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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
und ein Herstellungsverfahren für
dieselbe. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine
Halbleiter-Leuchtvorrichtung, in welchem eine Halbleiter-Leuchtstruktur
auf einem transparenten einkristallinen Substrat, wie z. B. einem
Saphirsubstrat, gebildet wird sowie eine Herstellungsmethode für dieselbe.
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Eine
Halbleiter-Leuchtvorrichtung zum Aussenden blauen Lichts ist weit
bekannt, welche Nitridhalbleiter, wie beispielsweise GaN, GaAlN,
InGaN und InAlGaN (im folgenden als GaN-Verbindungshalbleiter bezeichnet)
verwendet. Eine blaue Leuchtdiode (light-emitting diode; LED), die
mit einer Wellenlängenumwandlungsschicht
bedeckt ist, welche ein fluoreszierendes Material enthält, kann
weißes Licht
aussenden, welches zum Beleuchten verwendet werden kann.
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Eine
GaN-Halbleiterschicht wird üblicherweise
dazu gebracht, auf einem Saphirsubstrat aufzuwachsen, welches ein
isolierendes transparentes einkristallines Substrat ist. Es ist
daher notwendig, Elektroden der LED von einer Oberfläche der
LED zu ziehen, welche dem Saphirsubstrat gegenüberliegt. Licht wird in allen
Richtungen ausgestrahlt. Eine Lichtausgabe von der LED kann man
auch von der Saphirsubstratseite erhalten.
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In
den letzten Jahren hat sich eine Ausgangsleistung der LED erhöht, und
der Markt für
die LED hat sich aus einem Anzeigebereich, wo die LED herkömmlicherweise
verwendet wird, in Felder der Beleuchtung ausgedehnt, wie bei spielsweise
spezielle Beleuchtung, allgemeine Beleuchtung und Automobilbeleuchtung.
Gleichzeitig hat sich die Chipgröße der LED
von ungefähr
300 μm zum
Quadrat auf 1 bis 2 mm zum Quadrat erhöht. Jedoch sind mit der Erhöhung der
Chipgröße Probleme
bezüglich
einer ungleichen Lichtemission, Verschlechterung der Stromversorgung,
Wärmeentwicklung
in der LED und dergleichen offensichtlich geworden.
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Die
Japanische Patentoffenlegungsschrift JP-A 2002-270905 schlägt vor,
dass eine Vielzahl von Leuchtelementen auf einem Saphirsubstrat
gebildet wird, und das Saphirsubstrat mit den Leuchtelementen über Bumps
bzw. Kontakthöcker
an einem einzigen darunter angebrachten Element angebracht wird,
welches durch ein Siliziumsubstrat gebildet wird. Eine Anhäufung einer
Vielzahl von Leuchtelementen stellt eine hohe Lichtausstrahlung
bereit. Die Verwendung des Siliziumsubstrats mit der besseren Wärmeleiteigenschaft
als derjenigen des Saphirsubstrats beschleunigt die Wärmeabstrahlung,
wodurch ein durch die Wärmeerzeugung
bewirktes Absenken der Lichtausbeute verhindert wird. Dadurch kann
die Lichtausbeute verbessert werden, und man kann eine hervorragende
Lichtquelle für
Beleuchtungszwecke erhalten.
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Die
Japanische Patentoffenlegungsschrift JP-A-2003-110148 schlägt eine
Halbleiter-Leuchtvorrichtung vor. Bei dieser Halbleiter-Leuchtvorrichtung
wird ein Saphirsubstrat, auf welchem eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
gebildet worden ist, auf einer Befestigungsunterlage mit Bumps für elektrische
Leitung und elektrisch-isolierenden Bump-Attrappen angebracht, welche
zwischen dem Saphirsubstrat und der Befestigungsunterlage eingebracht
sind, wodurch die Wärmeabfuhreigenschaft
verbessert wird.
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Das
Japanische Patent JP-3136672 schlägt die folgende Struktur vor.
Eine GaN-Halbleiterschicht vom i-Typ, welche mit Verunreinigungen
vom p-Typ dotiert ist, wird auf einer GaN-Halbleiterschicht vom n-Typ
gebildet. Eine der Elektroden wird auf einer Oberfläche der
GaN-Halbleiterschicht vom i-Typ gebildet, und ein Bereich, der die
eine Elektrode umgibt, wird geätzt.
Die andere Elektrode wird gebildet, um die eine Elektrode in allen
Umfangsrichtungen der Struktur, einschließlich der Seitenflächen, zu
umgeben. Bei dieser Struktur wird ein zwischen den Elektroden fließender Strom
gleichförmig
gemacht, und seitlich ausgestrahltes Licht wird reflektiert, so
dass es austritt.
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Das
Japanische Patent JP-2914065 schlägt eine GaN-Leuchtdiode vor,
in welcher eine isolierende Schutzschicht auf einer Halbleiterschicht
zwischen einem Paar von Elektrodenschichten gebildet wird, wodurch
ein Kurzschluss verhindert wird, der durch Silberpaste erzeugt wird,
welche zum Verbinden einer Bleielektrode verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
bereit zu stellen, welche eine Nitridhalbleiter-Leuchtschicht umfasst,
und welche einen Strom schnell an den gesamten lichtaussendenden
Bereich anlegen kann und welche effizient hochintensives Licht ausgeben kann,
sowie ein Herstellungsverfahren für diese Halbleiter-Leuchtvorrichtung.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung
bereit zu stellen, welche eine Nitridhalbleiter-Leuchtschicht umfasst,
und welche effektiv Licht von einem großen Leuchtbereich aussenden
kann, sowie ein Herstellungsverfahren für diese Halbleiter-Leuchtvorrichtung.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung bereitgestellt,
welche umfasst: ein transparentes einkristallines Substrat; eine
Nitridhalbleiterschicht von einem ersten Leitungstyp, die oberhalb
des transparenten einkristallinen Substrats gebildet wird; eine
Nitridhalbleiter-Leuchtschicht, die oberhalb der Nitridhalbleiterschicht
vom ersten Leitungstyp gebildet wird; eine Nitridhalbleiterschicht
von einem zweiten Leitungstyp, die oberhalb der Nitridhalbleiter-Leuchtschicht
gebildet wird, wobei der zweite Leitungstyp dem ersten Leitungstyp
entgegengesetzt ist; einen Kerbbereich mit einer Tiefe dergestalt,
dass der Kerbbereich die Nitridhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp
und die Nitridhalbleiter-Leuchtschicht schneidet und die Nitridhalbleiterschicht
vom ersten Leitungstyp freilegt, wobei der Kerbbereich eine Vielzahl
von aktiven Mesabereichen und einen Mesaelektroden-Ziehbereich aufweist;
eine Elektrode für den
ersten Leitungstyp einschließlich
eines ohmschen Elektrodenteil bzw. -bereichs für den ersten Leitungstyp und
eines Flächen-
bzw. Felderelektrodenteils bzw. -bereichs für den ersten Leitungstyp, wobei
der ohmsche Elektrodenteil für
den ersten Leitungstyp auf einem Bereich vom ersten Leitungstyp gebildet
wird, die in dem Kerbbereich freiliegt, der die Vielzahl von aktiven
Mesabereichen umgibt, und wobei der Felderelektrodenteil für den ersten
Leitungstyp sich durchgehend vom Widerstandselektrodenteil für den ersten
Leitungstyp zu einem Bereich an dem Mesaelektroden-Ziehbereich erstreckt;
eine ohmsche Elektrode für
den zweiten Leitungstyp, die auf der Nitridhalbleiterschicht vom
zweiten Leitungstyp in jeder der Vielzahl von aktiven Mesabereichen
gebildet wird; und ein Trägersubstrat,
das gegenüber
dem transparenten einkristallinen Substrat angeordnet ist, wobei
das Trägersubstrat
ein leitendes Verbindungselement für den ersten Leitungstyp umfasst,
das dem Felderelektrodenteil bzw. -bereich für den ersten Leitungstyp gegenüberliegt
und mit diesem verbunden ist, sowie ein leitendes Verbindungselement
für den
zweiten Leitungstyp, das jeder ohmschen Elektrode für den zweiten
Leitungstyp gegenüberliegt
und mit dieser verbunden ist.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann die Vielzahl der aktiven Mesabereiche in einer Matrix
in einem Leuchtbereich angeordnet ist, und der Mesaelektroden-Ziehbereich kann
in einer Vielzahl von Bereichen ausserhalb des Leuchtbereichs angeordnet
sein.
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Weiterhin
kann jeder der aktiven Mesabereiche eine rechtwinklige Form aufweisen.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann der Kerbbereich eine Vielzahl von Gräben umfassen.
Die Gräben
können
in zwei Gruppen aufgeteilt sein, die in zwei sich jeweils kreuzenden
Richtungen ausgebildet sind.
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Weiterhin,
kann gemäß des ersten
Aspekts der Leuchtbereich eine rechtwinklige Form aufweisen. Der
Mesaelektroden-Ziehbereich kann ausserhalb des rechtwinkligen Leuchtbereichs
und innerhalb eines Bereichs angeordnet sein, der kein Bereich ist,
welcher zentralen Teilen von Seiten des rechtwinkligen Leuchtbereichs
entspricht.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann der Mesaelektroden-Ziehbereich ein L-förmiger Bereich sein, der an
der Aussenseite jeder Ecke des rechtwinkligen Leuchtbereichs angeordnet
ist.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann der Mesaelektroden-Ziehbereich eine rechtwinklige ebene Form
aufweisen. Weiterhin kann der Mesaelektroden-Ziehbereich ausserhalb eines Bereichs
angeordnet sein, der kein Bereich ist, welcher zentralen Teilen
von Seiten des rechtwinkligen Leuchtbereichs entspricht, und von
Bereichen in der Nähe
jeder Ecke des rechtwinkligen Leuchtbereichs.
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Weiterhin
kann das Trägersubstrat
eine erste Verdrahtung umfassen, die der Nitridhalbleiterschicht vom
ersten Leitungstyp entspricht, sowie eine zweite Verdrahtung, die
der Nitridhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp entspricht.
Hier kann die zweite Verdrahtung die Vielzahl von aktiven Mesabereichen der
Nitridhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp miteinander verbinden.
Die zweite Verdrahtung kann aus einem Bereich gezogen werden, der
jedem der zentralen Teile von Seiten des rechtwinkligen Leuchtbereichs
zugewandt ist, zu einem Bereich gezogen werden, der ausserhalb des
dem Leuchtbereich entsprechenden Bereichs liegt.
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Gemäß des ersten
Aspekts können
die aktiven Mesabereiche und der Mesaelektroden-Ziehbereich auf
dem transparenten Substrat in einer Matrix angeordnet sein.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann der Kerbbereich eine Vielzahl von Gräben umfasst,
die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, die in zwei sich jeweils kreuzenden
Richtungen ausgebildet sind.
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Gemäß des ersten
Aspekts können
die aktiven Mesabereiche und der Mesaelektroden-Ziehbereich die
gleiche ebene Form aufweisen. Hier sind die aktiven Mesabereiche
und der Mesaelektroden-Ziehbereich in einer Matrix innerhalb eines
rechtwinkligen Bereichs angeordnet. Weiterhin kann der Mesaelektroden-Ziehbereich an einer
Ecke des rechtwinkligen Bereichs angeordnet sein.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann die Elektrode für
den ersten Leitungstyp eine Ausrichtungsmarke umfassen, die als
ein Bereich ausgeformt ist, in welchen keine Elektrode wahlweise
gebildet wird. Hierbei umfasst die Ausrichtungsmarke mindestens zwei
gerade Linienabschnitte, die jeweils in zwei sich überschneidenden
Richtungen angeordnet sind. Alternativ kann die Ausrichtungsmarke
ein Polygon oder ein Kreis mit einem Durchmesser von 100 μm bis 500 μm sein.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann eine Fläche jedes
aktiven Mesabereichs im Bereich von 0,01 mm2 bis
0,2 mm2 liegen.
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Weiterhin
kann das leitende Verbindungselement eine Dicke von 0,3 μm bis zu
3 μm aufweisen.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann das leitende Verbindungselement des Trägersubstrats
eine Metallschicht mit einer hohen Affinität zu Lot oder eutektischem
Verbinden aufweisen.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann eine die Halbleiter-Leuchtvorrichtung weiterhin eine überhalb des
transparenten Substrats vorgesehene Schutzschicht dergestalt aufweisen,
dass der Felderelektrodenteil für
den ersten Leitungstyp und der ohmsche Elektrodenteil für den zweiten
Leitungstyp freiliegen, und der ohmsche Elektrodenteil für den ersten
Leitungstyp an dem Kerbbereich damit abgedeckt ist. Hierbei kann
die Schutzschicht verhindern, dass die geschmolzenen Verbindungselemente
nass werden.
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Gemäß des ersten
Aspekts kann das Trägersubstrat
eine Schutzschicht umfassen, die dazu vorgesehen ist, das leitende
Verbindungselement für den
ersten Leitungstyp und das leitende Verbindungselement für den zweiten
Leitungstyp zu umgeben. Hierbei kann die Schutzschicht verhindern,
dass die geschmolzenen leitenden Verbindungselemente nass werden.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung bereitgestellt, welche
umfasst:
- (a) Präparieren eines Substrats eines
Halbleiter-Leuchtelements, das eine Nitridhalbleiterschicht eines
ersten Leitungstyps, eine Nitridhalbleiter-Leuchtschicht und eine Nitridhalbleiterschicht
eines zweiten Leitungstyps umfasst, die oberhalb eines transparenten
Substrats gebildet werden, wobei der zweite Leitungstyp dem ersten Leitungstyp
entgegengesetzt ist;
- (b) Bilden eines Kerbbereichs durch gezieltes Ätzen, um
die Nitridhalbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp und die Nitridhalbleiter-Leuchtschicht in
einer Dickenrichtung ganz durchzuschneiden und um die Nitridhalbleiterschicht
vom ersten Leitungstyp teilweise zu entfernen, wobei der Kerbbereich
eine Vielzahl von aktiven Mesabereichen und einen Mesaelektroden-Ziehbereich
definiert;
- (c) Bilden einer Elektrode für
den ersten Leitungstyp, die sich von einem Bereich an der Nitridhalbleiterschicht
vom ersten Leitungstyp, der in der Kerbregion, welche die Vielzahl
von aktiven Mesabereichen umgibt, freigelegt ist, zu einem Bereich
an dem Mesaelektroden-Ziehbereich erstreckt;
- (d) Bilden einer Elektrode für
den zweiten Leitungstyp an dem Bereich vom zweiten Leitungstyp der
aktiven Mesabereiche.
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Das
Verfahren kann weiterhin umfassen:
- (e) Bilden
einer ersten Verdrahtung für
den ersten Leitungstyp und einer zweiten Verdrahtung für den zweiten
Leitungstyp auf einem Trägersubstrat,
Bilden eines leitenden Verbindungselements für den ersten Leitungstyp, das
der Elektrode für den
ersten Leitungstyp an dem Mesaelektroden-Ziehbereich gegenüberliegt
und mit ihr verbunden ist, sowie eines leitenden Verbindungselements
für den
zweiten Leitungstyp, das der Elektrode für den zweiten Leitungstyp gegenüberliegt
und mit ihr verbunden ist; und
Ausrichten des Trägersubstrats
an dem transparenten Substrat, um die Elektrode für den ersten
Leitungstyp und die Elektrode für
den zweiten Leitungstyp mit dem Verbindungselement für den ersten Leitungstyp
bzw. mit dem Verbindungselement für den zweiten Leitungstyp zu
verbinden.
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Gemäß des zweiten
Aspekts kann in Schritt (c) die Elektrode für den ersten Leitungstyp ausgebildet
werden, um einen ohmschen Kontakt mit dem Bereich vom ersten Leitungstyp
zu bilden; und
in Schritt (d) wird die Elektrode für den zweiten
Leitungstyp ausgebildet, um einen ohmschen Kontakt mit dem Bereich
vom zweiten Leitungstyp zu bilden.
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In
Schritt (f) kann ein Eutektikum gebildet wird.
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In
Schritt (b) kann das Ätzen
durchgeführt werden,
um den Kerbbereich zu bilden, damit die aktiven Mesabereiche definiert
werden, die in einer Matrix angeordnet sind.
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In
Schritt (b) kann das Ätzen
durchgeführt werden,
um den Kerbbereich zu bilden, damit die aktiven Mesabereiche definiert
werden, die in einer Matrix innerhalb eines rechtwinkligen Leuchtbereichs angeordnet
sind, und damit der Mesaelektroden-Ziehbereich definiert wird, der
ausserhalb jeder Ecke des rechtwinkligen Leuchtbereichs angeordnet ist.
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In
Schritt (b) kann das Ätzen
durchgeführt werden,
um den Kerbbereich zu bilden, damit die aktiven Mesabereiche und
der Mesaelektroden-Ziehbereich definiert werden, die in einer Matrix
innerhalb eines rechtwinkligen Bereichs angeordnet sind. In diesem
Fall kann der Mesaelektroden-Ziehbereich in jeder Ecke des rechtwinkligen
Bereichs angeordnet sein. Weiterhin kann in Schritt (c) eine Ausrichtungsmarke
als ein Bereich gebildet werden, in welchem keine Elektrode wahlweise
an dem Mesaelektroden-Ziehbereich ausgebildet wird.
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Gemäß des zweiten
Aspekts kann das Verfahren weiterhin umfassen: (g) Bilden einer
Schutzschicht, die überhalb
des transparenten Substrats vorgesehen ist, dergestalt, dass die
Elektrode für
den ersten Leitungstyp und die Elektrode für den zweiten Leitungstyp an
dem Mesaelektroden-Ziehbereich freiliegen und der ohmsche Elektrodenbereich
für den
ersten Leitungstyp an dem Kerbbereich damit abgedeckt ist, wobei
die Schutzschicht verhindert, dass die geschmolzenen Verbindungselemente
nass werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vielzahl von aktiven Mesabereichen, die von
einem Kerbbereich umfasst sind, in einem Leuchtbereich gebildet,
wobei eine der Elektroden in dem Kerbbereich gebildet wird, der
die entsprechenden aktiven Mesabereiche umgibt, und wobei die andere
Elektrode an jedem aktiven Mesabereich gebildet wird. Daher ist
es möglich,
einen Strom effizient an alle Stellen in dem Leuchtbereich bei geringem
Widerstand anzulegen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
klar, wobei:
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1A bis 1C Querschnittsansichten bzw.
eine Draufsicht zum Erklären
der Herstellung einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind;
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2A bis 2C Querschnittsansichten bzw.
eine Draufsicht zum Erklären
der Herstellung der Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
sind;
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3 eine
Querschnittsansicht zum Erklären
der Herstellung der Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform
ist;
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4A und 4B eine
Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht zum Erklären der
Herstellung der Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
sind;
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5A bis 5C Querschnittsansichten bzw.
eine Draufsicht zum Erklären
der Herstellung der Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
sind;
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6A und 6B Draufsichten
zum Erklären
eines veränderten
Beispiels der ersten Ausführungsform
sind;
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7A und 7B Draufsichten
zum Erklären
der Anordnung einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
sind;
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8A bis 8D Querschnittsansichten und
Draufsichten zum Erklären
der Anordnung einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
sind;
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9A bis 9D erklärende Ansichten
für einen
Bonding- bzw. Verbindungsablauf sind;
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10A und 10B erklärende Ansichten zum
Aufzeigen der Beziehung zwischen einer angelegten Last und einer
anhaftenden Fläche
sind;
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11A bis 11D erklärende Ansichten
sind, welche jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht
umfassen, um das Verhältnis
zwischen einer ausgelegten Haftfläche und einer tatsächlichen Haftfläche;
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12A bis 12C beschreibende
Ansichten sind, welche jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht
umfassen, um das Verhältnis
zwischen einem Leuchtabschnitt und einem Nennstrom aufzuzeigen;
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13A bis 13C erklärende Querschnittsansichten
zum Erklären
eines Kontaktwinkels und einer Oberflächenspannung sind; und
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14A bis 14C erklärende Querschnittsansichten
zum Erklären
des Vorsehens einer nicht-benässbaren
Schutzschicht sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die 1A bis 1C, 2A bis 2C, 3, 4A, 4B und 5A bis 5C sind Querschnittsansichten
und Draufsichten zum Erklären
eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiter-Leuchtvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im besonderen sind die 1A bis 1C, 2A bis 2C und 3 Querschnittsansichten
und Draufsichten eines Substrats eines Halbleiter-Leuchtelements. Die 4A und 4B sind
Querschnittsansichten und eine Draufsicht auf ein Trägersubstrat.
Die 5A bis 5C sind
Querschnittsansichten und eine Draufsicht auf die Halbleiter-Leuchtvorrichtung,
in welcher das Substrat des Halbleiter-Leuchtelements auf das Trägersubstrat
gebondet wurde bzw. mit diesem verbunden wurde.
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Wie
in 1A gezeigt, wird eine GaN-Nitridhalbleiterschicht
auf einer Oberfläche
eines Saphirsubstrats 100 durch epitaxiales Wachstum gebildet. Das
epitaxiale Wachstum wird beispielsweise erreicht durch metallorganische
Gasphasenepitaxie (metal-organic vapor-phase epitaxy; MOVPE) oder durch
Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy; MBE).
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Falls
notwendig, wird eine Pufferschicht aus GaN-Nitridhalbleiter dazu
gebracht, auf dem Saphirsubstrat 100 bei einer Temperatur
aufzuwachsen, die niedriger ist als die Temperatur des epitaxialen Wachstums.
Dann wird eine GaN-Nitridhalbleiterschicht 101 vom
n-Typ durch epitaxiales Wachstum bei einer Temperatur gebildet,
bei welcher das epitaxiale Wachstum möglich ist. Eine GaN-Nitridhalbleiter-Leuchtschicht 102,
welche dazu dient, Licht auszusenden, und eine GaN-Nitridhalbleiterschicht 103 vom
p-Typ, welche mit Verunreinigungen vom p-Typ dotiert ist, werden
in dieser Reihenfolge durch epitaxiales Wachstum auf der Nitridhalbleiterschicht 101 vom
n-Typ aufgebracht. Die Gesamtdicke der Leuchtschicht 102 und
der Schicht 103 vom p-Typ beträgt beispielsweise 0,4 μm.
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Die
lichtaussendende bzw. leuchtende Schicht kann durch eine einzelne
Schicht gebildet werden oder kann eine Struktur mit mehrfachen Quantentöpfen bzw.
quantenmechanischen Potentialtöpfen
aufweisen, in welcher eine Sperr schicht und eine Topfschicht abwechselnd
ausgebildet sind. Eine Abstandsschicht und dergleichen können ebenfalls ausgebildet
sein. Verschiedene bekannte Strukturen können als eine Mehrlagenstruktur
einer Leuchtdiode verwendet werden.
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Wie
in 1B gezeigt, wird ein Photolackmuster PR1 auf einer
Oberfläche
der Schicht 103 vom p-Typ so gebildet, dass es aktive Mesabereiche 210 und
Mesaelektroden-Ziehbereiche 211 bedeckt und eine Öffnung aufweist,
welche diese Bereiche 210 und 211 umgibt.
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Die
aktiven Mesabereiche 210 sind rechtwinklige bzw. rechteckige
Bereiche, die in einer Matrix in einem rechtwinkligen Leuchtbereich
angeordnet sind, wie in 1C gezeigt.
Der Mesaelektroden-Ziehbereich 211 ist ein L-förmiger Bereich,
der an der Außenseite
jeder Ecke des rechtwinkligen Leuchtbereichs angeordnet ist. Eine Öffnung ist ebenfalls
außerhalb
des L-förmigen
Bereichs angeordnet. Obwohl die 1C nur
einen Teil eines Wafers zeigt, welcher einem Chip entspricht, sind
bei einem tatsächlichen
Herstellungsablauf eine Mehrzahl von Chips auf dem Wafer angeordnet.
Die ebene Form des Chips ist beispielsweise ein Rechteck mit einer
Kantenlänge
von 1 mm. Die ebene Form des aktiven Mesabereichs ist beispielsweise
ein Rechteck mit einer Kantenlänge
von 180 μm.
Ein Kerbbereich bzw. Aussparungsbereich 212 zwischen den L-förmigen Bereichen 211 hat
beispielsweise eine Länge
von 300 μm.
Es ist vorteilhaft, wenn die Fläche jedes
aktiven Mesabereichs auf 0,01 mm2 (0,1 mm zum
Quadrat) bis 0,2 mm2 (0,447 mm zum Quadrat) festgesetzt
wird.
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Alle
oben beschriebenen ebenen Formen haben eine Rotationssymmetrie von
90 Grad. Bei einem Verbindungs- bzw. Bondingvorgang, welcher später durchgeführt wird,
kann eine Positionsausrichtung des Substrats des Leuchtelements
durch Drehung um einen Winkel geschehen, welcher kleiner als 90
Grad ist.
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Reaktives
Ionenätzen
wird unter Verwendung des Photolackmusters PR1 als Ätzmaske durchgeführt, um
die Schicht 103 vom p-Typ und die Leuchtschicht 102 sowie
teilweise die Schicht 101 vom n-Typ in einer Dickenrichtung
bzw.
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Tiefenrichtung
zu entfernen. Dadurch wird ein Kerbbereich geformt, welcher einen
Graben 215 und einen äußeren Umfangskerbbereich 213 umfasst.
Die Tiefe des Kerbbereichs 213 und des Grabens 215 wird
beispielsweise auf 0,6 μm
von der Oberfläche
des Substrats des Leuchtelements aus gesehen festgesetzt, und wird
so festgesetzt, dass sie eine Form haben, welche durch die Schicht 103 vom
p-Typ und die Leuchtschicht 102 hindurchgeht, welche eine
Gesamtdicke von 0,4 μm
aufweisen, und teilweise in die Schicht 101 vom n-Typ eintritt.
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Eine
Vielzahl von Gräben 215 werden
in zwei sich kreuzenden Richtungen gebildet, wodurch m × n in einer
Matrix angeordnete aktive Mesabereiche 210 definiert werden,
wie es in 1C gezeigt ist. Der äußere Umfangskerbbereich 213 definiert
zusammen mit den äußersten
Gräben 215 die
Mesaelektroden-Ziehbereiche 211.
Der Kerbbereich dient dazu, jeden aktiven Mesabereichs von dem Mesaelektroden-Ziehbereich
zu isolieren, und wird daher in einigen Fällen als Isolierungsbereich
bezeichnet.
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Der
Kerbbereich 212 wird außerhalb der Mitte jeder Seite
des rechteckigen Leuchtbereichs ausgebildet. In dem Kerbbereich 212 wird
der Mesaelektroden-Ziehbereich
entfernt. Daher ist die ebene Form des Mesaelektroden-Ziehbereichs 211 L-förmig. Diese
L-Form kann als eine Marke für
eine Positionsausrichtung verwendet werden. Der Kerbbereich 212 bildet.
zusammen mit dem Graben 215 und den Kerbbereichen 213 auf
dessen beiden Seiten die gleiche Ebene. Der Kerbbereich 212 liegt
gegenüber eines
Verdrahtungsbereichs eines Trägersubstrats, welches
später
beschrieben wird, und wirkt dahingehend, Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Nach
dem oben beschriebenen Ätzen
wird das Photolackmuster PR1 entfernt. Auf diese Weise werden der
Kerbbereich, welcher die äußeren Umfangskerbbereiche 213 umfasst,
die Kerbbereiche 212 zwischen den Mesaelektroden-Ziehbereichen 211 und
die Gräben 215,
welche die aktiven Mesabereiche definieren, in einer gleichen Dicke
ausgebildet. Die Mesaelektroden-Ziehbereiche 211 haben
die gleiche Höhe
(Niveau) wie die aktiven Mesabereiche 210. Wenn eine n-seitige
Elektrode, welche an dem Bereich 101 vom n-Typ gebildet
wird, welcher zum Graben 215 hin freiliegt, dazu gebracht
wird, sich durchgehend zu einer Oberfläche an dem Mesaelektroden-Ziehbereich 211 auszudehnen,
wird die n-seitige Elektrode auf die gleiche Höhe (Niveau) angehoben wie eine
Elektrode, welche an dem aktiven Mesabereich 210 ausgebildet
ist.
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Wie
in 2A gezeigt, wird ein Photolackmuster PR2 auf einer
Oberfläche
des Substrats gebildet, um Öffnungen
an der Schicht 103 vom p-Typ zu haben, außer für Bereiche
um die aktiven Mesabereiche herum. Dann werden: eine Pt- (Platin-) Schicht mit
einer Dicke von 1 nm, eine Rh- (Rhodium-) Schicht mit einer Dicke
von 100 nm, eine Ti-Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine Pt-Schicht mit einer Dicke
von 100 nm, eine Au-Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine Pt-Schicht
mit einer Dicke von 100 nm und eine Au-Schicht mit einer Dicke von
200 nm (im folgenden als Pt/Rh/Ti/Pt/Au/Pt/Au bezeichnet) in dieser
Reihenfolge durch Elektronenstrahlverdampfung bzw. -zerstäubung ausgebildet.
Auf diese Weise wird eine p-seitige Elektrode 105 auf der
Schicht 103 vom p-Typ in dem aktiven Mesabereich gebildet.
Diese Schichten werden auch an dem Photolackmuster PR2 gebildet.
Dann wird das Photolackmuster PR2 zusammen mit den darauf abgeschiedenen
Metallschichten entfernt ("liftoff"), so dass die p-seitige Elektrode 105 übrig bleibt.
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Dann
wird ein Photolackmuster PR3 auf dem Substrat gebildet, um eine Öffnung zu
haben, welche sich durchgängig
von einem Elektroden-bildenden Bereich an der Region 101 vom
n-Typ, welche zum Graben 215 hin frei liegt, zu einem Elektroden-bildenden
Bereich an dem Mesaelektroden-Ziehbereich ausdehnt, wie es in 2B gezeigt
ist. Dann werden: eine Al-Schicht mit einer Dicke von 3 nm, eine Rh-Schicht
mit einer Dicke von 100 nm, eine Ti-Schicht mit einer Dicke von
100 nm, eine Pt-Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine Au-Schicht mit einer
Dicke von 100 nm, eine Pt-Schicht mit einer Dicke von 100 nm und
eine Au-Schicht mit einer Dicke von 200 nm (im folgenden als Al/Rh/Ti/Pt/Au/Pt/Au
bezeichnet) in dieser Reihenfolge durch Elektronenstrahlzerstäubung abgeschieden.
Dadurch werden eine n-seitige ohmsche Elektrode 104, die
in dem Graben 215 angeordnet ist, und eine n-seitige Felderelektrode 107,
welche sich von dem äußersten
Graben zu dem Elektroden-bildenden Bereich an dem Mesaelektroden-Ziehbereich 211 erstreckt,
gebildet.
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Dann
wird das Photolackmuster PR3 entfernt, und die auf dem Photolackmuster
PR3 abgeschiedenen Metallschichten werden abgehoben. Auf diese Weise
werden die p-seitigen Elektroden und die n-seitigen Elektroden oberhalb
der Oberfläche des
Substrats gebildet, oberhalb welcher die aktiven Mesabereiche und
die Mesaelektroden-Ziehbereiche gebildet worden sind. Die Pt/Rh-Schichten der p-seitigen
Elektrode werden hauptsächlich
zum Bilden eines ohmschen Kontakts mit dem Halbleiterbereich vom
p-Typ abgeschieden. Die Pt/Rh-Schichten, welche sich in Kontakt
mit oder nahe an der Oberfläche des
Halbleiters befinden, werden beispielsweise durch eine einzelne
Rh-Schicht, Pt/Ag-Schichten oder Rh/Ag-Schichten ersetzt. Es ist
vorteilhaft, wenn diese Schichten einen ohmschen Kontakt mit der Schicht
vom p-Typ bilden und eine hohe Reflektivität bezüglich des von der Leuchtschicht 102 ausgestrahlten
Lichts aufweisen. Die Ti-Schicht der p-seitigen Elektrode dient
als eine Haftschicht. In diesem Falle, wenn die Metallschichten
der p-seitigen Elektrode nacheinander abgeschieden werden, kann
auf die Ti-Schicht verzichtet werden. Für die Pt/Au/Pt/Au-Schichten
in einem oberen Teil der p-seitigen Elektrode kann die Dicke jeder
Schicht in Übereinstimmung
mit einer Oberflächenbeschaffenheit
eines zu verwendenden Halbleiterleuchtelements ausgewählt werden,
die Haftfähigkeit
in Bezug auf das Trägersubstrat
und dergleichen. Im Fall des Veränderns
der Gesamtdicke der Elektrodenschichten wird die Dicke der Au-Zwischenschicht
zum Einstellen der Dicke der Elektrodenschichten verwendet. Im Fall des Änderns der
eutektischen Verbindungseigenschaften wird die Dicke der Au-Schicht
verändert, welche
an der Oberfläche
der p-seitigen Elektrode angeordnet ist.
-
Die
Al/Rh-Schichten der n-seitigen Elektrode werden hauptsächlich zum
Bilden eines ohmschen Kontakts mit der Schicht 101 vom
n-Typ gebildet und können
beispielsweise durch Al/Pt-Schichten Al/Ir-Schichten oder Al/Pd-Schichten
ersetzt werden. Die Ti-Schicht der n-seitigen Elektrode arbeitet
in gleicher Weise wie die Ti-Schicht der p-seitigen Elektrode. Die
Pt/Au/Pt/Au-Schichten in einem oberen Teil der n-seitigen Elektrode
können
in gleicher Weise an den oberen Teil der p-seitigen Elektrode angepasst
werden. In dem Fall, dass die n-seitige Elektrode nach Bildung der
p-seitigen Elektrode gebildet wird, kann das Niveau der n-seitigen
Elektrode so angepasst werden, dass sie etwas höher oder niedriger ist als
das Niveau der p-seitigen Elektrode oder so, dass sie auf gleichem
Niveau mit der p-seitigen Elektrode liegt. Beispielsweise für den Fall,
dass ein Wafer sich bezüglich
der durch epitaxiales Wachstum gebildeten Schichten biegt und konvex
wird, und daher ein Niveau eines Umfangsabschnitts des Wafers niedriger
ist als das eines mittigen Abschnitts, ist es möglich, die Höhe der n-seitigen
Elektrode so einzustellen, dass sie etwas höher ist als diejenige der p-seitigen
Elektrode, um Oberflächen
sowohl der n-seitigen Elektrode als auch der p-seitigen Elektrode
auf einer flachen Ebene anzuordnen. Für den Fall, dass sich der Wafer
in die andere Richtung verbiegt, kann die Höhe der n-seitigen Elektrode etwas niedriger gemacht
werden als diejenige der p-seitigen Elektrode.
-
2C zeigt
eine Gestalt der Oberfläche des
Substrats des Leuchtelements, oberhalb dessen die p-seitigen Elektroden 105 und
die n-seitigen Elektroden 104 und 107 ausgebildet
sind. Ein Querschnitt entlang der in 2 aufgeführten Linie
IIB-IIB ist in 2B gezeigt. Die p-seitige Elektrode 105 wird
in einem mittigen Bereich jedes aktiven Mesabereichs 210 ausgebildet.
Die n-seitige ohmsche Elektrode 104 wird in der Mitte des
Grabens 215 ausgebildet. Die n-seitige Felderelektrode 107 wird
so ausgebildet, dass sie sich durchgehend von dem äußersten Graben
zur Oberfläche
des Mesaelektroden-Ziehbereichs 211 erstreckt. Ein Strom
wird an die n-seitige Felderelektrode 107 angelegt, welche
auf der Oberfläche
des Mesaelektroden-Ziehbereichs angeordnet ist, und wird dann an
entsprechende Leuchtbereiche bzw. lichtaussendende Bereiche durch
die n-seitige Elektrode 104 angelegt, welche ausgebildet
ist, um die aktiven Mesabereiche zu umgeben. Die p-seitigen Elektroden 105 werden
direkt auf der Oberfläche der
aktiven Mesabereiche gebildet bzw. versorgen Leuchtbereiche mit
Strom.
-
Als
Nächstes
wird eine SiO2-Schicht 106 mit einer
Dicke von 100 bis 300 nm oberhalb des Substrats durch Sputtern abgeschieden,
wie in 3 gezeigt. Dann wird ein Photolackmuster mit Öffnungen oberhalb
der p-seitigen Elektroden 105 und der n-seitigen Felderelektroden 107 gebildet,
und die SiO2-Schicht 106 wird durch
Nassätzen
geätzt.
Dadurch werden die p-seitigen Elektroden 105 und die n-seitigen
Felderelektroden 107 freigelegt. Die SiO2-Schicht 106 ist
eine nicht-benässbare
Schutzschicht, welche verhindert, dass ein Verbindungsmaterial bei
einem Elektrodenverbindungsvorgang nass wird, welcher später durchgeführt wird.
Die nicht-benässbare
Schutzschicht hat einen Kontaktwinkel von 90 Grad oder mehr. Alternativ
können Schichten
aus Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2 oder dergleichen als nicht-benässbare Schutzschicht
anstatt der SiO2-Schicht verwendet werden.
-
Wenn
eine Ti-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1 bis ungefähr 3 nm
auf den Oberflächen
der p-seitigen Elektroden 105 sowie der n-seitigen Elektroden 104 und 107 durch
Verdampfung bzw. Zerstäubung
aufgebracht wird, kann eine Haftung mit der nicht-benässbaren
Schutzschicht verbessert werden. Die Ti-Schicht wird während des Nassätzens von
SiO2 auch geätzt. Daher wird die Au-Schicht an den oberen
Oberflächen
der freigelegten Elektroden und Felderelektroden freigelegt. Nachdem
die Bildung der Elektroden beendet ist, wird der Wafer einschließlich der
auf dem Saphirsubstrat gebildeten Leuchtelemente geschliffen und
poliert, bis die Dicke des Wafers ungefähr 100 μm wird. Dann werden Ritzen und
Brechen durchgeführt,
um die einzelnen Substrate der Leuchtelemente voneinander zu trennen.
Auf diese Weise wird das Substrat des Leuchtelements gebildet.
-
Als
Nächstes
wird der Trägersubstratabschnitt
bzw. -bereich der Leuchtvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben. Beispielsweise wird als Trägersubstrat 200 ein
einkristallines Si-Substrat verwendet, wie in 4A gezeigt. Das
einkristalline Si-Substrat wird gereinigt, um dessen Oberfläche zu reinigen.
Dann wird eine SiO2-Schicht 201 mit
einer Dicke von 300 nm auf der Oberfläche des einkristallinen Si-Substrats
durch Sputtern aufgebracht. Für
den Fall, dass ein Si-Substrat auf einer thermisch oxidierten Schicht
als dem Trägersubstrat 200 gebildet
wird, ist es nicht notwendig, die SiO2-Schicht 201 auszubilden.
Für den
Fall, dass ein isolierendes Substrat, wie beispielsweise ein AlN-Substrat
als Trägersubstrat 200 verwendet wird,
ist es nicht notwendig, eine isolierende Schutzschicht auf der Oberfläche des
Trägersubstrats 200 aufzubringen.
-
Ein
Photolackmuster wird auf der Oberfläche des Substrats 200 in
einem Bereich gebildet, wo keine Verdrahtung gebildet ist, und danach
werden eine Ti-Schicht
mit einer Dicke von 10 nm und eine Au-Schicht mit einer Dicke von
1000 nm (1 μm)
durch Elektronenstrahlzerstäubung
abgeschieden. Dann wird das Lackmuster entfernt, und die auf dem
Lackmuster abgeschiedenen Metallschichten werden abgehoben. Auf
diese Weise wird eine n-seitige Verdrahtungsschicht 202 und
eine p-seitige Verdrahtungsschicht 204 gebildet. Die Verdrahtungsschichten 202 und 204 können aus
Ni/Au-Schichten, Al/Au-Schichten und dergleichen gebildet werden
anstatt durch die Ti/Au-Schichten.
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Die
p-seitige Verdrahtungsschicht 204 wird durchgängig in
einem Bereich gebildet, welcher dem Leuchtbereich an dem zentralen
Teil des Chips entspricht, in welchem die aktiven Mesabereiche angeordnet
sind, wie in 4B gezeigt. Die n-seitige Verdrahtungsschicht 202 wird
so gebildet, dass sie eine Gestalt hat, welche die Mesaelektroden-Ziehbereiche
im Umfangsabschnitt des Chips miteinander verbindet.
-
Nun
zurückkommend
auf 4A, wird ein Lackmuster ausgebildet, um Öffnungen
in Bereichen zu haben, welche den Kontaktabschnitten der Substrate
der Leuchtelemente entsprechen, und danach werden eine Ni-Schicht
mit einer Dicke von 10 nm, eine Au-Schicht mit einer Dicke von 100
nm, eine Pt-Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine sich aus der
n-maligen Bildung einer Au-Schicht
mit einer Dicke von 50 bis 200 nm und einer Sn-Schicht mit einer Dicke
von 50 bis 200 nm ergebende Struktur, sowie eine Au-Schicht mit
einer Dicke von 50 bis 200 nm (im folgenden als Ni/Au/Pt/(Au/Sn)n/Au bezeichnet) gebildet. Dann wird die
Lackmaske zusammen mit den darauf ausgebildeten Metall schichten
entfernt. Auf diese Weise werden n-seitige Verbindungselemente 203 und
p-seitige Verbindungselemente 205 gebildet.
-
Das
p-seitige Verbindungselement 205 hat eine Gestalt, welche
der p-seitigen Elektrode 105 an dem aktiven Mesabereich
des Substrats des Leuchtelements entspricht. Das n-seitige Verbindungselement 203 hat
eine Gestalt, die der Felderelektrode 107 an dem Mesaelektroden-Ziehbereich 211 des Substrats
des Leuchtelements entspricht.
-
Die
Dicke jeder der Au-Schichten und Sn-Schichten in der (Au/Sn)n-Struktur in den Verbindungselementen 203 und 205 kann
unter Berücksichtigung
einer eutektischen Temperatur und eines eutektischen Verfahrens
bestimmt werden. Beispielsweise wird die Dicke der Au-Schicht auf
75,6 nm festgelegt, die Dicke der Sn-Schicht wird auf 109,3 nm festgelegt
und die Bildung der Au-Schicht und der Sn-Schicht wird fünf Mal wiederholt.
-
Die
Stabilität
in dem Fall, dass ein Eutektikum erzeugt wurde, nachdem die oben
genannte Mehrschichtstruktur abgeschieden wurde, ist besser als
in dem Fall, bei dem eutektische Metalle von Anfang an durch Aufdampfung
abgeschieden werden. Wenn Zusammensetzungsverhältnisse von Au und Sn, nachdem
sie geschmolzen sind, Au : Sn = 80 : 20 (Gew.-%) betragen (im folgenden
wird dieses Material als Au/20Sn) bezeichnet, beträgt ein Mengenverhältnis 0,544
: 0,456.
-
Bei
der oben genannten Struktur beträgt
die Zahl der Au-Schichten und die Zahl der Sn-Schichten oberhalb
des Trägersubstrats
n + 1 bzw. n. Da eine Au-Schicht
auf dem obersten Niveau der Elektroden des Substrats des Leuchtelements
vorhanden ist, beträgt
die Gesamtzahl der Au-Schichten n + 2.
-
Während das
Substrat für
das Leuchtelement umgekehrt auf dem Trägersubstrat plaziert wird,
wie es in den 5A und 5B gezeigt
ist, wird ein Flip-Chip-Bonden
bzw. -Verbinden durchgeführt.
In diesem Zustand liegt das p-seitige Verbindungselement 205 des
Trägersubstrats
der p-seitigen Elektrode 105 des Substrats des Leuchtelements
gegenüber,
und die n-seitige Elektrode 107 an dem Mesaelektroden-Ziehbereich
des Substrats des Leuchtelements liegt dem n-seitigen Verbindungselement 207 des
Trägersubstrats
gegenüber.
-
Dann
werden das Substrat des Leuchtelements und das Trägersubstrat
mittels einer eutektischen Bondvorrichtung miteinander verbunden.
Zuerst werden die Bereiche der Leuchtelemente an dem Elektrodenmuster
an dem Trägersubstrat
ausgerichtet. Dann wird ein für
das Eutektikum geeigneter Druck auf diese Substrate ausgeübt. Als
letztes werden Heizen, Temperaturhalten und Abkühlen gemäß eines geeigneten eutektischen
Profils durchgeführt,
wodurch das Substrat des Leuchtelements und das Trägersubstrat
miteinander verbunden werden. Für
den Fall, dass die eutektische Zusammensetzung Au/20Sn (Gew.-%) ist, wird das
eutektische Bonden bei 280°C
bis 330°C
durchgeführt.
-
5C ist
eine Draufsicht, welche einen Zustand zeigt, bei dem das Substrat
des Leuchtelements auf dem Trägersubstrat
plaziert wird, wie von oben gesehen. Ein entlang der Linie VA-VA
durchgeführter
Querschnitt ist in 5A gezeigt, und ein Querschnitt
entlang der Linie VB-VB ist in 5B gezeigt.
Ein Verbindungsbereich ist auf der rechten Seite des Substrats des
Leuchtelements sichergestellt. In dem Verbindungsbereich wird ein
n-seitiger Draht 251 mit der n-seitigen Verdrahtung 202 verbunden, und
ein p-seitiger Draht 252 wird mit der p-seitigen Verdrahtung 204 verbunden.
-
Das
so erhaltene Leuchtelement wird beispielsweise mit einem Rahmen,
einer Verdrahtungsvorrichtung, einem Kühlkörper oder einem Stempel verbunden.
Das Verbinden kann beispielsweise unter Verwendung von Ag-Paste,
Lot oder einem Eutektikum durchgeführt werden. Die Rauheit der
polierten Oberfläche
des Trägersubstrats
kann gemäß ihrer Anwendung
angepasst werden. Beispielsweise ist im Fall der Verwendung von
Ag-Paste die Haftung besser, wenn der Schleifgrund und die polierte
Oberfläche
des Trägersubstrats
etwas rauh sind. Für
den Fall, dass ein Lot oder ein Eutektikum verwendet werden, wird
es bevorzugt, wenn der Schleifgrund und die polierte Oberfläche des
Trägersub strats
spiegelnde Oberflächen
sind, weil Cu-, Ag-, Au- und Sn-Schichten auf dieser Oberfläche gebildet
werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
die p-seitige Elektrode 105 auf der obersten Oberfläche jedes
aktiven Mesabereichs 210 gebildet, und zwar weitgehend
in deren zentralen Teil, und sie formt einen Kontakt mit dem p-seitigen Verbindungselement 205.
Dadurch kann ein mit der p-seitigen Elektrode zusammenhängender
Widerstand verringert werden. Darüberhinaus wird die n-seitige
Elektrode auf der Oberfläche
der Gräben
gebildet, welche die Mesabereiche umgeben, um so die Mesabereiche
zu umgeben. Daher kann ein Strom von allen Umfangsbereichen der
n-seitigen Elektrode zugeführt
werden, wobei mit der n-seitigen Elektrode ein geringer Widerstand
verbunden ist. Zusätzlich
hat die n-seitige Elektrode 104 eine hohe Redundanz, weil sie
in einem Gitter angeordnet ist. Daher kann sogar dann, falls eine
Trennung der n-seitigen Elektrode 104 auftritt, ein Effekt
der Trennung unterdrückt
werden. Da weiterhin die n-seitige Felderelektrode 104 zur
obersten Oberfläche
des Mesaelektroden-Ziehbereichs 211 hochgezogen
wird, welcher die gleiche Höhe
wie die aktiven Mesabereiche 210 hat, können das n-seitige Verbindungselement 203 und
das p-seitige Verbindungselement 205 des Trägersubstrats
so ausgebildet werden, dass sie die gleiche Schichtstruktur haben.
Dies kann den Herstellungsprozess vereinfachen. Darüberhinaus
kann auch der Gesamtwiderstand der n-seitigen Verdrahtung verringert
werden.
-
Bezugnehmend
auf 5A wird ein von der Leuchtschicht 102 nach
oben ausgestrahltes Licht L1 durch die Schicht 101 vom
n-Typ und das transparente Substrat 100 durchgelassen,
und tritt nach oben hin aus. Licht L2, das von der Leuchtschicht 102 nach unten
ausgestrahlt wird, wird durch die Oberfläche der p-seitigen Elektrode 105 nach
oben reflektiert, wird dann durch die Schicht 101 vom n-Typ
und das transparente Substrat 100 durchgelassen und tritt nach
oben hin aus. Auf diese Weise kann das von der Leuchtschicht 102 ausgesandte
Licht effizient nach oben gerichtet werden.
-
Einen
beispielhaften Aufbau der Mehrlagenstruktur zum Bilden des Eutektikums
wird nun beschrieben.
-
<Struktur>
-
- Schichten des Verbindungselements (Au/Sn)n/Au
- Oberflächenschicht
der Felderelektrode: Au
- Zahl der Wiederholungen: n
-
<Gesamtzahl>
-
- Zahl der Au-Schichten: n + 2
- Zahl der Sn-Sichten: n
-
<Dicke>
-
- Gesamtdicke: Lt
- Mengenverhältnis
von Au : Dau (0,544 für
den Fall von Au/20Sn)
- Mengenverhältnis
von Sn: Dsn (0,456 für
den Fall von Au/20Sn)
-
Es
ist zu beachten, dass aus Messungen gefunden wurde, dass durch Sputtern
abgeschiedenes Zinn "graues
Zinn" war. Daher
wurde das Mengenverhältnis
unter der Annahme berechnet, dass die Dichte 5,76 (g/cm3)
betrug.
Dicke der Au-Schicht: Lau = Lt·Dau/(n + 2)
Dicke der
Sn-Schicht: Lsn = Lt·Dsn/n
Dicke
des eutektischen Elements: Lst = Lau·(n + 1) + Lsn·n
Dicke
der Au-Schicht an der Feldoberfläche:
Lpd = Lau
-
Wenn
die Gesamtdicke der eutektischen Metallschichten 1200 nm beträgt und die
Zahl der Wiederholungen n = 5 ist, beträgt die Zahl der Au-Schichten
7, die Dicke einer einzelnen Au-Schicht ist 93,3 nm, die Zahl der
Sn-Schichten ist 5 und die Dicke einer einzelnen Sn-Schicht ist
109,3 nm. Daher beträgt die
Gesamtdicke des Verbindungselements 1106,7 nm, und die minimale
Dicke der Au-Schicht an der Elektrodenoberfläche des Substrats des Leuchtelements, das
dem Verbindungselement gegenüberliegt,
wird auf 93,3 nm oder mehr eingestellt.
-
Zusätzlich wird
die minimale Dicke der Au-Schicht an der Elektrodenoberfläche des
Substrats des Leuchtelements auf 200 nm festgelegt, um die Haftung
zu verbessern. In diesem Fall sind die entsprechenden Dicken folgendermaßen.
Gesamtdicke:
Lt = 1200 nm
Dicke der Au-Schicht an der Feldoberfläche: Lpd
= 200 nm
Zahl der Wiederholungen: n = 5
Dicke der Au-Schicht
im eutektischen Element: Laust = (Lt·Dau – 200)/(n + 1) ≈ 75,6 nm.
Dicke
der Sn-Schicht im eutektischen Element: Lsnst = Lt·Dsn/n
109,3 nm
Dicke des eutektischen Elements: Lst = Laust·(n + 1) +
Lsnst·n
453,6 nm + 546,5 nm ≈ 1000
nm
-
Auf
diese Weise wird die Haftung durch Einstellen des Sn-Verhältnisses
in dem Verbindungselement auf einen Wert verbessert, der offensichtlich größer ist
als das eutektische Verhältnis,
weil die Au-Schicht an der Oberfläche der Elektrodenschicht des
Leuchtelements, das dem Verbindungselement gegenüber liegt, geschmolzen wird,
wenn das Verbindungselement geschmolzen wird.
-
Die
oben aufgeführte
Ausführungsform
hat die folgenden Merkmale:
- (1) Lichtaussendende
Oberflächen
bzw. Leuchtoberflächen
sind in einem Feld im zentralen Bereich des Chips mit hoher Dichte
angeordnet, und die n-seitigen
Elektrodenfelder sind in dem äußeren Umgebungsbereich
angeordnet. Dadurch kann eine hohe Strahldichte erreicht werden,
und eine punktgleiche Lichtaussendung kann durchgeführt werden,
wenn das Vorhandensein beachtet wird.
- (2) Die Funktion der n-seitigen ohmschen Elektrode wird von
der Funktion des n-seitigen Elektrodenfelds getrennt. Daher ist
es möglich,
die Leitungsbreite der n-seitigen ohmschen Elektrode in der Leuchtoberfläche so schmal
wie möglich
zu machen. Darüberhinaus
kann die Abstrahlungsverteilung in der Leuchtoberfläche gleichförmig gemacht
werden.
- (3) Sogar falls die Leuchtfläche
als Ganzes vergrößert wird,
kann ein Strom gleichförmig
an alle Leuchtelemente angelegt werden, welche untertrennt sind.
Darüberhinaus
können
Beschädigungen
der Verdrahtungen, wie beispielsweise Trennungen, durch Verwenden
einer gittergleichen Elektrodenstruktur unterdrückt werden.
- (4) Es ist möglich,
eine Vielzahl von n-seitigen Elektrodenfeldern an dem äußeren Umfangsbereich
des Leuchtelements anzuordnen. Daher kann ein unvollständiges Verbinden
mit dem Trägersubstrat
unterdrückt
werden.
- (5) Das Substrat des Leuchtelements und das Trägersubstrat
können
aufgrund der nicht-benässbaren
Schutzschicht aneinander an allen Leuchtoberflächen anhaften. Darüberhinaus kann
eine hohe Wärmeleiteigenschaft,
eine hohe Injektion und eine hohe Ausgabeleistung erreicht werden.
- (6) Die gittergleiche ohmsche Elektrodenverdrahtung vom n-Typ
und eine Vielzahl von n-seitigen Elektrodenfeldern, welche in dem äußeren Umfangs- bzw. Randbereich
vorgesehen sind, können
die Redundanz gegen Trennungen und einen Zuführfehler verbessern.
- (7) Die ohmschen Elektroden vom p-Typ (p-seitige Elektrodenfelder),
welche in den n × m
aktiven Mesabereichen angeordnet sind, können die Haftung mit den Verbindungselementen
des Trägersubstrats
stark verbessern.
- (8) Die nicht-benässbare
Schutzschicht wird ausgebildet, um andere Bereiche als die ohmschen Elektroden
vom p-Typ (p-seitige Elektrodenfelder) und die n-seitigen Elektrodenfeldern
abzudecken. Daher kann das Verbindungsele ment eine Selbstbedeckungsfunktion,
eine Flächenfreihaltefunktion
und eine Selbsthochziehfunktion haben.
-
Auf
diese Weise kann ein Halbleiterleuchtelement mit ultrahoher Leuchtdichte
und ultrahoher Ausgabeleistung erreicht werden. Zusätzlich können eine
hohe Zuverlässigkeit
und eine lange Lebensdauer erreicht werden. Darüberhinaus ist es auch möglich, ein
Herstellungsverfahren bereitzustellen, welches eine stabile Herstellung
des Leuchtelements ermöglicht.
-
In
der oben angeführte
Ausführungsform
ist beschrieben, dass der Mesaelektroden-Ziehbereich als eine Marke
zur Positionsausrichtung verwendet werden kann. Jedoch kann die
Ausrichtungsmarke willentlicher ausgebildet sein.
-
Die 6A und 6B zeigen
beispielhafte Modifikationen, bei welchen die Ausrichtungsmarke gebildet
wird. 6A ist eine Draufsicht auf das
Substrat des Leuchtelements, das 2C entspricht, und 6B ist
eine Draufsicht auf das 4B entsprechende
Trägersubstrat.
Ein Mesaelektroden-Ziehbereich 301 ist nicht L-förmig, sondern
hat eine Form, bei welcher eine Ecke entfernt ist. Ein Schnittmuster 302,
bei welchem keine n-seitige Elektrode gebildet wird, wird auf der
Oberfläche
des Kerbbereichs an jeder Ecke gebildet. Dieses Schnittmuster 302 dient
als ein Muster zur Positionsausrichtung. Das in 6B gezeigte
Trägersubstrat
umfasst ein Verbindungselement 303 mit einer Gestalt, welche dem
Mesaelektroden-Ziehbereich 301 entspricht. Alternativ kann
das Trägersubstrat
mit der in 4B gezeigten Struktur verwendet
werden.
-
Die
Ausrichtungsmarke kann auf dem Substrat des Leuchtelements mittels
Durchführung
eines Trockenätzens
unter Verwendung einer Photolackmaske gebildet werden, welche Öffnungen
in Bereichen an Ecken hat, wo die Ausrichtungsmarken entsprechend
ausgebildet werden sollen, und mittels folgender Durchführung einer
Abscheidung der n-seitigen Elektrode durch Zerstäubung und mittels eines Ablösevorgangs
unter Verwendung der Lackmaske, bei welchem jedem Bereich eine Kreuzform
für die Ausrichtungsmarke
hinzugefügt
wird.
-
Die
Ausrichtungsmarke 302 an jeder der vier Ecken kann eine
Gestalt haben, welche unterschiedliche Richtungen auf der X-Y-Ebene
sowie eine Kreuzung hat, wie beispielsweise eine Kreuzform oder eine
L-Form. Darüberhinaus
kann die Gestalt der Ausrichtungsmarke 302 ein Polygon
oder ein Zirkel sein mit einem Durchmesser von ungefähr 100 μm bis ungefähr 500 μm. Die Ausrichtungsmarke
ermöglicht
eine genaue Messung der Position des Substrats des Leuchtelements
mittels einer Kamera eines eutektischen Verbinders in einem eutektischen
Verfahren, das für
das Substrat des Leuchtelements und das Trägersubstrat durchgeführt wird,
und ermöglicht auch
das Verbinden dieser Substrate miteinander mit hoher Positionsgenauigkeit.
Insbesondere für
den Fall eines Substrats des Leuchtelements, in welchem eine transparente
Halbleiterschicht auf einem transparenten Substrat aufgebracht wird,
ist es möglich, die
Lage des Substrats des Leuchtelements von der Substratseite, welche
der Elektrodenschichtseite gegenüberliegt,
aus zu messen und zu bestimmen.
-
In
einer ersten Ausführungsform
sind die aktiven Mesabereiche in einer Matrix in dem rechtwinkligen
Leuchtbereich angeordnet, und die Mesaelektroden-Ziehbereiche sind außerhalb der Ecken des Leuchtbereichs
angeordnet. Die Anordnung der Mesabereiche ist nicht darauf beschränkt.
-
Die 7A und 7B zeigen
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein eben gestalteter aktiver Mesabereich 401 und
derjenige eines Mesaelektroden-Ziehbereichs 402 weisen die
gleiche rechtwinklige Form auf und sind in einer Matrix in einem
rechteckigen Bereich angeordnet, wie in 7A gezeigt.
Reaktives Ionenätzen
wird, wie in der ersten Ausführungsform,
für einen
Bereich durchgeführt,
der nicht diesen Mesabereichen entspricht, wodurch ein Kerbbereich
gebildet wird, in welchem eine Nitridhalbleiterschicht vom n-Typ
freigelegt wird. Eine n-seitige Elektrode 403 wird gebildet,
um von der Nitridhalbleiterschicht vom n-Typ in den Kerbbereich
zu einer Oberfläche
des Mesaelektroden-Ziehbereichs 402 an den vier Ecken zu
reichen. P-seitige Elektroden 405 werden an einer Nitridhalbleiterschicht
vom p-Typ in den aktiven Mesabereichen 401 gebildet. Eine
Ausrichtungsmarke in Kreuzform wird auf der n- seitigen Elektrode 403 an dem
Mesaelektroden-Ziehbereich 402 an jeder Ecke gebildet.
-
7B zeigt
eine ebene Gestalt eines bzw. ein ebenes Trägersubstrat. Eine n-seitige Verdrahtungsschicht 406 mit
einer Gestalt, welche die Mesaelektroden-Ziehbereiche an den vier Ecken verbindet,
und eine p-seitige Verdrahtungsschicht 407 mit einer Gestalt,
welche die aktiven Mesabereiche verbindet, werden oberhalb eines
Siliziumsubstrats gebildet, auf welchem eine isolierende Oberfläche gebildet
wird. Verbindungselemente 408 werden ausgebildet, um mit
den Felderelektroden an den Mesaelektroden-Ziehbereichen 402 verbunden
zu werden. Verbindungselemente 409 werden gebildet, um
mit den p-seitigen Elektroden an den aktiven Mesabereichen 401 verbunden
zu werden. Eine Schutzschicht wird gebildet, um Flächenabschnitte
der p-seitigen Elektroden 405 und der n-seitigen Elektroden
freizulegen.
-
Außer für das oben
Gesagte entspricht die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform.
Das Herstellungsverfahren kann in gleicher Weise wie bei der ersten
Ausführungsform
durchgeführt
werden. In der zweiten Ausführungsform
werden die Mesas an vier Ecken des rechtwinkligen Bereichs als die
Elektrodenziehbereiche verwendet, und die n-seitigen Elektrodenflächen werden
an den Mesas ausgebildet. Jedoch sind die Lagen der n-seitigen Elektrodenflächen nicht
auf die vier Ecken beschränkt.
Darüberhinaus
kann das Trägersubstrat eine
Größe aufweisen,
welche einem Substrat eines Leuchtelements entspricht, oder es kann
eine Größe aufweisen,
welche es einer Vielzahl von Substraten von Leuchtelementen erlaubt,
mit diesem Trägersubstrat
verbunden zu werden. Das Trägersubstrat selbst
kann als ein Stempel, ein hornartiger Stempel, eine Verdrahtungsvorrichtung
oder dergleichen dienen.
-
Die
Anordnung der Mesabereiche ist nicht auf eine Matrixanordnung beschränkt. Für den Fall, dass
die Zahl der aktiven Mesabereiche klein ist, kann die flächige Form
jedes aktiven Mesabereichs geändert
werden. Darüberhinaus
ist das Substrat, oberhalb dessen die nicht-benässbare Schutzschicht aufgebracht
wird, nicht auf das Substrat des Leuchtelements beschränkt.
-
Die 8A bis 8E zeigen
eine dritte Ausführungsform.
In der dritten Ausführungsform werden
nicht-benässbare
Schutzschichten sowohl auf einem Substrat eines Leuchtelements als
auch auf einem Trägersubstrat
vorgesehen. Die Zahl der aktiven Mesabereiche beträgt 2. Eine
Form des aktiven Mesabereichs und eine Form eines Mesaelektroden-Ziehbereichs
sind so eingestellt, dass sie rechtwinklig sind.
-
Die 8A und 8B sind
Querschnittsansichten bzw. eine Draufsicht auf das Substrat des Leuchtelements.
Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen werden eine Schicht 501 vom n-Typ,
eine Leuchtschicht 502 und eine Schicht 503 vom
p-Typ von einem GaN-Nitridhalbleiter auf einem transparenten einkristallinen
Substrat 500 abgeschieden. Diese Schichten werden durch
reaktives Ionenätzen
in einem Bereich geätzt,
welcher nicht den Mesabereichen entspricht, um so die aktiven Mesabereiche 510 und
die Mesaelektroden-Ziehbereiche 511 übrigzulassen.
-
Eine
n-seitige ohmsche Elektrode 504 wird auf der Schicht 501 vom
n-Typ gebildet, welche in einem Kerbbereich freigelegt ist. Eine
n-seitige Felderelektrode 507 wird ebenfalls gebildet,
um sich durchgängig
von der n-seitigen ohmschen Elektrode 504 zu einer Oberfläche des
Mesaelektroden-Ziehbereichs 511 zu erstrecken. Eine p-seitige
ohmsche Elektrode 505 wird auf der Schicht 503 vom
p-Typ in jedem aktiven Mesabereich 510 gebildet. Dann werden
eine SiO2-Schicht zum Bedecken der n-seitigen ohmschen
Elektrode 504 und ein Abstand zwischen der p-seitigen ohmschen
Elektrode 505 und der n-seitigen Felderelektrode 507 gebildet,
und zwar durch Abheben unter Verwendung der Photolackmaske und einer
Elektronenstrahlzerstäubung.
-
Die 8C und 8D sind
eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht des Trägersubstrats.
Eine n-seitige Verdrahtungsschicht 552 und eine p-seitige
Verdrahtungsschicht 554 werden oberhalb eines Siliziumsubstrats 550 gebildet,
auf welchem eine Isolationsschicht 551 gebildet wird. Dann werden
ein n-seitiges Verbindungselement 553 und ein p-seitiges
Verbindungselement 555 in Über einstimmung mit Elektrodenformen
in den Mesabereichen gebildet. Eine SiO2-Schicht 570 wird
durch Abheben unter Verwendung von Photolackmaske und Elektronenstrahlzerstäubung gebildet,
um die n-seitige Verdrahtungsschicht 552, die p-seitige
Verdrahtungsschicht 554 und eine Oberfläche zwischen dem n-seitigen
Verbindungselement 553 und dem p-seitigen Verbindungselement 555 abzudecken.
Auf diese Art wird die nicht-benässbare
Schutzschicht auf dem Trägersubstrat
gebildet, und zwar zusätzlich
zu dem Substrat des Leuchtelements.
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Das
Substrat des Leuchtelements wird mit dem Trägersubstrat durch Flip-Chip-Bonden verbunden,
wie in 8E gezeigt. Die Elektroden 505 und 507 des
Substrats des Leuchtelements werden an den Verbindungselementen
von 555 bzw. 553 des Trägersubstrats ausgerichtet.
Dann wird auf diese Substrate ein Druck ausgeübt, und sie werden aufgeheizt,
wodurch sie ein Eutektikum bilden. Außer für das oben Gesagte, entspricht
die vorliegende Ausführungsform
den oben beschriebenen Ausführungsformen.
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Für den Fall,
dass die nicht-benässbare Schutzschicht
sowohl auf dem Substrat des Leuchtelements als auch auf dem Trägersubstrat
gebildet wird, kann eine Schmelzfläche des Verbindungselements
in dem Verbindungsablauf perfekt begrenzt werden. Daher ist es möglich, eine
gute Haftung sogar dann zu erlangen, falls ein Zwischenraum zwischen
den Elektroden nur einige μm
breit ist.
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In
den ersten und zweiten Ausführungsformen
werden die ohmschen Elektroden vom p-Typ in den n × m rechtwinkligen
aktiven Mesabereichen gebildet, welche durch eine gittergleiche
Einkerbung (Trennspur) definiert wird. Die Dicke der Verbindungselementschicht,
die als eine Wärmewiderstandsschicht
dient, wird sehr dünn
gemacht, d.h. um 0,3 bis 3 μm,
um die Wärmeleiteigenschaft
hervorzuheben. Funktionelle Vorteile dieser Struktur während eines
Verbindens der ohmschen Elektrode vom p-Typ, welche in n × m Teile
aufgeteilt ist (die also als die p-seitige Elektrodenfläche dienen),
mit dem p-seitigen Verbindungselement des Trägersubstrats werden nun beschrieben.
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Es
wird angenommen, dass eine Treiberspannung 3,3V beträgt und eine
externe Quantenausbeute 15 % beträgt, wenn ein Strom von 350
mA in ein Leuchtelement von einer Größe von 1 mm2 fließt. Falls
eine Energie, außer
einer zur Lichtabstrahlung verwendeten Energie, einfach zur Wärmeerzeugung
verwendet wird, beträgt
die Dichte der Wärmeströmungsrate
um 98 k (W/m2). Dies bedeutet, dass ein
Hochstromelement eine große
Wärmemenge
erzeugt. Es ist wichtig, die durch den Leuchtelement-Abschnitt erzeugte
Wärme ausreichend
abzuführen,
damit die Elementleistung effektiv ist.
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Bei
dem Halbleiter-Leuchtelement vom Flip-Chip-Typ wird die in dem Leuchtelementabschnitt
erzeugte Wärme
zu der ohmschen Elektrode vom p-Typ, dem p-seitigen Verbindungselement,
der p-seitigen Ziehelektrode, dem Trägersubstrat und einem Elementbefestigungsbereich
(einschließlich
eines Rahmens, eines Stempels, einer Verdrahtungsanordnung, einem
Kühlkörper und
dergleichen), in dieser Reihenfolge, übertragen dann abgeführt. In
dieser Beschreibung wird angenommen, dass die Haftung und die Wärmeleiteigenschaft
ausreichend sind, wenn das Trägersubstrat
an dem Elementbefestigungsabschnitt befestigt ist. Die Beschreibung
konzentriert sich auf einen Verbindungszustand des Leuchtelements
innerhalb des Substrats des Halbleiter-Leuchtelements bezüglich des
Trägersubstrats.
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Die 9A bis 9D, 10A und 10B zeigen
einen Verbindungsablauf. Nachdem die Positionen des Trägersubstrats
und des Substrats des Leuchtelements mittels einer eutektischen
Verbindungsvorrichtung aufeinander ausgerichtet wurden, wird ein
Druck auf diese Substrate ausgeübt.
Wenn diese Substrate erhitzt werden, beginnt das Schmelzen und Formen
eines Eutektikums an einem in 9 gezeigten
Kontaktpunkt. Die Haftung und das Bilden des Eutektikums schreiten
wie in den 9B, 9C und 9D in dieser Reihenfolge gezeigt fort.
Während
die Haftung Fortschritt macht, fließt das geschmolzene Verbindungselement
in einen Haftbereich. Daher wird ein nicht-haftender Bereich außerhalb
des Haftbereichs geformt, in welchem das Verbindungselement nicht
ausreicht. Daher haftet unter einer Last, welche kleiner als eine
geeignete Last ist, nur ein Teil der ohmschen Elektrode vom p-Typ
an dem Trägersubstrat,
wie in 10A gezeigt. Wenn jedoch die
geeignete Last angelegt wird, wird der nicht-haftende Bereich beseitigt,
wie in 10B gezeigt, und die ohmsche
Elektrode vom p-Typ
(p-seitige Elektrodenfläche)
haftet vollständig
an dem Trägersubstrat
durch das Verbindungselement, wie in 10B gezeigt.
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Bezugnehmend
auf die 11A und 11D werden
eine ausgelegte Haftfläche
und eine tatsächliche
Haftfläche
beschrieben. Die Oberfläche des
Wafers des Halbleiter-Leuchtelements (d.h., die Oberfläche der
Nitridhalbleiterschicht vom p-Typ) hat eine Unebenheit von ungefähr 10 bis
ungefähr
30 nm. In einigen Fällen
hat diese Unebenheit eine Tiefe von ungefähr 70 bis ungefähr 100 nm.
Diese Unebenheit zeigt sich in der Elektrodenoberfläche, nachdem
die ohmsche Elektrodenschicht vom p-Typ (p-seitige Elektrodenfläche) gebildet
worden ist. Diese Unebenheit hat eine Schwingungslänge von
mehreren μm
bis hin zu mehreren 100 μm,
wenn sie mit einer freien Oberfläche
verglichen wird.
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Bei
dem tatsächlichen
Verbindungsvorgang wird das eutektische Element an einer Seite konzentriert,
wo ein Schmelzen und Anhaften aufgrund der oben beschriebenen Unebenheit
beginnt, und der nicht-haftende Bereich kann sogar dann nicht beseitigt
werden, falls eine Last angelegt wird.
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Dieses
Phänomen
trat nicht auf, wenn die Fläche
der ohmschen Elektrode vom p-Typ (p-seitige Elektrodenfläche) kleiner
als ungefähr
0,1 mm2 (300 μm zum Quadrat) war, wie in 11C gezeigt, aber begann aufzutreten, wenn die
Fläche
der ohmschen Elektrode vom p-Typ ungefähr 0,2 mm2 betrug,
wie in 11B gezeigt. Wenn die Fläche der
ohmschen Elektrode vom p-Typ ungefähr 0,4 mm2 betrug,
wie in 11A gezeigt, wurde dieses Phänomen an
einer bedeutenden Zahl von Orten festgestellt.
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Jedoch
wird eine konvex gewordene ohmsche Elektrode vom p-Typ beschädigt, wenn
eine Last angelegt wird, welche größer als eine benötigte Last
ist. In diesem Fall können
die ohmschen Eigenschaften beschädigt
werden, oder die Leistung des sich ergebenden Leuchtelements kann
aufgrund der Verringerung der Reflektivität abnehmen. Daher kann das
Problem des nicht-haftenden Bereichs nicht durch Anpassung der Last
gelöst
werden.
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Die
Weite bzw. Breite des Grabens kann nicht von einer bestimmten Breite
aus verringert werden. Wenn daher die Größe der ohmschen Elektrode vom
p-Typ (p-seitige Elektrodenfläche)
in großem Maße verringert
wird, wird die Fläche
des rechtwinkligen aktiven Mesabereichs in Bezug auf die Elementgröße (d.h.,
die Leuchtfläche)
ebenfalls verringert. Dies ist aus Sicht der Ausgabeleistung des
Elements nachteilig. Daher ist eine Fläche von ungefähr 0,01
mm2 oder mehr praktikabel. Zusätzlich ist
die Form der ohmschen Elektrode vom p-Typ (p-seitige Elektrodenfläche) wünschenswerterweise
kreisförmig,
weil der Haftbereich sich kreisförmig
ausdehnt. Jedoch ist im Fall der kreisförmigen ohmschen Elektrode vom
p-Typ (p-seitige Elektrodenfläche)
ein Verlust der Leuchtfläche
groß.
Daher ist eine quadratische Form geeignet.
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Bei
den in den 11A und 11B gezeigten Elementen wird die ausgelegte Haftfläche nicht erreicht,
obwohl eine elektrische Verbindung erreicht wird. Da die Haftfläche klein
ist, kann eine Wärmeableitung
auf der Trägersubstratseite
nicht ausreichend erreicht werden. Daher tritt eine thermische Alterung früh auf. Da
jedoch diese fehlerhaften Elemente nicht durch eine Offensichtlichkeitsprüfung (Leuchtabstrahlungseigenschaften)
bemerkt werden können, ist
es notwendig, eine Messung des Wärmewiderstands
sowie einen Alterungstest für
alle Elemente durchzuführen,
um sie aufzuspüren.
Daher sind diese fehlerhaften Elemente aus Sicht einer Massenproduktion,
von Kosten und Zuverlässigkeit
nachteilig. Im Gegensatz dazu ist das in 11C gezeigte
Element bezüglich
Massenproduktivität,
sowie von Kosten und Zuverlässigkeit
hervorragend.
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In
einem in 11A gezeigten großflächigen Halbleiter-Leuchtelement
wird ein Verbinden unter Verwendung der Bumps auf der Flächenseite,
wie in 11D gezeigt, durchgeführt, um
die Verbindungsprobleme zu lösen.
In diesem Falle haben die Bumps eine Dicke von mindestens 30 bis
50 μm. Dadurch wird
ein Wärmewiderstand
in den Bumps größer, und die
Wärmeableitungseigenschaft
wird herabgesetzt.
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Wenn
die Größe der ohmschen
Elektrode vom p-Typ (p-seitiges Elektrodenfeld) 0,2 mm2 oder weniger
beträgt,
kann der nicht-haftende Bereich effektiv beseitigt werden, und die
Haftmerkmale werden binär,
d.h., man hat einen vollständig
haftenden Zustand und einen Zustand, bei dem das Haften noch nicht
durchgeführt
worden ist. Das bedeutet, dass ein Zwischenzustand, bei dem die
Haftung teilweise erreicht wurde, wie es in den 11A und 11B gezeigt ist, beseitigt wird. Daher kann ein Wert
eines Nennstroms des Leuchtelements dadurch bestimmt werden, dass
nur die Zahl der Abschnitte überprüft wird,
welche bei einer Offensichtlichkeitsprüfung Licht aussenden. Wenn
die Größe der ohmschen
Elektrode vom p-Typ (p-seitiges Elektrodenfeld) 0,1 mm2 oder
weniger beträgt,
wird die oben beschriebene Tendenz bemerkenswert.
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Ein
Leuchtelement, welches, wie in 12A gezeigt,
neun Abschnitte umfasst und einen Nennstrom von 360 mA aufweist,
wird als ein Beispiel angeführt.
Wenn, wie in 12A gezeigt, nur sieben Abschnitte
Licht bei der Prüfung
ausstrahlen, kann der Nennstrom des Elements auf 280 mA bestimmt werden.
Wenn acht Abschnitte Licht ausstrahlen, wie es in 12C gezeigt
ist, kann der Nennstrom auf 320 mA bestimmt werden.
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Wie
oben beschrieben, ist es möglich,
den Nennstrom einfach in Übereinstimmung
mit der Zahl der Licht aussendenden Abschnitte zu bestimmen, und
zwar durch Einstellen der Größe jeder
der n × m p-ohmschen
Elektroden (p-seitiges Elektrodenfeld) auf 0,2 mm2 oder
weniger. Daher können
die Leuchtelemente der 11A und 11B, welche als fehlerhafte Elemente identifiziert
worden sind, als gute Produkte für
eine unterschiedliche Rangstufe festgesetzt werden.
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Die
erste Ausführungsform
nutzt eine Struktur, in welcher die ohmschen Elektroden vom p-Typ entsprechend
in den n × m
aktiven Mesabereichen gebildet werden, welche durch einen gittergleichen Rillenabschnitt
und eine Struktur definiert werden, als auch eine Struktur, in welcher
die nicht-benässbare Schutzschicht
in einem Bereich gebildet wird, welcher weder den in dem äußeren Umgebungsbereich gebildeten
n-seitigen Elektrodenfeldern noch den ohmschen Elektroden vom p-Typ
(p-seitiges Elektrodenfeld) entspricht. Darüberhinaus verwendet die erste
Ausführungsform
eine Struktur, in welcher die Wärmeleiteigenschaft
betont wird, und die Dicke der Verbindungselementschicht des Trägersubstrats, welche
als eine Wärmewiderstandsschicht
dient, sehr dünn
ist, d.h., ungefähr
0,3 bis ungefähr
3 μm . Funktionelle
Vorteile dieser Strukturen während
eines Verbindens werden nun beschrieben.
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Die 13A und 13B zeigen
die Benässbarkeit
bei einer Temperatur (von ungefähr
300°C),
bei welcher das Verbindungselement (Au/20Sn) geschmolzen wird. Das
Verbindungselement hat einen kleinen Kontaktwinkel θ in Bezug
auf Au und hat eine gute Benässbarkeit,
wie in 13A gezeigt. Jedoch ist der
Kontaktwinkel θ des
Verbindungselements in Bezug auf Glas groß, und die Benässbarkeit
ist nicht gut, wie in 13B gezeigt.
Dieser Zustand wird normalerweise als ein Zustand bezeichnet, bei
dem das Verbindungselement sich aufkugelt. Die oben genannte Beziehung
wird durch den Kontaktwinkel und die Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung) beschrieben,
welche in 13C gezeigt ist. Die Beziehung
zwischen dem Kontaktwinkel und der Oberflächenspannung wird durch Ausdruck
(1) beschrieben.
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In
anderen Worten, wenn das Verbindungselement einfach in Bezug auf
die Kontaktoberfläche nass
bzw. benetzt werden kann, kann das schmelzende Verbindungselement
sich einfach auf der Kontaktoberfläche ausbreiten. Wenn das Verbindungselement
kaum benetzt wird, wird das geschmolzene Verbindungselement sich
nicht ausbreiten.
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Bezugnehmend
auf die 14A und 14B wird
das tatsächliche
Verbindungs- bzw.
Bonding-Verfahren beschrieben. Das Elektrodenfeld (Au) des Leuchtelementbereichs
wird gegen das Verbindungselement (Au/20Sn) gedrückt, welches auf der Ziehelektrodenschicht
(Au) des Trägersubstratbereichs
vorgesehen ist, wie in 14A gezeigt.
Das Elektrodenfeld ist etwas größer als
das Verbindungselement. Dann werden sie auf ungefähr 300°C aufgeheizt,
bei welcher Temperatur ein eutektisches Element geschmolzen wird,
so dass das Schmelzen des Verbindungselements beginnt. Das geschmolzene Verbin dungselement,
das aus Au/20Sn (Gew.-%) gebildet wird, breitet sich auf der Oberfläche der
Ziehelektrode aus (d.h., benetzt wird), welche aus Au gebildet wird.
Gleichzeitig wird durch Mischen von Au/20Sn und Au an einer Grenzfläche zwischen
ihnen eine Au-reiche Schicht mit hoher Viskosität gebildet und unterdrückt die
Ausbreitung des Verbindungselements. Das Verbindungselement, das
sich in Kontakt mit dem aus Au auf dem Substrat des Leuchtelements
gebildeten Elektrodenfelds befindet, breitet sich auf dem Elektrodenfeld
aus (wird benetzt), aber hält
an einer Grenzoberfläche
zwischen dem Verbindungselement und der Schutzschicht mit niedriger
Benässbarkeit
an (Selbstabdeckung).
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Wie
in 14B gezeigt, sind der Substratbereich
des Leuchtelements und das Verbindungselement miteinander verbunden.
Die Gestalt des verbundenen Verbindungselements wird durch Grenzflächenspannungen
an Grenzflächen
zwischen der Ziehelektrode und dem Verbindungselement, zwischen
dem Atmosphärengas
und dem Verbindungselement und zwischen dem Elektrodenfeld und dem Verbindungselement
bestimmt sowie durch eine Balance von Kohäsion und Viskosität des Verbindungselements
oder dergleichen.
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Wenn
eine relativ hohe Last angelegt wird, so dass eine Kraft, welche
bewirkt, dass das Verbindungselement sich, wie in 14C gezeigt,
an der Grenzfläche
zwischen dem Elektrodenfeld und dem Verbindungselement ausbreitet
konvergiert das Verbindungselement innerhalb des Elektrodenfelds
aufgrund der nicht-benässbaren
Schutzschicht (Flächeneinhalten),
obwohl der Kontaktwinkel des Verbindungselements groß wird.
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Darüberhinaus
kann das Verbindungselement innerhalb des Elektrodenfelds aufgrund
der Grenzflächenspannung
konvergieren, wenn es geschmolzen wird, und zwar sogar für den Fall,
dass das Trägersubstrat
und das Substrat des Leuchtelements etwas fehlausgerichtet sind
und das Verbindungselement aus dem Elektrodenfeld heraussteht, welches
an der Schutzschicht angeordnet ist.
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Falls
sich im besonderen eine Weite bzw. Breite eines herausstehenden
Teils des Verbindungselements von der Kante des Elektrodenfelds
in einem Bereich von ungefähr
5 bis ungefähr
15 μm befand,
wurde das Verbindungselement durch die nicht-benässbare Schutzsicht abgewiesen
und wurde innerhalb des Elektrodenfelds konvergiert, wenn es geschmolzen
und verbunden wurde. Jedoch wird die Breite des herausstehenden
Teils des Verbindungselements von der Kante des Elektrodenfelds, welche
es ermöglicht,
dass das Verbindungselement innerhalb des Elektrodenfelds konvergiert,
wenn das Verbindungselement geschmolzen und verbunden wird, in Übereinstimmung
mit den Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten
des Elektrodenfelds, der nicht-benässbaren
Schutzschicht und des Verbindungselements verändert, weil diese Faktoren
die Grenzflächenspannung
beeinflussen. Um das Verbindungselement innerhalb des Elektrodenfeldes
zu konvergieren, ist es notwendig, die nicht-benässbare Schutzschicht dergestalt
vorzusehen, dass eine hervorstehende Breite des nicht-benässbaren
Bereichs von dem Ende des Elektrodenfelds aus ungefähr 2 oder
3 mal einer erwarteten Herausstehbreite des Verbindungselements
entspricht.
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Der
oben genannte Betrieb arbeitet besser, wenn das Elektrodenfeld eine
Fläche
von ungefähr 0,1
bis 0,2 mm2 oder weniger aufweist, und die
Dicke des Verbindungselements sich in einem Bereich von 0,3 bis
3 μm befand.
Wie oben beschrieben, kann das Verbindungselement mit der gesamten
Oberfläche
des Elektrodenfelds durch Anordnen der nicht-benässbaren Schutzschicht so verbunden
werden, dass diese das Elektrodenfeld umgibt. Dadurch kann eine
stabile elektrische Verbindung und eine Wärmeabfuhr zu dem Trägersubstrat,
das dem Aufbau folgt, erreicht werden.
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Während beschrieben
wurde, was zur Zeit als die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung angesehen werden, wird verstanden, dass verschiedene Änderungen
daran durchgeführt
werden können,
und es ist vorgesehen, dass die angehängten Patentansprüche alle
solche Modifikationen abdecken, welche in den Bereich der Erfindung
fallen.
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Die
vorliegende Erfindung kann beispielsweise auf eine Halbleiter-Leuchtdiode
angewandt werden, einschließlich
einer Leuchtdiodenvorrichtung zum Aussenden weißen Lichts.