeß vervollstän­ digt. Die aus Ni bestehenden Beschichtungsbereiche 45, 45′ schützen die darunterliegenden Teile der aus Al be­ stehenden Metallschicht 44 vor einem Zerfressen durch das Lot. Auf diese Weise wurde die Scheibe 40 A gemäß Fig. 1F mit ersten Elektroden 47 für die n-Schicht 41 in den die Aus­ nehmungen enthaltenden Bereichen und mit zweiten Elektroden 47′ für die i-Schicht 42 versehen, welche von den ersten Elektroden 47 beabstandet und mit diesen abwechselnd an­ geordnet waren. Die Scheibe 40 A wurde dann, wie bei 48 in Fig. 1G angedeutet, in eine Vielzahl von Chips 60 zerteilt, von denen jedes eine erste Elektrode 47 und eine zweite Elektrode 47′ aufwies. Das Zerteilen kann auch so ausgeführt werden, daß sich Chips ergeben, die zwei oder mehr erste Elektroden 47 und die gleiche Anzahl von zweiten Elektroden 47′ aufweisen. Das GaN-Chip 60 strahlte blaues Licht aus, wenn zwischen die erste Elektrode 47 und die zweite Elektrode 47′ eine Spannung angelegt wurde. Eine Leuchtvorrichtung dieser Art wird nachfolgend als m-i-n-Vorrichtung be­ zeichnet.
Die Ausnehmungen 43 und die Elektroden 47 und 47′, die in den Fig. 6C bis 6F dargestellt sind, können in verschiedenen Mustern ausgebildet werden. Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Beispiel, bei dem die Ausnehmungen 43 geradlinig verlaufen und so­ wohl die erste als auch die zweite Elektrode 47, 47′ in der Draufsicht kreisförmig sind.
Grundsätzlich kann der Erfindungsgedanke auch unter Verzicht auf Löt­ anschlüsse in die Praxis umgesetzt werden.
Als Beispiel hierfür zeigt Fig. 4 eine m-i-n-Leucht- Vorrichtung ohne Lötanschlüs­ se. Bei dieser Vorrichtung enthält ein Leucht-Halbleiterchip 60 ein Saphirsubstrat 40, auf dem sich als erste Halbleiterschicht eine n-leitende Halbleiterschicht 41 (etwa aus GaN) befindet. Ferner ist auf der n-Schicht 41 eine zweite Halbleiterschicht in Form einer i- Schicht 42 ausgebildet. Die i-Schicht 42 ist selektiv zusammen mit einem Oberflächenbereich der n-Schicht 41 zur Bildung einer Ausnehmung 43 entfernt, welche in diesem Fall gemäß Darstellung in Fig. 5 die Form eines geradlinigen Schlitzes annimmt. Als Folge wird die n-Schicht 41 am Boden dieser Ausnehmung 43 frei­ gelegt. Die Tiefe der Ausnehmung 43 muß größer als die Dicke der i-Schicht 42 sein, hat ansonsten aber keine besondere Beschränkung. Es kann zugelassen werden, daß die Ausnehmung 43 das Substrat 40 erreicht. Eine erste ohm­ sche Elektrodenschicht 65 (für die n-Schicht 41) wird so ausgebildet, daß sie die Oberflächen der Ausnehmung 43 und einen begrenzten Bereich (in dem die Ausnehmung 43 ausgebildet ist) der Außenfläche der i-Schicht 42 be­ deckt. Die n-leitende ohmsche Elektrodenschicht 65 kann die Oberflächen der Ausnehmung 43 entweder völlig oder nur teilweise (beispielsweise nur über einen Teil der vollständigen Länge der Ausnehmung 43) bedecken, soweit sich die Elektrodenschicht 65 von der Außenfläche der i- Schicht 42 bis zur freiliegenden Oberfläche der n-Schicht 41 fortsetzt. Auf dem unbedeckten Bereich der Oberfläche der i-Schicht 42 wird eine zweite Metallelektrodenschicht 66 so ausgebildet, daß sie von der Elektrodenschicht 65 elektrisch isoliert ist. Auf diese Weise besitzt dieses Chip 60 zwei Elektrodenschichten 65 und 66 auf derselben Oberfläche.
Ein in Fig. 4 gezeigter Kontaktfuß 67 besitzt eine erste Elektrode 67 a für die n-Schicht 41 des Chips 60 und eine zweite Elektrode 67 b für die i-Schicht 42, zwischen de­ nen sich ein Isolator 67 c befindet. Eine Fläche der ersten Elektrode 67 a und eine Fläche der zweiten Elektrode 67 b liegen in derselben Ebene. Das Chip 60 wird durch Verwendung einer Preßverbindungstechnik zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen dem Chip 60 und dem Kontaktfuß 67 auf diesem so montiert, daß die erste Elektrodenschicht 65 und die zweite Elektrodenschicht 66 in Kontakt mit der ersten Elektode 67 a bzw. einer zwei­ ten Elektrode 67 b gebracht werden. Die Leucht-Halblei­ tervorrichtung wird durch Anbringen einer Linse 68 an dem Kontaktfuß 67 zum Einschließen des montierten Chips 60 vollendet.
Wenn ein negatives Potential an die erste Elektrode 67 a und ein positives Potential an die zweite Elektrode 67 b angelegt wird, ist die Vorrichtung bzw. das Chip 60 gem. Fig. 4 in Durchlaßrichtung gepolt und strahlt Licht aus.
Die Fig. 6A bis 6F zeigen ein Verfahren zur industriellen Fertigung eines Leucht-Halbleiterchips der m-i-n-Art, das dem Chip 60 gemäß den Fig. 4 und 5 ähn­ lich, in der Draufsicht jedoch rechtwinklig ist.
Beim ersten in Fig. 6A gezeigten Schritt wird als erste Halbleiterschicht eine n-leitende Halbleiter-Schicht 41 nach bekannter Technik auf einem Saphir-Substrat 40 ausgebildet. Beim nächsten Schritt wird auf der n-Schicht 41 gemäß Dar­ stellung in Fig. 6B eine i-Schicht 42, d. h. eine Schicht mit einem vergleichsweise hohen Widerstand als zweite Halbleiterschicht ausgebildet. Die i-Schicht 42 wird dann in ausgewählten Bereichen zusammen mit einem Oberflächenteil der n-Schicht 41 entfernt, wie dies in Fig. 6C gezeigt ist. Dabei ergibt sich eine Vielzahl von übereinstimmenden Aus­ nehmungen 43 (geradlinige und parallele Schlitze) in regelmäßigen Abständen. Das Verfahren zur Ausführung des Schritts nach Fig. 6C kann beispielsweise mit Hilfe einer Ritzeinrichtung, einer Ultraschall-Schneideinrichtung oder einer selektiven Ätztechnik erfolgen. Dann wird, wie aus Fig. 6D zu er­ kennen, auf dem gesamten Bereich der i-Schicht 42 eine Metallschicht 70, die als eine ohmsche Elektrode für n-leitendes Halbleitermaterial dienen kann, so ausgebildet, daß sie die Oberflächen der Ausnehmungen 43 ebenfalls bedeckt. Beim nächsten in Fig. 6E gezeig­ ten Schritt wird die Metallschicht 70 selektiv ent­ fernt, um eine Vielzahl übereinstimmender Spalte 72 jeweils in einer kurzen Entfernung von einer Ausnehmung 43 zu schaffen. Das bedeutet, daß die Spalte 72 mit denselben Abständen wie die Ausnehmungen 43 ausgebil­ det werden. Die selektive Entfernung (entweder auf mechanische Weise oder durch chemisches Ätzen) der Metallschicht 70 erfolgt tief genug, um die i-Schicht 42 in den Spalten 72 freizulegen. Die danach erhaltenen Abschnitte der Metallschicht 70 entsprechen den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Elektrodenschichten 65 und 66 - diese Entsprechung ist durch die Klammerausdrücke in Fig. 6F angedeutet. Gemäß Fig. 6F wird eine nach den Schritten der Fig. 6A bis 6E erhaltene Scheibe 71 entlang Schnittlinien 74 in eine Vielzahl übereinstim­ mender Chips 60 zerschnitten. Dies kann beispielsweise durch Zerteilen oder Ritzen erfolgen und zwar so, daß jedes Chip 60 eine einzige Ausnehmung 43 und einen einzigen Spalt 72 aufweist.
Nach diesem Beispiel wurden m-i-n-artige Leuchtvorrich­ tungen mit dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau hergestellt. Die n-leitende Halbleiter-Schicht 41 wurde aus GaN mit n ≈ 1018 cm-3 aus der Dampfphase auf dem Saphir-Substrat 40 bis zu einer Dicke von 10-100 µm aufgewachsen. Die i-Schicht 42 wurde in einem Fall durch Aufwachsen von GaN aus der Dampfphase und in einem anderen Fall durch Diffusion eines p-Dotierstoffs in die n-Schicht 41 von deren Außenfläche ausgebildet. Das GaN war im ersteren Fall mit einem p-Dotierstoff wie Zn dotiert. Die Metall­ schicht 70 auf der i-Schicht 42 wurde durch Vakuumverdampfen von Au, In oder Sn hergestellt. In ei­ nigen Fällen wurde ein Doppelschichtkontakt dadurch her­ gestellt, daß zunächst W, Mo oder Cr auf der i-Schicht 42 abgeschieden wurde und daß dann auf dem anfänglich abgeschiedenen Metallfilm Au, In oder Sn abgeschieden wurde. Das Chip 60 wurde mittels einer Wärmedruckver­ bindungstechnik auf dem Kontaktfuß 67 montiert. Die nach diesem Beispiel hergestellten Vorrichtungen strahlten blaues Licht ab.

Claims (5)

1. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung (60) mit
  • a) einem Substrat (40) mit einer ebenen Begrenzungs­ fläche,
  • b) einer ersten Halbleiterschicht (41), die die Be­ grenzungsfläche bedeckt,
  • c) einer zweiten Halbleiterschicht (42), die auf der ersten Halbleiterschicht angebracht ist und eine von der ersten Halbleiterschicht abweichende Leit­ fähigkeit aufweist,
  • d) einer ersten Elektrodenschicht (65), die mit der ersten Halbleiterschicht eine ohmsche Verbindung bildet, und
  • e) einer auf einem Teil der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht angebrachten zweiten Elektroden­ schicht (66), die sich in kontaktierender Berührung mit dem darunterliegenden Teil der zweiten Halblei­ terschicht befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • f) die erste Halbleiterschicht (41) die Begrenzungs­ fläche des Substrats (40) bis auf eine Ausnehmung (43) mit gleichförmiger Dicke bedeckt,
  • g) daß die zweite Halbleiterschicht (42) aus eigen­ leitendem Material besteht und die erste Halbleiter­ schicht (41) bis auf die Ausnehmung (43) überdeckt, und
  • h) daß die erste Elektrodenschicht (65) teilweise ebenfalls auf der Oberfläche der zweiten Halbleiter­ schicht (42) angeordnet ist und außerdem die Ausneh­ mung (43) einschließlich des freien Teils der ersten Halbleiterschicht (41) auskleidet.
2. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (43) rinnen­ förmig ausgebildet ist.
3. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Elek­ trodenschicht (65) ein die Ausnehmung (43) auffüllender erster Lötanschluß (46) und auf der zweiten Elektroden­ schicht (66) ein vom ersten Lötanschluß (46) isolierter zweiter Lötanschluß (46′) angeordnet ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung der Ausnehmung (43) mit dem Elektrodenmaterial gleichzeitig mit dem Aufbringen des Elektrodenmaterials auf den einen Teil der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (42) durchgeführt wird.
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