WO2012113934A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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metal support
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silver
semiconductor layer
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Helmut Fischer
Andreas PLÖSSL
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • a light-emitting diode (LED) or a semiconductor laser diode usually have one on one
  • Growth substrate is transferred to a carrier.
  • materials are used for a support which have a coefficient of thermal expansion which deviates from those of the growth substrate and the semiconductor layer sequence.
  • problems may arise in the production or operation of such a component due to different thermal expansion of the semiconductor layer sequence and of the carrier in the event of temperature changes.
  • metals such as electrodeposited copper or nickel as materials for a carrier can be problematic because such metals have a significantly higher coefficient of thermal expansion than those on them
  • thermal expansion is adapted to that of the semiconductor.
  • copper can become non-radiative
  • At least one object of certain embodiments is to specify an optoelectronic semiconductor component which has a suitable carrier. Another object of certain embodiments is to provide a method for
  • Optoelectronic semiconductor component can, for example be designed as a light-emitting diode (LED), as a laser diode, as a light-receiving or detecting diode or as a solar cell.
  • the optoelectronic component can be embodied as a light-emitting or receiving or detecting diode having an emission spectrum or an absorption spectrum in an infrared, visible and / or ultraviolet wavelength range.
  • the optoelectronic component as edge or surface emitting laser diode having such an emission spectrum with one or more spectral
  • Optoelectronic component designed as a light-receiving diode or as a solar cell, it may be provided to receive light with one or more spectral components in said wavelength range and in
  • Semiconductor device a growth substrate provided on which an opto-electronic semiconductor layer sequence is grown.
  • the optoelectronic semiconductor layer sequence at least one or a plurality of epitaxially grown semiconductor layers or an epitaxially grown semiconductor layer sequence based on a semiconductor compound material.
  • the semiconductor compound material may be selected from an arsenide, a phosphide or a nitride compound semiconductor material.
  • the semiconductor layer sequence can be embodied as a semiconductor chip or as part of a semiconductor chip.
  • the semiconductor layer sequence can be embodied, for example, on the basis of InGaAlN. Falling below InGaAlN-based semiconductor chips and semiconductor layer sequences
  • the semiconductor layer sequence epitaxially produced typically having a layer sequence composed of different individual layers, which contains at least one single layer comprising a material from the III-V compound semiconductor material system In x Al y Ga x - y N with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • Semiconductor layer sequences which have at least one active layer based on InGaAlN, for example, preferably electromagnetic radiation in a
  • the semiconductor layer sequence or the semiconductor chip may also be based on InGaAlP, that is, the semiconductor layer sequence may be different
  • Single layers may have, of which at least one
  • Semiconductor layer sequences or semiconductor chips which have at least one active layer based on InGaAlP can For example, preferably emit or absorb electromagnetic radiation with one or more spectral components in a green to red wavelength range.
  • the semiconductor layer sequence or the semiconductor chip may also comprise other III-V compound semiconductor material systems, for example an AlGaAs-based material, or II-VI-
  • an active layer comprising an AlGaAs-based material may be capable of emitting or emitting electromagnetic radiation having one or more spectral components in a red to infrared wavelength range
  • An I I-VI compound semiconductor material may include at least one second main group element such as Be, Mg, Ca, Sr, and a sixth main group element such as O, S, Se.
  • an I I-VI compound semiconductor material comprises a binary, ternary or quaternary compound comprising at least one element from the second main group and at least one element from the sixth main group.
  • Such a binary, ternary or quaternary compound may also contain, for example, one or more dopants and additional constituents
  • the I I-VI compound semiconductor materials include: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
  • the semiconductor layer sequence can furthermore be deposited on a substrate forming a growth substrate.
  • the substrate may comprise a semiconductor material, for example a compound semiconductor material system mentioned above.
  • the substrate may include sapphire, GaAs, Ge, GaP, GaN, InP, SiC and / or Si include or be of such material.
  • the semiconductor layer sequence may have, for example, a conventional pn junction, an active region
  • Double heterostructure a single quantum well structure (SQW structure) or a multiple quantum well structure (MQW structure) have.
  • the term quantum well structure includes in the context of the application in particular any
  • quantum well structure does not include any indication of the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the semiconductor layer sequence can, in addition to the active region, further functional layers and
  • functional regions include, for example, p- or n-doped semiconductor layers, undoped or p- or n-doped confinement, cladding or waveguide layers,
  • Barrier layers planarization layers, buffer layers, protective layers and / or electrodes and combinations thereof. Furthermore, for example, on a the
  • Buffer layers, barrier layers and / or protective layers also perpendicular to the growth direction of
  • Semiconductor layer sequence may be arranged around, that is approximately on the side surfaces of the semiconductor layer sequence.
  • Metal support element on.
  • a metal carrier element is here and below a support element, for example a
  • Carrier substrate designated, which has metallic components and is particularly preferably of metallic components.
  • the semiconductor layer sequence can in particular be arranged on a mounting surface of the metal carrier element.
  • Semiconductor layer sequence can be done for example by means of a wafer bonding method.
  • suitable connecting layers for example metal or solder layers, can be provided on the metal carrier element and / or on the semiconductor layer sequence, by means of which a permanent connection of the metal carrier element to the
  • the semiconductor layer sequence with the metal carrier element by means of a sintered material For example, the semiconductor layer sequence with the metal carrier element by means of a sintered material
  • the metal support element may for this purpose have a silver coating as a suitable substrate. Furthermore, the metal carrier element with one or
  • Such layers can be used for solder joints as well as for example
  • Sintered compounds are suitable.
  • circuit board for example, a circuit board or a housing
  • Metal support member on a first component which is silver.
  • Silver can be characterized in particular by a high
  • Semiconductor materials may have less adverse effect or no adverse effect. Furthermore, it may also be possible to migrate silver from the
  • Metal carrier element in the semiconductor layer sequence easier to prevent than the migration of copper from a
  • Growth substrate on the metal support element reduced or completely prevented.
  • growth substrates which comprise a semiconductor material, for example GaAs or Ge, or for a growth substrate which is made of sapphire, whose thermal expansion coefficients are similar to the thermal expansion coefficients of
  • Expansion coefficients of the growth substrate are adapted, and thermal stresses during the operation of such an optoelectronic semiconductor device can be prevented.
  • Thermal expansion coefficients which are adapted to one another preferably have a difference of less than or equal to 20%, preferably of less than or equal to 10% and particularly preferably of less than or equal to 5%. It may also be possible that the thermal
  • Expansion coefficient of the metal support member is adapted to the thermal expansion coefficient of the growth substrate such that the expansion coefficients differ by less than or equal to 1%.
  • the metal support element may be adapted to the coefficient of thermal expansion of sapphire along the a-axis in terms of its thermal expansion coefficient.
  • a metal support element with silver the coefficient of thermal expansion of which is adapted to the thermal expansion coefficient of the growth substrate, it can be used or used in conjunction with semiconductor layer sequence based on a nitride, a phosphide and / or an arsenide compound. Based semiconductor material. In particular, it may be possible for all of these semiconductor materials to have the same
  • Metal support element ie metal support elements each having a same composition, as a metallic
  • electrical conductivity of silver is at least comparable or even better than that of copper, as compared to the metal support elements described herein
  • the metal support element may be free of copper, in which case "free of copper” means that copper was not intentionally supplied during the production of the metal support element.
  • free of copper means that copper was not intentionally supplied during the production of the metal support element.
  • Metal support element Copper parts or traces may be present which can not be avoided technically
  • the metal support member having silver as the first component may provide a copper-free solution for the task of looking for a metal support member similar to copper-based supports
  • Phosphide-based semiconductor layer sequences can be applied, wherein an encapsulation effort compared to copper-based carriers can be kept low, and that the semiconductor layer sequence with the same technology the metal support member can be transferred as on a copper-based support.
  • the peeling off can vary depending on the used
  • Growth substrate for example, by a so-called laser lift-off process and / or carried out by etching.
  • the first one is
  • Component that is, the silver, in the second component substantially insoluble. This may mean that the first and second components are immiscible or not substantially miscible and that in the
  • Substantially insoluble or substantially immiscible means here and below that the first and the second component are soluble in one another to a proportion of less than 1% are mixable with each other. In particular, that can
  • Metal support element as a so-called pseudo alloy
  • At least the first or the second component or both components are present in the form of a grain in the metal carrier element.
  • the first and second components are provided, for example, in powder form and mixed together and sintered at a sufficiently high temperature.
  • one of the first and the second component for example, form a matrix in which the other component is arranged.
  • organometallic starting materials are provided with the first and second components, in which by a mixture and a precipitation process and a
  • Sintered bodies are pressed and sintered, which has a porous structure. This serves as a porous skeleton into which the first component, ie the silver, can be introduced in liquid form, in particular by means of infiltration.
  • the first component ie the silver
  • the metal support element can be produced as a film, in particular with regard to the described production methods as a sintered film, which can have an at least partially granular and / or porous structure.
  • a sintered body can be produced by hot or Cold rolling process in a film of suitable thickness
  • Expansion coefficients of the metal carrier element and the growth substrate which are adapted to one another, may in each case be the coefficients of thermal expansion along the respective main extension plane, that is to say in directions parallel to the growth surface in the case of
  • the different coefficients of thermal expansion can be produced, for example, during the mechanical shaping of the metal carrier element into a foil, since the area proportions of the first and second components in the main extension plane of the
  • Metal support member and in a direction perpendicular thereto during forming can form different.
  • Metal support member has a thickness of greater than or equal to 50 ⁇ on. Furthermore, the metal support member may have a thickness of less than or equal to 250 ⁇ . Particularly preferably, the thickness can be greater than or equal to 75 ⁇ . In particular, the thickness may for example be greater than or equal to 75 ⁇ and less than or equal to 150 ⁇ or greater than or equal to 150 ⁇ and less than or equal to 250 ⁇ . Furthermore, it may also be possible that the thickness is greater than or equal to 250 ⁇ . According to another disclosed embodiment, the second
  • the second component may be a material of the fifth and / or sixth group of the periodic table, that is, a material of the so-called
  • the second component may be selected from a group formed by molybdenum, tungsten, chromium, vanadium, niobium and tantalum.
  • Expansion coefficients of about 19.5 ⁇ 1CT 6 K _1 at about 300 K have in particular the said materials of the fifth and sixth group of the periodic table in part significantly lower thermal expansion coefficients, for example vanadium about 8.4 x 10 ⁇ 6 K _1 , Niobium about 7.3 x 10 ⁇ 6 K “1 , chromium 4.0 x 10 ⁇ 6 K “ 1 , tantalum about 6.5 x 10 ⁇ 6 K _1 and especially molybdenum 5.2 x 10 ⁇ 6 K _1 and tungsten about 4.5 x 10 ⁇ 6 K _1 .
  • tungsten and molybdenum also have a high thermal conductivity, which can be achieved together with the silver as the first component, a metal support member having a high thermal conductivity.
  • the thermal conductivities of vanadium, niobium and chromium are in the range of 31, 54 and 94 W / (m K) and can therefore also have a sufficiently high thermal conductivity
  • the second form is
  • Component molybdenum or tungsten and the proportion of silver in the metal support element is greater than or equal to 3 wt .-% and less than or equal to 33 wt .-%. In such a
  • Molybdenum or tungsten can be further improved.
  • the manufacturability of the metal support element described herein based on the first component silver and one of the mentioned second components, for example molybdenum may be simpler than the production of known molybdenum-copper foils, since silver has a lower stiffness compared to copper and having a lower melting point.
  • Encapsulation costs for a silver-based metal support element is lower. Furthermore, it may also be possible that the first component silver can be stabilized against environmental influences by the second component, for example molybdenum. If the components silver and molybdenum are provided as organometallic starting materials for the production of the metal support element, then in comparison with the production of organometallic copper-molybdenum foils Compounds lowered the temperature for the reduction of molybdenum.
  • the metal carrier element can be wet-chemically etched.
  • silver as the first component and, for example, molybdenum as the second component can be etched together by wet-chemical means.
  • Semiconductor layer sequence can be severed, for example, by means of etching, sawing or laser cutting.
  • Figures 1A to 1D are schematic representations of a
  • FIGS. 1A to 1D show a method for producing optoelectronic semiconductor components 10 according to one exemplary embodiment.
  • a growth substrate 1 is provided on which a
  • Optoelectronic semiconductor layer sequence 2 is grown.
  • the growth substrate 1 is shown in FIG.
  • Optoelectronic semiconductor layer sequence 2 is based on an arsenide, a phosphide and / or a nitride compound semiconductor material, which are described above in the general part. In this case, the optoelectronic
  • edge or surface emitting laser diodes as light receiving diodes or as
  • the optoelectronic semiconductor layer sequences 2 furthermore comprise electrode layers and, for example, also at least one mirror layer on the upper side facing away from the growth substrate 1.
  • a metal carrier element 3 is arranged on the semiconductor layer sequence 2.
  • the semiconductor layer sequence 2 In the illustrated embodiment, the
  • Metal support member 3 as a first component silver and as a second component molybdenum or tungsten on.
  • the metal support element 3 may also comprise one of the other materials mentioned above in the general part for the second component.
  • the first and the second component for example, as a powder or in the form of organometallic compounds
  • the second component as a porous sintered body and introduce by infiltration the first component in liquid form.
  • the metal carrier element 3 is formed as a film, in particular as a sintered film, for example by rolling processes.
  • One of the two components forms a matrix in which the other component is arranged.
  • the two components may be formed in a grain shape in the metal carrier element 3.
  • the thickness of the metal carrier element 3 is preferably greater than or equal to 50 ⁇ and less than or equal to 250 ⁇ and
  • the thickness may be greater than or equal to 150 ⁇ and less than or equal to 250 ⁇ .
  • the one or more connecting layers can, for example, have one or more metal layers, in particular solder layers.
  • the semiconductor layer sequence 2 can be connected to the metal carrier element 3, for example by means of a silver-containing sintered material. This can be done by sintering silver powder.
  • a silver coating or even one or more layers comprising or consisting of nickel and / or gold can be applied to the metal carrier element 3. Such layers can become more reliable for manufacturing
  • Soldering and sintering compounds are suitable.
  • the growth substrate 1 is detached from the semiconductor layer sequence 2.
  • this can also be only partially detached, so that a part of the growth substrate on the
  • Semiconductor layer sequence 2 may remain.
  • the detachment of the growth substrate 1 can, for example, by means of a
  • the semiconductor layer sequence 2 is added to the metal carrier element 3 individual optoelectronic semiconductor devices 10 isolated.
  • the severing of the metal carrier element 3 can be effected by means of wet-chemical etching, in particular in the case of silver as the first and molybdenum as the second
  • the metal carrier element 3 can be replaced on the metal carrier element 3
  • the metal carrier element 3 can continue with a
  • the metal carrier element 3 with the semiconductor layer sequence 2 can be applied to a carrier element, for example a circuit board or a housing, for example by means of a solder connection or a sintered connection described above.
  • Semiconductor device 10 may be used, for example, as
  • Thin-film LED chip or thin-film laser diode chip be executed.
  • a thin-film light-emitting diode chip or a thin-film laser diode chip is characterized by at least one of the following characteristic features: - On one to the support element, in particular the metal support element described here, facing major surface of the radiation-generating semiconductor layer sequence, which is in particular a radiation-generating epitaxial layer sequence, a reflective layer is applied or formed, the at least a portion of the electromagnetic radiation generated in the semiconductor layer sequence reflected back into this;
  • the thin-film light-emitting diode chip has a carrier element, in particular the metal carrier element described here, which is not the growth substrate on which the semiconductor layer sequence has been epitaxially grown, but a separate carrier element that has subsequently been attached to the semiconductor layer sequence;
  • the semiconductor layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ or less, in particular in the range of 10 ⁇ or less;
  • the semiconductor layer sequence is free of one
  • Growth substrate that a growth substrate optionally used for growth of the semiconductor layer sequence is removed or at least heavily thinned. In particular, it is thinned such that it is not self-supporting on its own or together with the semiconductor layer sequence alone. The remainder of the highly thinned growth substrate is particularly useful as such for the function of
  • the semiconductor layer sequence contains at least one
  • the one Has mixing structure that ideally to an approximately ergodic distribution of light in the
  • Semiconductor layer sequence leads, that is, it has the most ergodisch stochastic scattering behavior.
  • a basic principle of a thin-film LED chip is
  • Component and molybdenum or tungsten as the second component chosen such that the thermal expansion of silver is lowered by the addition of the second component or the coefficient of thermal expansion of the second component by the addition of silver is raised so that the thermal expansion coefficient of the finished metal support element that of the growth substrate 1, that is, in particular, for example gallium arsenide, germanium or sapphire in the embodiment shown, corresponds or at least comes very close.
  • the first component or the second component may form a continuous matrix in which the other component is incorporated in a granular form.
  • silver as the first component
  • molybdenum as the second component
  • silver grains form a continuous matrix in which the molybdenum bodies are incorporated separately, or it may also be possible that in a dense packing of molybdenum grains, silver grains fill the gaps.
  • gallium arsenide (5.74 x 1CT 6 K _1 at 300 K) or sapphire (along the a-axis: 6, 64 x 10 ⁇ 6 K _1 at 300 K) or germanium containing a
  • thermal expansion properties may have.
  • the coefficient of thermal expansion CTE is in 10 ⁇ 6 K _1 for
  • Curve 21 corresponds to a Vegard model, in which the respective thermal expansion coefficients of Silver and molybdenum are weighted linearly with their respective proportion.
  • Curves 22 and 23 correspond to other models described in the publication VB Rapkin and RF Kozlova, "Powder Metallurgy and Metal Ceramics", Vol. 7 (3), 1968, pp. 210-215 (translation from Poroshkovaya
  • Curves 21 and 23 results in a proportion of the component silver in a range of greater than or equal to 3 and less than or equal to 33%. In particular, results in a
  • Growth substrate 1 of GaAs a suitable silver content in the range of greater than or equal to 3% and less than or equal to about 20.5%, while for a growth substrate 1 made of sapphire, a suitable silver content in a range of about 11.5% to 33% results.
  • a suitable silver content in a range of about 11.5% to 33% results.
  • Germanium apply similar values.
  • Metal support element 3 which are determined for a growth substrate of GaAs, Ge or sapphire or one of the other, in the general part mentioned materials, suitable composition.
  • ASM International shows the state diagram of the ZweistoffSystems silver-molybdenum, from which the immiscibility of the two metals in the solid state results.
  • silver in molybdenum has a solubility of only 0.15% atomic% at the eutectic point.

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem Metallträgerelement (3) angegeben, das als erste Komponente Silber und als zweite Komponente ein Material aufweist, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silber aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements angegeben.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 012 262.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterbauelements angegeben.
Eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Halbleiter- Laserdiode weisen üblicherweise eine auf einem
Aufwachssubstrat aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge auf. Es sind Bauformen bekannt, bei denen die
Halbleiterschichtenfolge nach dem Aufwachsen vom
Aufwachssubstrat auf einen Träger übertragen wird. Oft werden hierbei Materialien für einen Träger verwendet, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der von denen des Aufwachssubstrats und der Halbleiterschichtenfolge abweicht. Dadurch kann es bei der Herstellung oder beim Betrieb eines solchen Bauelements zu Problemen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge und des Trägers bei Temperaturänderungen kommen.
Insbesondere Metalle wie etwa elektrochemisch abgeschiedenes Kupfer oder Nickel als Materialien für einen Träger können problematisch sein, da solche Metalle einen erheblich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die darauf
aufgebrachten Halbleitermaterialien aufweisen. Um die
Probleme der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu umgehen, wird im Stand der Technik entweder auf einen solchen Träger aus Metall verzichten oder man geht das Risiko
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen ein. weiterhin ist auch bekannt, durch eine Mischung aus Kupfer und einem weiteren Metall einen Träger bereitzustellen, dessen
thermische Ausdehnung an die des Halbleiters angepasst ist. Bei Arsenid- und Phosphid-basierten Halbleitermaterialien kann Kupfer allerdings zu einer nicht strahlenden
Rekombination führen. Daher ist es wichtig,
Diffusionssperrschichten oder Kapselungsschichten zwischen der Halbleiterschichtenfolge und einem kupferbasierten Träger vorzusehen, die eine Migration von Kupfer in das
Halbleitermaterial verhindern, was jedoch zu einem erhöhten Material- und Herstellungsaufwand führt.
Zumindest eine Aufgabe bestimmter Aus führungs formen ist es, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das einen geeigneten Träger aufweist. Eine weitere Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es, ein Verfahren zur
Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein
Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist ein
optoelektronisches Halbleiterbauelement eine
optoelektronische Halbleiterschichtenfolge auf. Das
optoelektronische Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Licht emittierende Diode (LED) , als Laserdiode, als Licht empfangende oder detektierende Diode oder als Solarzelle ausgeführt sein. Insbesondere kann das optoelektronische Bauelement dabei als Licht emittierende oder empfangende oder detektierende Diode mit einem Emissionsspektrum oder einem Absorptionsspektrum in einem infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Wellenlängenbereich ausgebildet sein.
Weiterhin kann das optoelektronische Bauelement als kanten- oder oberflächenemittierende Laserdiode mit einem solchen Emissionsspektrum mit einer oder mehreren spektralen
Komponenten in einem ultravioletten bis infraroten
Wellenlängenbereich ausgebildet sein. Ist das
optoelektronische Bauelement als Licht empfangende Diode oder als Solarzelle ausgebildet, so kann es dafür vorgesehen sein, Licht mit einem oder mehreren spektralen Komponenten im genannten Wellenlängenbereich zu empfangen und in
elektrischen Strom beziehungsweise elektrische Ladungen umzuwandeln .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird in einem Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterbauelements ein Aufwachssubstrat bereitgestellt, auf dem eine optoelektronische Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen wird.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich dabei
gleichermaßen auf Aus führungs formen und Merkmale, die das optoelektronische Halbleiterbauelement sowie das Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements betreffen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die
optoelektronische Halbleiterschichtenfolge zumindest eine oder mehrere epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten oder eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge auf, die auf einem Halbleiterverbindungsmaterial basiert. Insbesondere kann das Halbleiterverbindungsmaterial aus einem Arsenid-, einem Phosphid- oder einem Nitrid-Verbindungs- Halbleitermaterial ausgewählt sein. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge als Halbleiterchip oder als Teil eines Halbleiterchips ausgeführt sein.
Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen fallen
insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V- Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGai-x-yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 aufweist.
Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis auf InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem
ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren oder absorbieren .
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche
Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine
Einzelschicht ein Material aus dem III-V-
Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGai-x-yP mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1 aufweist.
Halbleiterschichtenfolgen oder Halbleiterchips, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einen grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren oder absorbieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch andere III-V- Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-
Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Insbesondere kann eine aktive Schicht, die ein AlGaAs-basiertes Material aufweist, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu emittieren oder zu
absorbieren .
Ein I I-VI-Verbindungshalbleitermaterial kann wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise 0, S, Se, aufweisen. Insbesondere umfasst ein I I-VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile
aufweisen. Beispielsweise gehören zu den I I-VI-Verbindungs- Halbleitermaterialien: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
Die Halbleiterschichtenfolge kann weiterhin auf einem ein Aufwachssubstrat bildendes Substrat abgeschieden werden. Das Substrat kann dabei ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein oben genanntes Verbindungshalbleitermaterialsystem, umfassen. Insbesondere kann das Substrat Saphir, GaAs, Ge, GaP, GaN, InP, SiC und/oder Si umfassen oder aus einem solchen Material sein.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW- Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW- Struktur) aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche
Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss
( "confinement " ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität de Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionale Schichten und
funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Halbleiterschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten,
Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Weiterhin können beispielsweise auf einer dem
Aufwachssubstrat abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Spiegelschichten aufgebracht werden. Die hier beschriebenen Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere
hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werde von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Darüber hinaus können zusätzliche Schichten, etwa
Pufferschichten, Barriereschichten und/oder Schutzschichten auch senkrecht zur Aufwachsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge beispielsweise um die
Halbleiterschichtenfolge herum angeordnet sein, also etwa auf den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
optoelektronische Halbleiterbauelement ein
Metallträgerelement auf. Als Metallträgerelement wird hier und im Folgenden ein Trägerelement, beispielsweise ein
Trägersubstrat, bezeichnet, das metallische Komponenten aufweist und besonders bevorzugt aus metallischen Komponenten ist .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird das
Metallträgerelement auf einer dem Aufwachssubstrat
abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere auf einer Montagefläche des Metallträgerelements angeordnet werden. Die Anordnung des Metallträgerelements auf der
Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise mittels eines Wafer-Bonding-Verfahrens erfolgen. Hierzu können auf dem Metallträgerelement und/oder auf der Halbleiterschichtenfolge geeignete Verbindungsschichten, beispielsweise Metall- oder Lotschichten, vorgesehen sein, mittels derer eine dauerhafte Verbindung des Metallträgerelements an der
Halbleiterschichtenfolge ermöglicht wird.
Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge mit dem Metallträgerelement mittels eines Sintermaterials,
insbesondere mittels einer Silber-haltigen Sinterschicht, verbunden werden. Dies kann durch Versintern von Silberpulver ermöglicht werden. Das Metallträgerelement kann dazu eine Silberbeschichtung als geeignete Unterlage aufweisen. Weiterhin kann das Metallträgerelement mit einer oder
mehreren Schichten bedeckt werden, die Nickel und/oder Gold aufweisen oder daraus sind. Derartige Schichten können sich für Lötverbindungen sowie beispielsweise auch für
Sinterverbindungen eignen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
Metallträgerelement auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eine Silberschicht und/oder eine oder mehrere Schichten, die Nickel und/oder Gold aufweisen, auf. Dadurch kann es möglich sein, das Metallträgerelement mit der Halbleiterschichtenfolge auf einem Trägerelement,
beispielsweise einer Platine oder einem Gehäuse,
beispielsweise mittels einer Lötverbindung oder einer vorab beschriebenen Sinterverbindung zu montieren.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
Metallträgerelement eine erste Komponente auf, die Silber ist. Silber kann sich insbesondere durch eine hohe
Wärmeleitfähigkeit, ähnlich wie Kupfer, auszeichnen, wobei im Vergleich zu Kupfer Silber zumindest für einige
Halbleitermaterialien eine geringere nachteilige Wirkung oder auch keine nachteilige Wirkung aufweisen kann. Weiterhin kann es auch möglich sein, die Migration von Silber aus dem
Metallträgerelement in die Halbleiterschichtenfolge leichter zu unterbinden als die Migration von Kupfer aus einem
kupferhaltigen Träger in eine Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallträgerelements an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats angepasst. Im Vergleich zu bekannten Trägern, die einen im Vergleich zum Aufwachssubstrat und zur Halbleiterschichtenfolge unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, können durch eine
Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Metallträgerelements an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats thermische Spannungen während des Herstellungsverfahrens, insbesondere während des Transfers der Halbleiterschichtenfolge vom
Aufwachssubstrat auf das Metallträgerelement, vermindert oder ganz verhindert werden. Insbesondere für Aufwachssubstrate, die ein Halbleitermaterial aufweisen, also beispielsweise GaAs oder Ge, oder für ein Aufwachssubstrat, das aus Saphir ist, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten ähnlich den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Halbleiterschichtenfolgen sind, können somit mit derartigen Metallträgerelementen, deren thermische
Ausdehnungskoeffizienten an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats angepasst sind, auch thermische Spannungen während des Betriebs eines solchen optoelektronischen Halbleiterbauelements verhindert werden. Thermische Ausdehnungskoeffizienten, die aneinander angepasst sind, weisen bevorzugt einen Unterschied von kleiner oder gleich 20 %, bevorzugt von kleiner oder gleich 10 % und besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 5 % auf. Es kann auch möglich sein, dass der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallträgerelements derart an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats angepasst ist, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten um kleiner oder gleich 1 % voneinander unterscheiden. Im Fall von Saphir als Aufwachssubstrat kann das Metallträgerelement hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten dabei an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Saphir entlang der a-Achse angepasst sein. Durch die Verwendung eines Metallträgerelements mit Silber, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats angepasst ist, kann dieser in Verbindung mit Halbleiterschichtenfolge, verwendbar sein oder verwendet werden, die auf einem Nitrid-, einem Phosphid- und/oder einem Arsenid-Verbindungs- Halbleitermaterial basieren. Insbesondere kann es möglich sein, für alle diese Halbleitermaterialien ein gleiches
Metallträgerelement, also Metallträgerelemente mit jeweils einer gleichen Zusammensetzung, als metallisches
Trägersubstrat zu verwenden. Da die thermische und
elektrische Leitfähigkeit von Silber mindestens vergleichbar oder sogar besser als die von Kupfer ist, bieten die hier beschriebenen Metallträgerelemente im Vergleich zu
herkömmlichen kupferbasierten Metallträgern mindestens gleichwertige oder sogar bessere thermische und elektrische Eigenschaften. Insbesondere kann das Metallträgerelement frei von Kupfer sein, wobei hier "frei von Kupfer" bedeutet, dass Kupfer bei der Herstellung des Metallträgerelements nicht willentlich zugeführt wurde. Jedoch können im
Metallträgerelement Kupferanteile oder -spuren vorhanden sein, die sich technisch nicht vermeiden lassen,
beispielsweise durch nicht entfernbare Verunreinigungen in Ausgangsmaterialien. Somit kann das Metallträgerelement, das als erste Komponente Silber aufweist, eine kupferfreie Lösung für die Aufgabe darstellen, dass ein Metallträgerelement gesucht wird, das kupferbasierten Trägern ähnliche
Eigenschaften hinsichtlich der elektrischen und thermischen Anbindung aufweist und auf das auch Arsenid- und/oder
Phosphid-basierte Halbleiterschichtenfolgen aufgebracht werden können, wobei ein Kapselungsaufwand im Vergleich zu kupferbasierten Trägern gering gehalten werden kann, und dass die Halbleiterschichtenfolge mit der gleichen Technologie auf das Metallträgerelement transferiert werden kann wie auf einen kupferbasierten Träger.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird das
Aufwachssubstrat nach dem Anordnen des Metallträgerelements zumindest teilweise von der Halbleiterschichtenfolge
abgelöst. Das Ablösen kann je nach verwendetem
Aufwachssubstrat beispielsweise durch ein so genanntes Laser- Lift-Off-Verfahren und/oder durch Ätzen erfolgen.
Ablöseverfahren für Aufwachssubstrate sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
Metallträgerelement neben der ersten Komponente aus Silber eine zweite Komponente aus einem Material auf, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silber aufweist. Dadurch kann es möglich sein, den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Metallträgerelements im
Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silber abzusenken und so an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats anzupassen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die erste
Komponente, also das Silber, in der zweiten Komponente im Wesentlichen nicht löslich. Dies kann bedeuten, dass die erste und die zweite Komponente nicht mischbar sind oder nicht wesentlich mischbar sind und dass im
Metallträgerelement keine oder kaum intermetallische
Verbindungen aus der ersten und zweiten Komponente gebildet werden. Im Wesentlichen nicht löslich beziehungsweise im Wesentlichen nicht mischbar bedeutet hier und im Folgenden, dass die erste und die zweite Komponente zu einem Anteil von weniger als 1 % ineinander löslich beziehungsweise miteinander vermischbar sind. Insbesondere kann das
Metallträgerelement als so genannte Pseudolegierung
vorliegen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form liegen zumindest die erste oder die zweite Komponente oder beide Komponenten kornförmig im Metallträgerelement vor. Das bedeutet, dass die erste und zweite Komponente beispielsweise pulverförmig bereitgestellt werden und miteinander vermengt und bei ausreichend hoher Temperatur gesintert werden. Dabei kann eine der ersten und der zweiten Komponente beispielsweise eine Matrix bilden, in der die andere Komponente angeordnet ist. Alternativ zur Bereitstellung der ersten und zweiten Komponente in Pulverform können auch beispielsweise
metallorganische Ausgangsmaterialien mit der ersten und zweiten Komponente bereitgestellt werden, bei denen durch eine Mischung und einen Ausfällprozess sowie eine
anschließende Wärme- oder Hitzebehandlung und Sintern ein entsprechendes Metallträgerelement hergestellt werden kann. Weiterhin kann beispielsweise die zweite Komponente
pulverförmig bereitgestellt werden und zu einem porösen
Sinterkörper verpresst und gesintert werden, der eine poröse Struktur aufweist. Diese dient als poröses Skelett, in das die erste Komponente, also das Silber, in flüssiger Form eingebracht werden kann, insbesondere mittels Infiltration.
Das Metallträgerelement kann als eine Folie, insbesondere hinsichtlich der beschriebenen Herstellungsweisen als eine Sinterfolie, hergestellt sein, die eine zumindest teilweise kornförmige und/oder poröse Struktur aufweisen kann.
Beispielsweise kann durch die vorgenannten Herstellungsweisen ein Sinterkörper hergestellt werden, der durch Warm- oder Kaltwalzverfahren in eine Folie mit geeigneter Dicke
umgeformt wird.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
Metallträgerelement entlang einer Haupterstreckungsebene und in einer Richtung senkrecht dazu unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Metallträgerelements und des Aufwachssubstrats, die aneinander angepasst sind, können dabei jeweils die thermischen Ausdehnungskoeffizienten entlang der jeweiligen Haupterstreckungsebene sein, also in Richtungen parallel zur Aufwachsoberfläche beim
Aufwachssubstrat und in Richtungen parallel zur Montagefläche beim Metallträgerelement. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten können beispielsweise bei der mechanischen Ausformung des Metallträgerelements in eine Folie erzeugt werden, da die Flächenanteile der ersten und zweiten Komponente in der Haupterstreckungsebene des
Metallträgerelements und in einer Richtung senkrecht dazu beim Umformen sich unterschiedlich ausbilden können.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das
Metallträgerelement eine Dicke von größer oder gleich 50 μπι auf. Weiterhin kann das Metallträgerelement eine Dicke von kleiner oder gleich 250 μπι aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Dicke größer oder gleich 75 μπι sein. Insbesondere kann die Dicke beispielsweise größer oder gleich 75 μπι und kleiner oder gleich 150 μπι oder auch größer oder gleich 150 μπι und kleiner oder gleich 250 μπι sein. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Dicke größer oder gleich 250 μπι ist . Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann die zweite
Komponente aus einem Übergangsmetal , besonders bevorzugt ein so genanntes Refraktärmetall , sein. Insbesondere kann die zweite Komponente ein Material der fünften und/oder sechsten Gruppe des Periodensystems, also ein Material der so
genannten Vanadium- und/oder der so genannten Chromgruppe aufweisen. Insbesondere kann die zweite Komponente ausgewählt sein aus einer Gruppe, die gebildet wird durch Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Niob und Tantal. Derartige
Materialien weisen im Vergleich zu Silber einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, sodass es möglich ist, durch eine Mischung der ersten Komponente Silber und einer solchen zweiten Komponente den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Metallträgerelements an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats anzupassen. Während Silber einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von etwa 19,5 x 1CT6 K_1 bei etwa 300 K aufweist, weisen insbesondere die genannten Materialien der fünften und sechsten Gruppe des Periodensystems zum Teil deutlich niedrigere thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, beispielsweise Vanadium etwa 8,4 x 10~6 K_1, Niob etwa 7,3 x 10~6 K"1, Chrom 4,0 x 10~6 K"1, Tantal etwa 6,5 x 10~6 K_1 und insbesondere Molybdän 5,2 x 10~6 K_1 und Wolfram etwa 4,5 x 10~6 K_1. Insbesondere Wolfram und Molybdän weisen auch eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, durch die zusammen mit dem Silber als erste Komponente ein Metallträgerelement erreicht werden kann, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Die thermischen Leitfähigkeiten von Vanadium, Niob und Chrom liegen im Bereich von 31, 54 und 94 W/ (m K) und können daher auch noch eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit
darstellen . Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die zweite
Komponente Molybdän oder Wolfram und der Anteil von Silber im Metallträgerelement ist größer oder gleich 3 Gew.-% und kleiner oder gleich 33 Gew.-%. In einem derartigen
Mischungsverhältnis liegt der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallträgerelements im Bereich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Galliumarsenid, Germanium und insbesondere von Saphir, die besonders
bevorzugte Aufwachssubstrate für Halbleiterschichtenfolgen sein können.
Es ist bekannt, die thermische Ausdehnung von Molybdän oder Wolfram zu steigern, indem Kupfer beigefügt wird. Neben der Erhöhung der thermischen Ausdehnung durch die Zugabe von Kupfer kann gleichzeitig auch die thermische Leitfähigkeit erhöht werden, wodurch die thermische Leitfähigkeit von
Molybdän oder Wolfram noch weiter verbessert werden kann. Im Vergleich zu kupferbasierten Trägern kann die Herstellbarkeit des hier beschriebenen Metallträgerelements basierend auf der ersten Komponente Silber und einer der genannten zweiten Komponenten, beispielsweise Molybdän, einfacher sein als die Herstellung von bekannten Molybdän-Kupfer-Folien, da Silber im Vergleich zu Kupfer eine geringere Steifigkeit und einen geringeren Schmelzpunkt aufweist. Weiterhin kann es möglich sein, dass im Vergleich zu kupferbasierten Trägern der
Kapselungsaufwand für ein silberbasiertes Metallträgerelement niedriger ist. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass durch die zweite Komponente, beispielsweise Molybdän, die erste Komponente Silber gegen Umwelteinwirkungen stabilisiert werden kann. Werden die Komponenten Silber und Molybdän als metallorganische Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Metallträgerelements bereitgestellt, so kann im Vergleich zur Herstellung von Kupfer-Molybdän-Folien aus metallorganischen Verbindungen die Temperatur zur Reduktion von Molybdän abgesenkt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird die
optoelektronische Halbleiterschichtenfolge nach dem
Aufbringen des Metallträgerelements auf der
Halbleiterschichtenfolge in einzelne optoelektronische
Halbleiterbauelemente vereinzelt. Dazu kann insbesondere nach dem zumindest teilweisen Ablösen des Aufwachssubstrats das Metallträgerelement nasschemisch geätzt werden. Dies kann insbesondere dadurch möglich sein, dass sich Silber als erste Komponente und beispielsweise Molybdän als zweite Komponente gemeinsam nasschemisch ätzen lassen. Die
Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise mittels Ätzen, Sägen oder Lasertrennen durchtrennt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Aus führungs form und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im
Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Aus führungs formen .
Es zeigen:
Figuren 1A bis 1D schematische Darstellungen eines
Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel und
Figuren 2 und 3 thermische Ausdehnungskoeffizienten für
Metallträgerelemente sowie für Aufwachssubstrate und Metalle gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleich oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie z. B. Schichten, Bauteile, Bauelement und
Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert
dargestellt sein.
In den Figuren 1A bis 1D ist ein Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt gemäß Figur 1A ein Aufwachssubstrat 1 bereitgestellt, auf dem eine
optoelektronische Halbleiterschichtenfolge 2 aufgewachsen wird. Das Aufwachssubstrat 1 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel aus GaAs, Ge oder Saphir und die
optoelektronische Halbleiterschichtenfolge 2 basiert auf einem Arsenid-, einem Phosphid- und/oder einem Nitrid- Verbindungs-Halbleitermaterial , die oben im allgemeinen Teil beschrieben sind. Dabei kann die optoelektronische
Halbleiterschichtenfolge 2 mit einer oder mehreren aktiven Schichten zur Strahlungserzeugung oder zur
Strahlungsdetektion aufgewachsen werden, sodass die mittels des beschriebenen Verfahrens herstellbaren optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 (siehe Figur 1D) als Licht
emittierende Dioden, kanten- oder oberflächen-emittierende Laserdioden, als Licht empfangende Dioden oder als
Solarzellen ausgebildet sein können. Die optoelektronischen Halbleiterschichtenfolgen 2 umfassen weiterhin Elektrodenschichten sowie beispielsweise auch auf der dem Aufwachssubstrat 1 abgewandten Oberseite zumindest eine Spiegelschicht.
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Figur 1B wird auf der Halbleiterschichtenfolge 2 ein Metallträgerelement 3 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das
Metallträgerelement 3 als erste Komponente Silber und als eine zweite Komponente Molybdän oder Wolfram auf. Alternativ dazu kann das Metallträgerelement 3 auch eines der weiteren oben im allgemeinen Teil genannten Materialien für die zweite Komponente aufweisen.
Zur Bereitstellung des Metallträgerelements 3 werden die erste und die zweite Komponente beispielsweise als Pulver oder in Form von metallorganischen Verbindungen
bereitgestellt, die miteinander vermischt, gegebenenfalls reduziert und unter Druckeinwirkung gesintert werden.
Alternativ dazu ist es auch möglich, die zweite Komponente als porösen Sinterkörper herzustellen und durch Infiltration die erste Komponente in flüssiger Form einzubringen.
Insbesondere wird das Metallträgerelement 3 als Folie, insbesondere als Sinterfolie, ausgebildet, beispielsweise durch Walzverfahren. Dabei bildet eine der beiden Komponenten eine Matrix, in der die andere Komponente angeordnet ist. Insbesondere können die beiden Komponenten kornförmig im Metallträgerelement 3 ausgebildet sein.
Die Dicke des Metallträgerelements 3 ist bevorzugt größer oder gleich 50 μπι und kleiner oder gleich 250 μπι und
besonders bevorzugt größer oder gleich 75 μπι und kleiner oder gleich 150 μπι. Alternativ dazu kann die Dicke auch größer oder gleich 150 μπι und kleiner oder gleich 250 μπι sein.
Auf dem Metallträgerelement 3 und/oder auf der
Halbleiterschichtenfolge 2 werden vor dem Zusammenfügen eine oder mehrere Verbindungsschichten aufgebracht, mittels derer durch Druck- und/oder Wärmeeinwirkung eine dauerhafte
Verbindung zwischen dem Metallträgerelement 3 und der
Halbleiterschichtenfolge 2 erreicht werden kann. Die eine oder mehreren Verbindungsschichten können beispielsweise eine oder mehrere Metallschichten, insbesondere Lotschichten, aufweisen. Alternativ dazu kann die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem Metallträgerelement 3 beispielsweise mittels eines Silber-haltigen Sintermaterials verbunden werden. Dies kann durch Versintern von Silberpulver ermöglicht werden. Auf das Metallträgerelement 3 können dazu eine Silberbeschichtung oder auch eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, die Nickel und/oder Gold aufweisen oder daraus sind. Derartige Schichten können sich zur Herstellung zuverlässiger
Lötverbindungen und Sinterverbindungen eignen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form gemäß der Figur IC wird das Aufwachssubstrat 1 von der Halbleiterschichtenfolge 2 abgelöst. Alternativ zum gezeigten vollständigen Ablösen des Aufwachssubstrats 1 kann dieses auch nur teilweise abgelöst werden, sodass ein Teil des Aufwachssubstrats auf der
Halbleiterschichtenfolge 2 verbleiben kann. Das Ablösen des Aufwachssubstrats 1 kann beispielsweise mittels eines
Ätzverfahrens oder mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens erfolgen .
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Figur 1D wird die Halbleiterschichtenfolge 2 auf dem Metallträgerelement 3 zu einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 vereinzelt. Das Durchtrennen des Metallträgerelements 3 kann dabei mittels nasschemischen Ätzens erfolgen, insbesondere im Fall von Silber als erster und Molybdän als zweiter
Komponente .
Nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats 1 und/oder nach dem Vereinzeln können auf der dem Metallträgerelement 3
abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 2 weitere Schichten, beispielsweise Elektrodenschichten,
Passivierungsschichten und/oder optische Auskoppelschichten aufgebracht werden.
Auf der der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seite kann das Metallträgerelement 3 weiterhin auch mit einer
Silberschicht und/oder einer oder mehreren Schichten, die Nickel und/oder Gold aufweisen, versehen werden. Dadurch kann das Metallträgerelement 3 mit der Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Trägerelement, beispielsweise einer Platine oder einem Gehäuse, beispielsweise mittels einer Lötverbindung oder einer vorab beschriebenen Sinterverbindung aufgebracht werden .
Ein derart hergestelltes optoelektronische
Halbleiterbauelement 10 kann beispielsweise als
Dünnfilm-Leuchtdiodenchip oder Dünnfilm-Laserdiodenchip ausgeführt sein.
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip oder ein Dünnfilm- Laserdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus: - an einer zum Trägerelement, insbesondere dem hier beschriebenen Metallträgerelement, hingewandten Hauptfläche der Strahlungserzeugenden Halbleiterschichtenfolge, bei der es sich insbesondere um eine Strahlungserzeugende Epitaxie- Schichtenfolge handelt, ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Trägerelement, insbesondere das hier beschriebene Metallträgerelement, auf, bei dem es sich nicht um das Wachstumssubstrat handelt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde, sondern um ein separates Trägerelement, das nachträglich an der Halbleiterschichtenfolge befestigt wurde;
- die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μπι oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μπι oder weniger auf;
- die Halbleiterschichtenfolge ist frei von einem
Aufwachssubstrat. Vorliegend bedeutet „frei von einem
Aufwachssubstrat, dass ein gegebenenfalls zum Aufwachsen benutztes Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark gedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der Halbleiterschichtenfolge alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines
Aufwachssubstrates ungeeignet; und
- die Halbleiterschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der
Halbleiterschichtenfolge führt, das heißt, sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist
beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al . , Appl . Phys. Lett. 63 (16) 18. Oktober 1993, Seiten 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Beispiele für Dünnfilm- Leuchtdiodenchips sind in den Druckschriften EP 0905797 A2 und WO 02/13281 AI beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist das
Metallträgerelement 3 hinsichtlich seines thermischen
Ausdehnungskoeffizienten an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats 1 angepasst. Hierzu wird ein Mischungsverhältnis aus der ersten und der zweiten Komponente, also bevorzugt wie im gezeigten
Ausführungsbeispiel beschrieben, aus Silber als erster
Komponente und Molybdän oder Wolfram als zweiter Komponente, derart gewählt, dass die thermische Ausdehnung von Silber durch die Zugabe der zweiten Komponente abgesenkt wird beziehungsweise der thermische Ausdehnungskoeffizient der zweiten Komponente durch die Zugabe von Silber so angehoben wird, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des fertigen Metallträgerelements 3 dem des Aufwachssubstrats 1, also insbesondere beispielsweise Galliumarsenid, Germanium oder Saphir im gezeigten Ausführungsbeispiel, entspricht oder zumindest sehr nahe kommt. Insbesondere kann die Abweichung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Aufwachssubstrats 1 und des Metallträgerelements 3 kleiner oder gleich 10 % und bevorzugt kleiner oder gleich 5 % sein. Je nach Mischungsverhältnis und Durchmischung der Komponenten kann die erste Komponente oder die zweite Komponente eine durchgehende Matrix bilden, in der die andere Komponente körnerförmig eingebaut ist. Im Fall von Silber als erster Komponente und Molybdän als zweiter Komponente können
beispielsweise Silberkörner einer durchgehende Matrix bilden, in der die Molybdän-Körper separat eingebaut sind, oder es kann auch möglich sein, dass in einer dichten Packung von Molybdän-Körnern Silber-Körner die Zwischenräume füllen. Zur Anpassung an die thermische Ausdehnung von Galliumarsenid (5,74 x 1CT6 K_1 bei 300 K) oder Saphir (entlang der a-Achse: 6, 64 x 10~6 K_1 bei 300 K) oder Germanium, das einen dem
Saphir ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufwiest, ist eine passende Menge der ersten Komponente
Silber zur zweiten Komponente zu wählen. Die genaue Menge ist hierbei am besten experimentell zu bestimmen, da die
pulvermetallurgische Bearbeitung einen Einfluss auf die
Morphologie und damit unter Umständen auch auf die
thermischen Ausdehnungseigenschaften haben kann.
In diesem Zusammenhang ist in Verbindung mit Figur 2 der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE in 10~6 K_1 für
Metallträgerelemente mit der ersten Komponente Silber und der zweiten Komponente Molybdän in Abhängigkeit des Massenanteils c (Ag) von Silber gezeigt.
In Figur 2 sind theoretische Kurven 21, 22 und 23 gezeigt, die nach verschiedenen Modellen den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten einer Mischung aus Silber und
Molybdän in Abhängigkeit des Silbergehalts in Gew.-% angeben. Die Kurve 21 entspricht dabei einem Vegard-Modell , bei dem die jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silber und Molybdän mit deren jeweiligem Anteil linear gewichtet sind. Die Kurven 22 und 23 entsprechen weiteren Modellen, die in der Veröffentlichung V. B. Rapkin und R. F. Kozlova, „Powder Metallurgy and Metal Ceramics", Vol. 7(3), 1968, Seiten 210 - 215 (Übersetzung aus Poroshkovaya
Metallurgiya, Nr. 3(63), 1968, Seiten 64 - 70) beschrieben sind, wobei die Kurve 23 dem in dieser Veröffentlichung beschriebenen Modell von Turner gemäß der dort genannten Referenz [10] ist. Die horizontalen Linien 24 und 25 und die linearen geben die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Saphir (Bezugszeichen 24) und GaAs (25) an. Aus den
Schnittpunkten der Linien 24 beziehungsweise 25 mit den
Kurven 21 und 23 ergibt sich ein Anteil der Komponente Silber in einem Bereich von größer oder gleich 3 und kleiner oder gleich 33 %. Insbesondere ergibt sich bei einem
Aufwachssubstrat 1 aus GaAs ein geeigneter Silberanteil im Bereich von größer oder gleich 3 % und kleiner oder gleich etwa 20,5 %, während sich für ein Aufwachssubstrat 1 aus Saphir ein geeigneter Silberanteil in einem Bereich von etwa 11,5 % bis 33 % ergibt. Für ein Aufwachssubstrat aus
Germanium gelten ähnliche Werte. Durch Vermessung des
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Metallträgerelementen mit Silberanteil in den genannten
Bereichen kann je nach metallurgischer Bearbeitung, also je nach gewähltem Herstellungsverfahren für das
Metallträgerelement 3, die für ein Aufwachssubstrat aus GaAs, Ge oder Saphir oder eines der weiteren, im allgemeinen Teil genannten Materialien, passende Zusammensetzung ermittelt werden .
Der im Graphen der Figur 2 als Einsatz enthaltene zusätzliche Graph (entnommen aus: Massalski, „Binary Alloy Phase
Diagrams", ASM International) zeigt das Zustandsschaubild des ZweistoffSystems Silber-Molybdän, aus dem sich die Unmischbarkeit der beiden Metalle im festen Zustand ergibt. Insbesondere weist Silber in Molybdän eine Löslichkeit von lediglich 0,15% Atom-% am eutektischen Punkt auf.
In Figur 3 sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE in Abhängigkeit von der Temperatur T für a-Saphir
(Bezugszeichen 31), Germanium (Bezugzeichen 32), GaAs
(Bezugszeichen 33) gezeigt, die sich besonders als
Aufwachssubstrate eignen. Weiterhin sind rein beispielhaft die thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE für Molybdän (Bezugszeichen 34) und für Wolfram (Bezugszeichen 35) gezeigt (beispielsweise beschrieben in Touloukian et al . ,
„Thermophysical properties of matter, Thermal Expansion:
Metallic Elements and Alloys", Vol. 12, Plenum, New York, 1975) . Da Silber einen größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als Molybdän und Wolfram aufweist, ist es möglich, wie oben beschrieben Metallträgerelemente zu erhalten, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweils verwendeten Aufwachssubstrats anzupassen.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer
optoelektronischen Halbleiterschichtenfolge
(2) auf einem Metallträgerelement (3), das als erste Komponente Silber und als zweite Komponente ein Material aufweist, das einen geringeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als Silber aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Silber in der zweiten Komponente im
Wesentlichen nicht löslich ist .
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Komponente ausgewählt ist aus einer Gruppe, die gebildet wird durch Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Niob und Tantal.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallträgerelements (3) an den thermischen Ausdehnungskoeffizient von Saphir,
Germanium oder GaAs angepasst ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem
vorherigen Ansprüche, wobei das Metallträgerelement eine Folie, insbesondere eine Sinterfolie, ist.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallträgerelement (3) eine Dicke von größer oder gleich 50 μπι und kleiner oder gleich 250 μπι aufweist.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optoelektronische
Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem oder mehreren Verbindungshalbleitermaterialien basiert, die ausgewählt sind aus einem Arsenid-, einem Phosphid- und einem
Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial .
8. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen
Halbleiterbauelements mit den Schritten:
- Aufwachsen einer optoelektronischen
Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem Aufwachssubstrat (1) ,
- Anordnen eines Metallträgerelements (3) auf einer dem
Aufwachssubstrat (1) abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge (2), bei dem das
Metallträgerelement (3) Silber aufweist und der
thermische Ausdehnungskoeffizient des
Metallträgerelements (3) an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Aufwachssubstrats (1) angepasst ist,
- zumindest teilweises Ablösen des Aufwachssubstrats (1) .
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das
Metallträgerelement (3) als erste Komponente das Silber und als zweite Komponente ein Material aufweist, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silber aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zweite Komponente ausgewählt ist aus einer Gruppe, die gebildet wird durch Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Niob und Tantal.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das
Metallträgerelement (3) durch Sintern der ersten und zweiten Komponente hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die zweite Komponente zu einem porösen Sinterkörper gesintert wird und die erste Komponente in flüssiger Form in den
Sinterkörper eingebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem das Aufwachssubstrat (1) aus Saphir, Germanium oder GaAs ist .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Aufwachssubstrat Saphir ist und bei dem die zweite
Komponente Molybdän oder Wolfram ist und der Anteil der ersten Komponente im Metallträgerelement größer oder gleich 3 Gew.-% und kleiner oder gleich 33 Gew.-% ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem
nach dem zumindest teilweisen Ablösen des
Aufwachssubstrat (1) das Metallträgerelement (3) nasschemisch geätzt wird zur Vereinzelung der
Halbleiterschichtenfolge (2) in eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen (10) .
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