Способ изготовления светоизлучающего элемента

 

Изобретение относится к способу изготовления светоизлучающего элемента. Технический результат изобретения заключается в улучшении электрических контактов между последовательностью эпитаксиальных слоев и внешней подложкой при высоких электрических токах, за счет чего повышается выход годных светодиодных структур. Сущность: после формирования содержащей по меньшей мере один активный слой последовательности слоев на передней стороне основной подложки из полупроводникового материала основную подложку по меньшей мере частично удаляют и последовательность слоев затем соединяют с внешней подложкой. Основную подложку удаляют жидкостным химическим травлением в селективном для материала основной подложки травителе, после чего наносят на обращенной к передней стороне теперь удаленной основной подложки обратной стороне последовательности слоев первый металлический контактный слой и на передней стороне внешней подложки - второй металлический контактный слой. Затем обратную сторону последовательности слоев соединяют с передней стороной внешней подложки под действием тепла путем эвтектического соединения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу изготовления светоизлучающего элемента, при котором после формирования последовательности слоев, содержащей по меньшей мере один активный слой, на передней стороне основной подложки, состоящей, в частности, из полупроводникового материала, основную подложку по меньшей мере частично удаляют и последовательность слоев затем соединяют с внешней подложкой.

Светоизлучающие полупроводниковые элементы изготавливают на основе полупроводниковых систем типа А^III В^V, в которых на полупроводниковой основной подложке из, например, GaAs эпитаксиально осаждают содержащую активный слой светоизлучающую последовательность слоев. Активный слой состоит, например, из InGaA1P с различными концентрациями А1. Для самых различных применений является необходимым снова удалять с основной подложки эпитаксиально нанесенную последовательность слоев (так называемое эпи-лифт-офф) и фиксировать на другом носителе (внешней подложке) с образованием хороших электрических контактов. В зависимости от желательного использования и получившей применение технологии изготовления, во-первых, в случае дискретных элементов и, во-вторых, в случае монолитных интегральных микросхем должны решаться различные постановки задач. Излучаемый полупроводниковым кристаллом видимый свет в значительной степени поглощается основной подложкой (например, GaAs), за счет чего внешний коэффициент полезного действия генерации света становится минимальным. Таким образом предпочитают прозрачную для излучаемого света подложку, (например. GaP), для достижения максимальных сил света, обычно 5 лм и больше, и коэффициентов полезного действия, обычно больше чем 10%. Одновременно является желательной хорошая электрическая связь между последовательностью эпитаксиальных слоев и внешней подложкой также при высоких токах (при минимальном полном прямом напряжении светодиодной полупроводниковой микросхемы), а также высокий выход годных элементов при изготовлении. Типичными применениями для таких дискретных полупроводниковых элементов являются внешние освещения, лампы и тому подобное в автомобиле. Кроме того, возможна реализация оптоэлектронных интегральных микросхем за счет выполнения мельчайших полупроводниковых эпитаксиальных слоев типа А^IIIВ^V в интегральных микросхемах на основе кремния. При этом является решающей электрическая связь полупроводниковых компонентов типа А^IIIВ^V с кремниевой компонентой. Типичными примерами применения для этого являются светодиодные устройства отображения, оптические системы обработки информации и тому подобное.

Изготовление, фиксацию и электрическое контактирование эпитаксиального слоя на внешней подложке до сих пор в основном производили с помощью двух способов: гетероэпитаксии и сплавления эпитаксиальных слоев на внешних подложках.

В гетероэпитаксии, например, InGaA1P на GaP вследствие больших согласований дефектов кристаллической решетки применяемых материалов неизбежно появляются высокие плотности дислокаций. Они, конечно, могут быть уменьшены или за счет того, что посредством масок из 8102 уменьшают площади эпитаксии так, что деформации могут легче уменьшаться, или за счет обычных методов, как, например, термического циклического роста кристалла, введения интерфейсов и тому подобного. При всем том высокая плотность дислокаций ведет к усилению неизлучающих процессов рекомбинации и тем самым к уменьшению излучения света, а также к неопределенным суммарным падениям напряжения на микросхеме, что является невыгодным для электрической связи.

При сплавлении эпитаксиальных слоев на внешних подложках поглощающую основную подложку из GaAs удаляют с последовательности эпитаксиальных слоев путем жидкостного химического селективного подтравливания, причем сначала вводят слой A1N. Остающуюся последовательность эпитаксиальных слоев наносят на прозрачную внешнюю подложку из GaP при высоком давлении и высокой температуре. За счет формирования связей вандер Ваальса последовательность эпитаксиальных слоев имеет хорошее сцепление на прозрачной внешней подложке.

Альтернативно отделенную последовательность эпитаксиальных слоев можно было бы снабдить напылением на (прежней) стороне основной подложки металлической пленкой с толщиной несколько нанометров. Затем последовательность эпитаксиальных слоев была бы нанесена на прозрачную или поглощающую внешнюю подложку, которая, при необходимости, также снабжена тонкой металлической пленкой. В заключение при отжиге происходило бы вплавление на металлическом переходе. Через сплав последовательность эпитаксиальных слоев сцеплялась бы с внешней подложкой.

Недостатком во всех представленных способах изготовления (последний не должен причисляться к уровню техники) являются неопределенные переходы обоих подлежащих соединению тел, которые в основном вызваны неоднородным стравливанием поглощающей подложки на несколько сотен микрон. Неоднородные связи ван-дер Ваальса между последовательностью эпитаксиальных слоев и внешней подложкой и начинающееся тем самым образование оксидов могут приводить к неблагоприятно высоким падениям напряжения на полупроводниковом кристалле и значительно уменьшать выход годных элементов. Так в имеющихся в продаже светодиодных полупроводниковых элементах для сильноточных применений, в которых последовательность слоев InGaA1P на внешней подложке из Gap была соединена сплавлением, были измерены прямые напряжения 2,4 мВ и выше при 70 мА, что сильно ограничивает их применение.

Из европейской патентной заявки ЕР 0 616 376 Al известен способ присоединения светодиодных слоев на полупроводниковой пластине, причем светодиодные слои изготавливают на одной подложке роста, которую затем удаляют. Светодиодные слои соединяют по плоскости посредством обычной техники присоединения на полупроводниковой пластине со второй подложкой с подходящими оптическими свойствами, для достижения низкого сопротивления контакта или желательных оптических характеристик граничных поверхностей со второй подложкой.

Из публикации JP-A 5251739 известно светоизлучающее полупроводниковое устройство, которое для достижения смешанного цвета предусматривает электрическое контактирование светодиода красного свечения на GaAsP и светодиода зеленого свечения на Gap, причем для электрического контактирования обоих светодиодов между собой предусмотрено применение эвтектического сплава.

В основе изобретения поэтому лежит задача предоставления в распоряжение способа изготовления светоизлучающего элемента, получившего применение предпочтительно в оптоэлектронике и автомобильной электронике, который делает возможным улучшенные электрические переходы между последовательностью эпитаксиальных слоев и внешней подложкой, в частности, также при высоких электрических токах, а также повышение выхода годных светодиодных полупроводниковых микросхем за счет определенных электрических переходов.

Эта задача решается способом согласно п. 1 формулы изобретения.

Изобретение заключается в том, что на обращенной к передней стороне удаленной основной подложки обратной стороне последовательности слоев наносят первый металлический контактный слой, а на передней стороне внешней подложки второй металлический контактный слой и покрытую таким образом слоем обратную сторону последовательности слоев соединяют со снабженной слоем передней стороной внешней подложки предпочтительно путем эвтектического соединения.

Основную подложку удаляют предпочтительно за счет жидкостного химического травления в селективном для материала основной подложки травителе, причем при особенно выгодной форме выполнения способа жидкостному химическому травлению основной подложки предшествует механическое утоньшение основной подложки. За счет этого можно достигнуть очень однородного отделения основной подложки от последовательности слоев, содержащей активный слой.

Соответствующий изобретению способ по сравнению с применяемыми до сих пор способами прежде всего имеет преимущество изготовления определенных и электрически проводящих переходов между эпитаксиально выращенной последовательностью слоев и внешней подложкой, а именно за счет комбинационного действия, во-первых, за счет определенного травления основной подложки, имеющей только минимальную толщину, и, во-вторых, за счет эвтектического соединения свободнонесущей последовательности слоев на предпочтительно прозрачную внешнюю подложку. В смысле такого определенного травления подложки поэтому является особенно предпочтительным, если основная подложка имеет только малую общую толщину максимально порядка 100 мкм. В случае более толстых основных подложек в соответствующем изобретению способе предусмотрено, что жидкостному химическому травлению основной подложки предшествует механическое утоньшение основной подложки до предпочтительной общей толщины обычно 100 мкм. За счет этого можно также при диаметрах полупроводниковых пластин два дюйма и больше производить однородное отделение основной подложки путем травления.

Для эвтектического соединения обоих первого и второго металлических контактных слоев предпочтительным образом используют слой припоя, содержащего золото, который наносят структурированно или на первом или на втором контактном слое, или на обоих слоях и при совмещении обоих контактных слоев расплавляют предпочтительно путем лазерной пайки и который спаивает вместе обе части при последующем охлаждении на переходе. Предпочтительным образом сцепление эвтектического припоя происходит только на предусмотренных для этого местах структурированных металлизаций. За счет этого может быть создан определенный металлический переход между обоими частичными компонентами, за счет чего получаются выгодные характеристики элементов также при высоких электрических токах и одновременно высокие выходы готовых элементов при изготовлении.

Предпочтительные формы дальнейшего развития изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

В последующем изобретение поясняется с помощью представленного на чертеже примера выполнения. В частности, схематические изображения показывают: фиг. 1 - схематическое поперечное сечение через эпитаксиально осажденную на основной подложке последовательность слоев; фиг. 2 - схематическое поперечное сечение после травления сравнительно толстой основной подложки; и фиг. 3 - схематическое представление изготовленного согласно изобретению светоизлучающего элемента с эвтектически присоединенной на внешней подложке последовательностью слоев.

Представленный на чертежах пример выполнения изготовленного согласно изобретению светоизлучающего элемента содержит полупроводниковую основную подложку 1 из GaAs, на которой нанесена эпитаксиально осажденная последовательность слоев, которая, исходя из полупроводниковой основной подложки 1, содержит первый покрывающий слой 2, активный слой 3 и второй покрывающий слой 4. Активный слой 3 по примеру выполнения согласно фиг. 1 представляет собой двойную гетероструктуру InGaA1P с длиной волны излучаемого света обычно максимально 800 нм; альтернативно активный слой 3 может быть выполнен также в виде гомо-pn-перехода. Над вторым покрывающим слоем 4 осажден слой вывода 5 из Gap с толщиной обычно порядка от 10 мкм до 50 мкм, который служит для улучшения коэффициента полезного действия вывода света, излучаемого светоизлучающим диодом. Расположение и функционирование последовательности слоев, состоящей из отдельных слоев 2, 3, 4, 5, в светодиодах или светоизлучающих диодах, применяемых, в частности, в качестве источника света, передающих элементов в технике оптической связи, специалисту известны и не требуют здесь более подробного пояснения. В зависимости от желаемой длины волны излучаемого света, применяют различные полупроводниковые системы, лежащие в основе которых полупроводниковые материалы влекут за собой также различные способы изготовления с соответственно самостоятельными технологическими постановками задач. В видимом спектральном диапазоне с длинами волн порядка от 400 до 800 нм применяют сплавную систему AlGalnP, которая также лежит в основе представленного примера выполнения, в котором регулированием содержания алюминия можно устанавливать желаемую длину волны из относительно широкого диапазона цветов. В принципе соответствующий изобретению способ является также применимым для изготовления светоизлучающих диодов с более длинными длинами волн в инфракрасном диапазоне, которые базируются, как правило, на системе AlGaAs, в которой регулированием содержания алюминия в типичном диапазоне порядка от 10% до 30% можно получать длины волн излучаемого света выше примерно 800 нм.

Основная подложка 1 из GaAs может сначала иметь общую толщину обычно несколько сотен микрон. В качестве предшествующей операции для применения соответствующего изобретению способа в этом случае предусмотрено механическое утоныление основной подложки 1 предпочтительно путем шлифования, благодаря которому общую толщину основной подложки 1 доводят примерно до 100 мкм. Состояние после шлифования показано на фиг. 1. После этого полупроводниковую пластину погружают в селективный для материала основной подложки 1 травитель. В случае GaAs в качестве травителя можно использовать, например, раствор с ₂O: NH₃:H₂O₂ в соотношении 4:2:1. Через примерно 45 минут основная подложка 1 является полностью растворенной, в то время как состоящая из слоев 2, 3, 4, 5 последовательность слоев не затронута. Растворение основной подложки 1 из GaAs происходит при этом крайне однородно, так как ее толщина является минимальной. Без всяких проблем можно получать отделенные последовательности слоев с диаметрами пластин два дюйма и больше.

Фиг. 2 показывает случай основной подложки 1 из GaAs толщиной несколько сотен микрон, которая была подвергнута жидкостному химическому травлению без предварительного механического утоньшения. Здесь можно видеть неравномерное воздействие травления, которое приводит, наконец, к не являющемуся больше однородным переходу между последовательностью слоев и подлежащей затем соединению прозрачной внешней подложкой. В смысле соответствующего изобретению способа поэтому является более выгодным, если в случае более толстых основных подложек 1 вначале осуществляют механическую операцию шлифования.

Фиг. 3 схематически показывает фиксацию и в электрическое контактирование отделенной жидкостным химическим травлением последовательности эпитаксиальных слоев на внешней подложке-носителе. Для этого на обратной стороне 6 отделенной последовательности слоев (n-сторона) структурированно наносят n-контакт 7, который покрыт тонким слоем золота. На передней стороне 8 прозрачной внешней подложки 9 также наносят структурированный n-контакт 10 (в случае n-легированной внешней подложки 9 из Gap) или также другую металлизацию (например, для внешних подложек из стекла или кремния), поверхность которого покрыта тонким слоем AuSn в качестве эвтектического припоя. Снабженную металлическим контактным слоем 10 прозрачную внешнюю подложку 9 и снабженную металлическим контактным слоем 7 последовательность слоев накладывают друг на друга и отжигают подходящим источником тепла. Покрытие AuSn на контактном слое 10 расплавляется (схематически представлено ссылочной позицией 11) и спаивает вместе при охлаждении обе частичные компоненты на переходе так, что получается схематически представленное на фиг. 3 электрическое и механическое соединение между последовательностью эпитаксиальных слоев 2, 3, 4, 5 -контактом обратной стороны 7 - AuSn - контактом передней стороны 10 - прозрачной внешней подложкой 9. При этом сцепление эвтектического припоя 11 происходит только на металлизациях 7 и 10. Таким образом возникает определенный металлический переход между обоими компонентами микросхемы, который делает возможным выгодные характеристики элементов также при высоких электрических токах, а именно со сравнительно высокими выходами элементов при изготовлении. Ради полноты позицией 12 обозначено металлическое n-контактирование обратной стороны на внешней подложке 9 и позицией 13 - структурированный р-контакт на слое вывода 5.

Формула изобретения

1. Способ изготовления светоизлучающего элемента, при котором после формирования последовательности слоев, содержащей по меньшей мере один активный слой на передней стороне основной подложки, основную подложку удаляют по меньшей мере частично, и последовательность слоев затем соединяют с внешней подложкой, и при котором снабженную слоем обратную сторону последовательности слоев соединяют под действием тепла со снабженной слоем передней стороной внешней подложки, отличающийся тем, что на обращенной к передней стороне удаленной основной подложки обратной стороне последовательности слоев структурируют первый металлический контактный слой и на передней стороне внешней подложки второй металлический контактный слой, и соединяют друг с другом первый и второй металлические контактные слои путем эвтектического соединения посредством по меньшей мере одного дополнительного слоя припоя между обоими структурированными контактными слоями, причем соединение снабженной слоем обратной стороны последовательности слоев и снабженной слоем передней стороны последовательности слоев внешней подложки производят исключительно через структурированные металлические контактные слои.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что примененный для эвтектического соединения первого и второго металлических контактных слоев слой припоя является золотосодержащим.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют внешнюю подложку из прозрачного материала.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что формируют эпитаксиально осажденную на основной подложке из GaAs последовательность слоев с активным слоем, содержащим InGaAlP, и/или GaAs, и/или AlGaAs.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что формируют эпитаксиально осажденную последовательность слоев, которая содержит, исходя из основной подложки, первый покрывающий слой, активный слой, второй покрывающий слой и слой вывода.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что изготовление множества светоизлучающих элементов производят в матричной ИС на цельной полупроводниковой пластине, причем полупроводниковая пластина имеет диаметр два дюйма или больше.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что на обращенной от основной подложки или соответственно от внешней подложки передней стороне последовательности слоев изготавливают слой вывода, а на слое вывода предусматривают, в частности, структурированно осажденный металлический электродный слой.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что основную подложку удаляют путем жидкостного химического травления селективным для материала основной подложки травителем.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что перед жидкостным химическим травлением основной подложки производят механическое утоньшение основной подложки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3