DE102014107167B4

DE102014107167B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Strukturschicht mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen und strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer Strukturschicht mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen

Info

Publication number: DE102014107167B4
Application number: DE102014107167.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Mandl; Tilman Schimpke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: WO2015177131A1; US10608081B2; DE102014107167A1; US20170092719A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Strukturschicht (2) mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (20) mit den Schritten:
a) Bereitstellen der Strukturschicht (2) mit den dreidimensionalen Strukturelementen (20);
b) Ausbilden einer lateral strukturierten Abdeckschicht (3) auf der Strukturschicht (2) zum Festlegen zumindest eines zu entfernenden Bereichs (4) der Strukturschicht (2); und
c) Entfernen des zu entfernenden Bereichs der Strukturschicht (2) mittels einer auf die dreidimensionalen Strukturelemente (20) in dem zu entfernenden Bereich einwirkenden Kraft, so dass die dreidimensionalen Strukturelemente (20) in dem zu entfernenden Bereich abbrechen und die Strukturschicht (2) in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement in einen Bauelementbereich (21) und einen abgetragenen Bereich (22) unterteilt ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Strukturschicht mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen und ein Halbleiterbauelement mit dreidimensionalen Strukturelementen.
Aus den Druckschriften WO 2005 / 017 962 A2 und WO 2014 / 066 371 A1 sind Halbleiterbauelemente mit einer Strukturschicht bekannt. In der Druckschrift US 2013 / 0 099 345 A1 ist ein Verfahren zur Kontaktierung einer nanostrukturierten Oberfläche angegeben.
Dreidimensionale Nano- und Mikrostrukturen zeichnen sich beispielsweise aufgrund ihrer vergrößerten Oberfläche durch besondere Eigenschaften aus und bieten großes Potenzial für unterschiedliche Anwendungsgebiete wie beispielsweise die Optoelektronik, die Sensorik oder die Mikroelektronik. Derartige dreidimensionale Strukturen zeigen jedoch eine deutlich erhöhte Topologie, wodurch sich die Prozessierung bei der Herstellung von Bauelementen aus solchen dreidimensionalen Strukturen erschwert. Zur Minimierung von Topologieeinflüssen können Planarisierungsverfahren Anwendung finden. Hierbei wird typischerweise die Topologie deutlich überfüllt und anschließend wird das Füllmaterial zurückgeätzt. Dadurch können jedoch ungewünscht absorbierende Strukturen zurückbleiben. Zudem ist das Verfahren zumeist nur bei geringen Topologieunterschieden praktikabel. Alternativ kann eine Strukturierung durch Rücksputtern oder trocken- oder nasschemisches Ätzen erfolgen. Bei solchen Abtragungsverfahren wird jedoch die Morphologie der abzutragenden Struktur oftmals zumindest teilweise ungewollt in die darunter liegenden Schichten übertragen. Nasschemische Verfahren sind zudem hinsichtlich des abtragbaren Materials beschränkt und weiterhin oftmals auch hinsichtlich der maximalen Menge des abzutragenden Materials limitiert.
Alternativ kann das Erfordernis einer Strukturierung von dreidimensionalen Strukturen dadurch umgangen werden, dass die dreidimensionalen Strukturen in einem selektiven Wachstumsprozess hergestellt werden. Hierdurch verringert sich jedoch die Flexibilität in der Herstellung, da bereits zum Zeitpunkt des Wachstums die späteren Bauelementgrößen beziehungsweise Bauelementtypen vorgegeben werden. Zudem können Freibereiche während des Wachstumsprozesses ungewollten Einfluss auf diesen nehmen.
Eine Aufgabe ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Halbleiterbauelement mit einer Strukturschicht mit dreidimensionalen Strukturelementen einfach und zuverlässig hergestellt werden kann. Weiterhin soll ein einfach herstellbares und zuverlässiges Halbleiterbauelement angegeben werden.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Verfahren beziehungsweise ein Halbleiterbauelement gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst, die auch die Erfindung definieren. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur lateralen Strukturierung einer Strukturschicht mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen wird die Strukturschicht mit den dreidimensionalen Strukturelementen bereitgestellt. Eine lateral strukturierte Abdeckschicht wird auf der Strukturschicht zum Festlegen zumindest eines zu entfernenden Bereichs der Strukturschicht ausgebildet. Der zu entfernende Bereich der Strukturschicht wird mittels einer auf die Strukturelemente in dem zu entfernenden Bereich wirkenden Kraft entfernt.
Die Strukturelemente werden also dadurch entfernt, dass sie in dem zu entfernenden Bereich einer Kraft ausgesetzt werden, die zu einem Abbrechen der Strukturelemente führt. Insbesondere wird das Material der Strukturelemente nicht mittels eines nasschemischen oder trockenchemischen Verfahrens oder eines Rücksputterverfahrens sequenziell in vertikaler Richtung zersetzt oder abgetragen. Beispielsweise brechen die Strukturelemente jeweils als ein Volumenkörper oder als mehrere Volumenkörper ab. Beispielsweise beträgt ein Volumen eines einstückigen Teils eines entfernten Strukturelements mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 50 % des ursprünglichen Strukturelements.
Eine laterale Richtung bezeichnet vorliegend eine Richtung, die entlang einer Haupterstreckungsebene der Strukturschicht mit den dreidimensionalen Strukturelementen verläuft. Entsprechend bezeichnet eine vertikale Richtung eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung.
Als dreidimensionale Strukturelemente werden insbesondere Strukturelemente angesehen, deren Ausdehnung in vertikaler Richtung mindestens so groß ist wie die minimale Ausdehnung in lateraler Richtung. Beispielsweise können die Strukturelemente eine säulenartige Grundform aufweisen. Ein Querschnitt der säulenartigen Struktur kann grundsätzlich beliebige Formen aufnehmen. Beispielsweise ist ein Querschnitt mehreckig, etwa viereckig oder sechseckig oder zumindest bereichsweise gekrümmt, etwa rund oder elliptisch.
Der zu entfernende Bereich kann eine Vielzahl von Strukturelementen enthalten, beispielsweise zehn Strukturelemente oder mehr, hundert Strukturelemente oder mehr oder tausend Strukturelemente oder mehr.
Die Strukturelemente müssen in dem zu entfernenden Bereich nicht vollständig entfernt werden. Vielmehr können auch Reste der Strukturelemente im zu entfernenden Bereich verbleiben. Je geringer die vertikale Ausdehnung dieser Reste ist, desto einfacher sind nachgelagerte Prozessschritte, da keine Kanten überformt werden müssen. Dadurch kann sich beispielsweise die Haftung nachfolgend abgeschiedener Schichten verbessern. Wenn die Strukturschicht mit den dreidimensionalen Strukturelementen zur Herstellung von strahlungserzeugenden Halbleiterbauelementen verwendet wird, kann durch ein möglichst vollständiges Entfernen der Strukturschicht in dem zu entfernenden Bereich die Gefahr einer Strahlungsabsorption durch die Strukturelemente in diesem Bereich vermieden werden. Durch den Verzicht auf ein trockenchemisches oder nasschemisches Ätzverfahren zur lateralen Strukturierung wird weiterhin die Schädigung der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Strukturen vermindert und die für die Strahlungserzeugung nutzbare Fläche erhöht, da bei der Strukturierung keine Unterätzung erfolgt. Weiterhin kann das Verfahren sehr kostengünstig und mit schnellen Durchlaufzeiten durchgeführt werden.
In Bereichen, in denen die lateral strukturierte Abdeckschicht auf der Strukturschicht ausgebildet ist, füllt die Abdeckschicht Zwischenräume zwischen benachbarten Strukturelementen zumindest teilweise. Die Abdeckschicht dient insbesondere als eine temporäre Hilfsschicht zur lateralen Strukturierung. Nach dem Einwirken der Kraft kann auf der Strukturschicht verbliebenes Material der Abdeckschicht entfernt werden. Die Abdeckschicht kann die Strukturelemente beispielsweise vollständig überdecken. Die Strukturelemente ragen in diesen Bereichen also in vertikaler Richtung nicht über die Abdeckschicht hinaus. Alternativ können die Strukturelemente in vertikaler Richtung auch aus der Abdeckschicht heraus ragen. Beispielsweise können die Strukturelemente höchstens zu einem Anteil von 80 % ihrer vertikalen Ausdehnung aus der Abdeckschicht heraus ragen.
In einer Ausgestaltungsvariante wird zum Ausbilden der lateral strukturierten Abdeckschicht Material für die Abdeckschicht vollflächig aufgebracht und nachfolgend strukturiert, beispielsweise mittels eines fotolithografischen Verfahrens.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante wird das Material der Abdeckschicht bereits strukturiert aufgebracht. Dies kann beispielsweise über eine Maske oder ein Druckverfahren, beispielsweise ein Tintenstrahl-Verfahren erfolgen.
Die Abdeckschicht kann beispielsweise ein Polymermaterial enthalten, etwa ein Fotolack-Material, ein Silikon, Parylene oder BCB.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens weisen die dreidimensionalen Strukturelemente zumindest entlang einer lateralen Richtung eine maximale Ausdehnung von höchstens 5 µm auf. Die maximale laterale Ausdehnung kann auch kleiner oder gleich 1 µm sein. Je kleiner die dreidimensionalen Strukturelemente sind, desto mehr Strukturelemente können auf derselben Fläche platziert werden. Dadurch erhöht sich insgesamt die Oberfläche der Strukturschicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Ausdehnung der Strukturelemente in vertikaler Richtung mindestens doppelt so groß wie die maximale Ausdehnung in lateraler Richtung. Je größer das Aspektverhältnis, also das Verhältnis zwischen vertikaler Ausdehnung und lateraler Richtung, ist, desto leichter können die Strukturelemente in dem zu entfernenden Bereich mittels einer einwirkenden Kraft abgebrochen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist der zu entfernende Bereich frei von der Abdeckschicht. Die Abdeckschicht dient also als eine Schutzschicht, die die nicht zu entfernenden Bereiche vor der einwirkenden Kraft schützt. In den von der Abdeckschicht freien Bereichen wirkt die einwirkende Kraft direkt auf die Strukturelemente und induziert insbesondere ein mechanisches Abbrechen der Strukturelemente.
In einer Ausgestaltungsvariante wird die einwirkende Kraft durch ein mit Überdruck eingebrachtes Medium ausgeübt, beispielsweise eine Flüssigkeit, etwa Wasser oder ein Lösungsmittel, ein Gas, etwa Luft, oder einen Partikelstrahl, etwa einen Sandstrahl.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante des Verfahrens wird die einwirkende Kraft durch mechanisches Abstreifen ausgeübt. Beispielsweise erfolgt das mechanische Abstreifen mittels einer Bürste oder eines Tuchs, etwa eines Reinigungstuchs.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante wird die einwirkende Kraft durch Ultraschall ausgeübt.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante des Verfahrens wird die einwirkende Kraft durch Vibration ausgeübt. Beispielsweise ist die Frequenz der Vibration an eine Resonanzfrequenz der freiliegenden Strukturelemente angepasst, so dass die Strukturelemente aufgrund der induzierten Schwingungen abbrechen. Die in die Abdeckschicht eingebetteten Strukturelemente weisen wegen der Abdeckschicht eine modifizierte Resonanzfrequenz auf, so dass auf diese keine für ein Abbrechen ausreichende Krafteinwirkung ausgeübt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zu entfernende Bereich von der Abdeckschicht bedeckt. Insbesondere wirkt die Krafteinwirkung in diesem Fall über die Abdeckschicht auf die Strukturelemente. Beispielsweise sind zumindest einige der im zu entfernenden Bereich benachbart angeordneten Strukturelemente nach dem Entfernen über die Abdeckschicht mechanisch miteinander verbunden.
In einer Ausgestaltungsvariante wird die Abdeckschicht zusammen mit den Strukturelementen in dem zu entfernenden Bereich abgeschält. Die in die Abdeckschicht eingebetteten Strukturelemente werden durch das Abschälen also einer Kraft ausgesetzt, die zum Abbrechen der Strukturelemente in dem zu entfernenden Bereich führt.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante wird die einwirkende Kraft durch eine thermisch induzierte Ausdehnungsänderung der Abdeckschicht ausgeübt, beispielsweise durch eine thermische Ausdehnung durch Erhitzen oder eine thermische Kontraktion durch Abkühlen. Eine Temperaturänderung, etwa ein Erhitzen der Abdeckschicht bewirkt eine mechanische Spannung auf die Strukturelemente, so dass diese abbrechen.
Ein Halbleiterbauelement weist gemäß einer Ausführungsform eine Strukturschicht mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf, wobei die Strukturschicht in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement in einen Bauelementbereich und zumindest einen abgetragenen Bereich unterteilt ist. Der abgetragene Bereich weist Reste der Strukturelemente mit Bruchspuren auf. An den Bruchspuren äußert sich ein Entfernen der Strukturelemente durch eine einwirkende Kraft.
Beispielsweise sind an einer Oberfläche, die die Strukturelemente in vertikaler Richtung begrenzt, Bruchspuren ausgebildet. Die Bruchspur kann beispielsweise die Form einer ebenen Bruchkante annehmen.
Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise als ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein zur Strahlungserzeugung vorgesehenes optoelektronisches Bauelement, oder als elektronisches Bauelement, beispielsweise für die Sensorik oder die Mikroelektronik ausgebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung des Halbleiterbauelements beträgt eine Ausdehnung der Strukturelemente in vertikaler Richtung im abgetragenen Bereich höchstens 30 %, bevorzugt höchstens 10 % der vertikalen Ausdehnung der Strukturelemente im Bauelementbereich. Je geringer die vertikale Ausdehnung der Strukturelemente im abgetragenen Bereich ist, desto geringer ist die Gefahr eines ungewollten negativen Einflusses der Strukturelemente, beispielsweise aufgrund einer Strahlungsabsorption für den Fall eines strahlungserzeugenden Halbleiterbauelements.
In einer Ausgestaltung des Halbleiterbauelements ist der abgetragene Bereich ein Mesagraben. Der abgetragene Bereich begrenzt beispielsweise den Bauelementbereich der Strukturschicht in lateraler Richtung, insbesondere entlang des gesamten Umfangs. Für die Herstellung eines derartigen Mesagrabens ist kein nasschemisches oder trockenchemisches Ätzverfahren erforderlich, welches das Halbleiterbauelement schädigen könnte. Weiterhin ist insbesondere im Unterschied zu einer konventionellen photolithographischen Strukturierung gewährleistet, dass der Mesagraben in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement keine Strukturelemente zerteilt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Halbleiterbauelements ist der abgetragene Bereich ein Bereich, auf dem eine Kontaktfläche für die externe Kontaktierung angeordnet ist. Bei einer Kontaktfläche, die nicht auf den dreidimensionalen Strukturelementen, sondern seitlich der dreidimensionalen Strukturelemente aufgebracht ist, ist zudem die Gefahr verringert, dass sich beim Herstellen einer externen elektrischen Verbindung, beispielsweise mittels einer Drahtbondverbindung auf der Kontaktfläche, eine Schädigung des Halbleiterbauelements durch ein unkontrollierbares Brechen der Strukturelemente ergibt.
Grundsätzlich kann der abgetragene Bereich aber auch ein anderer Bereich des Halbleiterbauelements sein, in dem die Strukturschicht nicht erwünscht oder zumindest nicht erforderlich für den Betrieb des Halbleiterbauelements ist. In einer Ausgestaltung des Halbleiterbauelements weisen die Strukturelemente eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und eine zweite Halbleiterschicht eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps auf, wobei die zweite Halbleiterschicht zumindest bereichsweise die Seitenflächen der ersten Halbleiterschicht bedeckt. Zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht kann ein zur Strahlungserzeugung vorgesehener aktiver Bereich in einem pn-Übergang ausgebildet sein. Ein derartiges Halbleiterbauelement zeichnet sich aufgrund der dreidimensionalen Strukturelemente durch eine besonders große Fläche des zur Strahlungserzeugung nutzbaren aktiven Bereichs aus.
In einer Ausgestaltung des Halbleiterbauelements weist die Strukturschicht ein Halbleitermaterial, insbesondere ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf.
III-V-Verbindungshalbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Al_x In_y Ga_1-x-y N) über den sichtbaren (Al_x In_y Ga_1-x-y N, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Al_x In_y Ga_1-x-y P, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Al_x In_y Ga_1-x-y As) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ^ 1, x ^ 0 und/oder y ^ 0. Mit III-V-Verbindungshalbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
Die Strukturschicht kann aber auch ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterial oder ein Gruppe-IV-Halbleitermaterial, beispielsweise Si oder Ge, enthalten.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur lateralen Strukturierung ist für die Herstellung des beschriebenen Halbleiterbauelements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement ausgeführte Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt. Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

Die 1A bis 1E und die 2A bis 2F jeweils ein erstes beziehungsweise zweites Ausführungsbeispiel für ein Verfahren anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten;
die 3A bis 3D ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren anhand von Zwischenschritten in Schnittansicht (3A bis 3C) und in Draufsicht (3D);
die 4A bis 4C ein viertes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; und
die 5A und 5B ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht ( 5A) mit einer vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts in 5B.

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 1A bis 1E ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur lateralen Strukturierung anhand eines Ausschnitts in schematischer Schnittansicht gezeigt. Wie in 1A dargestellt, wird eine Strukturschicht 2 mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen 20 bereitgestellt. Beispielsweise ist die Strukturschicht 2 auf einem Träger 7 angeordnet. Der Träger kann beispielsweise ein Aufwachssubstrat für eine epitaktische Abscheidung des Materials der Strukturschicht 2 sein. Alternativ kann der Träger auch von einem Aufwachssubstrat für die Strukturschicht verschieden sein. Die Strukturschicht kann ein Halbleitermaterial, insbesondere ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen. Die Strukturelemente 20 können bereits bei der insbesondere epitaktischen Abscheidung der Strukturschicht oder durch eine nachträgliche Strukturierung aus einer planaren Schicht in dreidimensionale Strukturen entstehen.
Die Strukturelemente 20 können insbesondere regelmäßig angeordnet sein, beispielsweise in Matrixform oder in einer hexagonalen Struktur. Die Position der Strukturelemente kann beispielsweise mittels einer Maskenschicht 15 festgelegt werden. Alternativ können die Strukturelemente auch unregelmäßig, insbesondere zufällig angeordnet sein, beispielsweise aufgrund eines selbstorganisierten Wachstums. Die Maskenschicht kann dann weggelassen werden. Gegebenenfalls vorhandene Reste der Maskenschicht können während des Verfahrens oder in einem Nachbearbeitungsschritt entfernt werden oder auf dem Träger verbleiben.
In lateraler Richtung weisen die Strukturelemente 20 vorzugsweise eine maximale Ausdehnung von 5 µm auf. Die Strukturelemente können jedoch auch kleiner oder größer sein. Beispielsweise beträgt die maximale laterale Ausdehnung entlang zumindest einer lateralen Richtung höchstens 1 µm.
In vertikaler Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Strukturschicht 2 ist die Ausdehnung mindestens so groß wie die maximale laterale Ausdehnung, bevorzugt mindestens doppelt so groß wie die maximale laterale Ausdehnung.
Auf der Strukturschicht 2 wird eine Abdeckschicht 3 ausgebildet. Beispielsweise enthält die Abdeckschicht ein Polymermaterial. Die Abdeckschicht füllt die Zwischenräume zwischen benachbarten Strukturelementen 20. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Material 30 für die Abdeckschicht bereits in lateral strukturierter Form auf die Strukturelemente 20 aufgebracht. Dies kann beispielsweise mittels einer Maske, etwa einer Schattenmaske oder mittels eines für eine lateral strukturierte Aufbringung geeigneten Verfahrens, beispielsweise eines Druckverfahrens, etwa eines Tintenstrahl-Verfahrens erfolgen. In den Bereichen, in denen die Abdeckschicht 3 ausgebildet wird, muss diese die Strukturelemente 20 in vertikaler Richtung nicht vollständig überdecken. Es kann auch ausreichend sein, wenn lediglich die Fußpunkte der Strukturelemente 20 in die Abdeckschicht eingebettet sind.
Die Abdeckschicht 3 bildet eine Schutzschicht für die von der Abdeckschicht überdeckten Strukturelemente 20. Seitlich der Abdeckschicht 3 sind mittels der Abdeckschicht 3 zu entfernende Bereiche 4 definiert, in denen die Strukturelemente 20, insbesondere auch die Fußpunkte der Strukturelemente, freiliegen (1B).
Nachfolgend werden die Strukturelemente 20 in den zu entfernenden Bereichen 4 einer Krafteinwirkung ausgesetzt, so dass die Strukturelemente 20 in den zu entfernenden Bereichen abbrechen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die einwirkende Kraft durch ein mit Überdruck eingebrachtes Medium, beispielsweise Luft, Wasser, ein Lösungsmittel oder mittels eines Partikelstrahls, etwa eines Sandstrahls ausgeübt. In 1C ist exemplarisch ein Strahl 91 zur mechanischen Krafteinwirkung gezeigt.
Alternativ kann die einwirkende Kraft auch durch ein mechanisches Abstreifen, durch Ultraschall oder durch Vibration ausgeübt werden.
Eine ausreichend hohe Krafteinwirkung, die insbesondere schräg zur vertikalen Richtung ausgeübt wird, führt zu einem Abbrechen der freistehenden, nicht durch die Abdeckschicht 3 geschützten Strukturelemente 20. Die zu entfernenden Strukturelemente 20 werden als Volumenkörper entfernt. Beispielsweise beträgt das Volumen eines einstückigen Teils des entfernten Strukturelements mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 50 %, des Volumens des ursprünglichen Strukturelements. Insbesondere bewirkt die lokale Krafteinwirkung auf die Seitenflächen der Strukturelemente 20 Scherkräfte, die am Fußpunkt der Strukturelemente 20 am höchsten sind. Dadurch brechen die Strukturelemente 20 bevorzugt am Fußpunkt ab, so dass die vertikale Ausdehnung der auf dem Träger verbleibenden Reste der Strukturelemente 20 gering ist. Als Fußpunkt wird die dem Träger 7 zugewandte Seite der Strukturelemente 20 angesehen. Vorzugsweise beträgt die Ausdehnung der Strukturelemente im zu entfernenden Bereich nach dem Entfernen höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 % der nicht abgetragenen Strukturelemente 20.
Somit verbleiben auf dem Träger 7 lediglich die in die Abdeckschicht 3 eingebetteten Strukturelemente 20 (1D).
Die Abdeckschicht kann nun entfernt werden, so dass die Strukturschicht 2, wie in 1E dargestellt, in lateral strukturierter Form mit einem abgetragenen Bereich 22 der Strukturschicht 2 vorliegt. Eine solche Strukturschicht kann nachfolgend in Halbleiterbauelemente weiterverarbeitet werden. Der abgetragene Bereich 22 kann beispielsweise ein Mesagraben des Halbleiterbauelements oder ein Bereich, auf dem eine Kontaktfläche für die externe Kontaktierung angeordnet ist, sein. Bei der Weiterverarbeitung können beispielsweise die abgetragenen Bereiche in einem Nachbearbeitungsschritt weiter bearbeitet werden, beispielsweise mittels eines chemischen Verfahrens, etwa Ätzens. Durch das vorhergehende Ausbilden der abgetragenen Bereiche ist ein solcher Nachbearbeitungsschritt vereinfacht, da der zu behandelnde Bereich verringerte Höhenunterschiede in der Topologie aufweist.
In dem abgetragenen Bereich 22 können Bruchspuren 8 als Folge des mechanischen Abtrags verbleiben.
Das beschriebene Verfahren ist weitgehend unabhängig von dem Material der Strukturschicht 2 und eignet sich daher insbesondere für verschiedene Halbleitermaterialien, insbesondere für die im allgemeinen Teil genannten Halbleitermaterialien. Weiterhin ist die so entstehende Struktur weniger stark abhängig von der Morphologie der Ausgangsstruktur der Strukturschicht 2, insbesondere im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem die Strukturschicht durch ein Ätz-Verfahren strukturiert wird. Ferner müssen die Strukturelemente 20 nicht notwendigerweise dieselbe Höhe aufweisen. Das Verfahren eignet sich auch für die gleichzeitige Entfernung von unterschiedlich hohen Strukturelementen. Im Unterschied hierzu wären bei einem chemischen Verfahren unterschiedlich lange Ätzdauern für die Abtragung von unterschiedlich hohen Strukturelementen erforderlich.
Weiterhin kann die laterale Strukturierung erst nach dem Ausbilden der Strukturschicht 2 erfolgen. Es ist somit nicht erforderlich, die geometrische Form der Halbleiterbauelemente, beispielsweise das Raster, die Größe und/oder den Typ der Halbleiterbauelemente bereits über eine spezifische Wachstumsmaske für die Epitaxie der Strukturschicht vorzugeben. Zudem ist mittels des Verfahrens auf einfache und zuverlässige Weise sichergestellt, dass bei der lateralen Strukturierung keine Strukturelemente 20 zerteilt werden. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Vermeidung von geteilten Strukturelementen die Alterungsstabilität der herzustellenden Halbleiterbauelemente erhöht werden kann. Bei einer chemischen Entfernung der Strukturelemente im zu entfernenden Bereich 4 könnte dagegen allenfalls eine sehr genaue und aufwändige Justage für das Lithografieverfahren eine Zerteilung einzelner Strukturelemente verhindern.
Das in den 2A bis 2F dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1E beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu wird das Material 30 der Abdeckschicht 3 zunächst vollflächig aufgebracht (2B) und nachfolgend lateral strukturiert, beispielsweise mittels einer Maske 95. Die Maske 95 kann beispielsweise durch einen Fotolack gebildet sein.
Nachfolgend erfolgt, wie in 2D dargestellt, eine Krafteinwirkung in den zu entfernenden Bereichen 4. Dies erfolgt in 2D exemplarisch mittels einer Bürste 92. Es kann jedoch auch eine andere Art des mechanischen Abstreifens erfolgen, beispielsweise mittels eines Tuchs, etwa eines Reinigungstuchs. Weiterhin ist auch eines der anderen im Zusammenhang mit 1C genannten Verfahren anwendbar.
Nach einem Reinigungsschritt verbleiben auf dem Träger 7 lediglich die in die Abdeckschicht 3 eingebetteten Strukturelemente 20 (2E). Nachfolgend kann die Abdeckschicht 3 wie in 2F gezeigt entfernt werden, so dass eine lateral strukturierte Strukturschicht 2 entsteht.
Das in den 3A bis 3C dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen dadurch, dass die zu entfernenden Bereiche 4 diejenigen Bereiche sind, die von der Abdeckschicht 3 bedeckt sind (3A). Die nicht zu entfernenden Bereiche können zusätzlich in eine Schutzschicht eingebettet sein (nicht explizit dargestellt).
Wie in 3B dargestellt, wirkt die einwirkende Kraft nicht direkt auf die Strukturelemente 20, sondern wird über die Abdeckschicht 3 bereichsweise auf die Strukturelemente 20 übertragen. Beispielsweise eignet sich für die Abdeckschicht ein Matrixmaterial, etwa eine Silikonmatrix, in die die Strukturelemente 20 im zu entfernenden Bereich 4 eingebettet sind.
Die nicht von der Abdeckschicht bedeckten Strukturelemente 20 erfahren dagegen keine oder zumindest keine für ein Abbrechen der Strukturelemente 20 ausreichende Krafteinwirkung.
3D zeigt einen Ausschnitt eines abgeschälten Materials 30 in Form einer Silikonmatrix. Die in das Material eingebetteten Strukturelemente 20 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine hexagonale Grundform auf und sind in einer hexagonalen Struktur angeordnet. Das Verfahren eignet sich selbstverständlich aber auch für Strukturelemente mit anderen Grundformen und anderer relativer Anordnung.
Durch das Verfahren entsteht wiederum, wie in 3C gezeigt, ein abgetragener Bereich 22 der Strukturschicht 2.
Das in den 4A bis 4C dargestellte vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 3A bis 3D beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist der zu entfernende Bereich 4 wieder derjenige Bereich der Strukturschicht 2, der von der Abdeckschicht 3 bedeckt ist (4A). Die einwirkende Kraft wird jedoch durch eine thermisch induzierte Ausdehnungsänderung der Abdeckschicht ausgeübt. Dies kann beispielsweise mittels einer Erhitzung, in 4B dargestellt durch Pfeile 96, erfolgen. Hierfür weist das Material der Abdeckschicht 3 zweckmäßigerweise einen möglichst großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der sich von Ausdehnungskoeffizienten der Strukturschicht 2 unterscheidet. Beispielsweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Abdeckschicht um mindestens 50 % größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Strukturschicht 2. Durch die Temperaturänderung entstehen mechanische Spannungen, die ein Abbrechen der Strukturelemente 20 im zu entfernenden Bereich 4 bewirken. Die so lateral strukturierte Strukturschicht 2 ist in 4C gezeigt.
Ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement ist in 5A in schematischer Schnittansicht gezeigt. Ein Ausschnitt 99 ist in 5B vergrößert dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 weist eine Strukturschicht 2 mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen 20 auf. Die Strukturschicht ist in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement in einen Bauelementbereich 21 und abgetragene Bereiche 22 unterteilt. Die abgetragenen Bereiche 22 weisen jeweils Reste der Strukturelemente mit Bruchspuren 8 auf. Die laterale Ausdehnung der Strukturelemente 20 ist übertrieben groß dargestellt. Typischerweise weist der Bauelementbereich 21 eine Vielzahl solcher Strukturelemente, beispielsweise hundert Strukturelemente oder mehr auf.
Das Halbleiterbauelement 1 weist exemplarisch zwei abgetragene Bereiche 22 auf, wobei einer der abgetragenen Bereiche als ein Mesagraben 51 ausgebildet ist. Mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist gewährleistet, dass der Mesagraben in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement keine Strukturelemente 20 zerteilt.
Ein weiterer abgetragener Bereich 22 ist als ein Bereich 52 ausgebildet, in dem eine Kontaktfläche 6 für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterbauelements, beispielsweise mittels einer Drahtbondverbindung, angeordnet ist. Zur Ausbildung der Kontaktfläche müssen keine hohen Kanten überformt werden. Durch das Fehlen der Strukturelemente 20 im abgetragenen Bereich 22 ist zudem gewährleistet, dass bei der Herstellung der Drahtbondverbindung keine unter der Kontaktfläche 6 angeordneten Strukturelemente brechen und sich nachteilig auf die Funktionalität des Halbleiterbauelements auswirken.
Das dargestellte Halbleiterbauelement 1 ist exemplarisch als ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenes Halbleiterbauelement ausgebildet. Für die Erzeugung von ultravioletter oder blauer Strahlung eignet sich beispielsweise ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere Al_x In_y Ga_1-x-y N. Die Strukturelemente 20 weisen jeweils eine erste Halbleiterschicht 25 eines ersten Leitungstyps und eine zweite Halbleiterschicht 26 eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps auf. Beispielsweise ist die erste Halbleiterschicht 25 n-leitend und die zweite Halbleiterschicht 26 p-leitend oder umgekehrt. Zwischen der ersten Halbleiterschicht 25 und der zweiten Halbleiterschicht 26 ist ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehener aktiver Bereich 27 ausgebildet. Die zweite Halbleiterschicht 26 bedeckt zumindest bereichsweise auch die Seitenflächen 250 der ersten Halbleiterschicht 25. Im Vergleich zu zwei flächig übereinander abgeschiedenen ersten und zweiten Halbleiterschichten ist so die für die Strahlungserzeugung nutzbare Fläche des aktiven Bereichs 27 erhöht. Der pn-Übergang zwischen der ersten Halbleiterschicht 25 und der zweiten Halbleiterschicht 26 muss zur Herstellung des Halbleiterbauelements nicht freigelegt werden, insbesondere weder für die externe elektrische Kontaktierung noch für die Ausbildung der Mesagräben.
Die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses aufgrund eines freiliegenden Bereichs der ersten Halbleiterschicht 25 aufgrund eines abgebrochenen Strukturelements wird verhindert. Durch die Vermeidung einer Zerteilung der Strukturelemente 20 wird weiterhin vermieden, dass der pn-Übergang zwischen der ersten Halbleiterschicht 25 und der zweiten Halbleiterschicht 26 im Mesagraben kurzgeschlossen wird.
Das Halbleiterbauelement kann selbstverständlich auch nur einen abgetragenen Bereich oder drei oder mehr abgetragene Bereiche aufweisen. Weiterhin kann das Halbleiterbauelement von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend auch als ein anderes Halbleiterbauelement ausgebildet sein, beispielsweise als ein Sensor oder ein mikroelektronisches oder mikromechanisches Bauelement. Generell eignet sich das beschriebene Verfahren für die Herstellung von Bauelementen, bei denen eine laterale Strukturierung einer Strukturschicht mit dreidimensionalen Strukturelementen gewünscht ist.
Bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente können die abgetragenen Bereiche in einem Nachbearbeitungsschritt weiter bearbeitet werden. Beispielsweise kann ein Ätzschritt durchgeführt werden, durch den die Mesagräben 51 bis zum Träger 7 hin ausgebildet werden. Durch das zuvor durchgeführte Verfahren zum Ausbilden der abgetragenen Bereiche wird ein solcher Nachbearbeitungsschritt vereinfacht, da die zu behandelnde Oberfläche weniger stark ausgeprägte Topologieunterschiede aufweist.
Die dieser Anmeldung zugrunde liegenden Arbeiten wurden von der Europäischen Union unter dem Förderkennzeichen NMP3-SL-2012-280694 gefördert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Strukturschicht (2) mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (20) mit den Schritten: a) Bereitstellen der Strukturschicht (2) mit den dreidimensionalen Strukturelementen (20); b) Ausbilden einer lateral strukturierten Abdeckschicht (3) auf der Strukturschicht (2) zum Festlegen zumindest eines zu entfernenden Bereichs (4) der Strukturschicht (2); und c) Entfernen des zu entfernenden Bereichs der Strukturschicht (2) mittels einer auf die dreidimensionalen Strukturelemente (20) in dem zu entfernenden Bereich einwirkenden Kraft, so dass die dreidimensionalen Strukturelemente (20) in dem zu entfernenden Bereich abbrechen und die Strukturschicht (2) in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement in einen Bauelementbereich (21) und einen abgetragenen Bereich (22) unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente (20) zumindest entlang einer lateralen Richtung eine maximale Ausdehnung von höchstens 5 µm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Ausdehnung der dreidimensionalen Strukturelemente (20) in einer senkrecht zur lateralen Richtung verlaufenden Richtung mindestens doppelt so groß ist wie die maximale Ausdehnung in lateraler Richtung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zu entfernende Bereich in Schritt b) frei von der Abdeckschicht (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die einwirkende Kraft durch ein mit Überdruck eingebrachtes Medium oder durch mechanisches Abstreifen ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die einwirkende Kraft durch Ultraschall oder Vibration ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zu entfernende Bereich in Schritt b) von der Abdeckschicht (3) bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Abdeckschicht (3) zusammen mit den dreidimensionalen Strukturelementen (20) in dem zu entfernenden Bereich abgeschält wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die einwirkende Kraft durch eine thermisch induzierte Ausdehnungsänderung der Abdeckschicht (3) ausgeübt wird.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement (1) mit einer Strukturschicht (2) mit einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (20), wobei die Strukturschicht (2) in Draufsicht auf das Halbleiterbauelement in einen Bauelementbereich (21) und einen abgetragenen Bereich (22) unterteilt ist, wobei - der abgetragene Bereich (22) Reste der dreidimensionalen Strukturelemente (20) mit Bruchspuren (8) aufweist und - der abgetragene Bereich (22) den Bauelementbereich (21) in lateraler Richtung entlang des gesamten Umfangs begrenzt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei eine Ausdehnung der dreidimensionalen Strukturelemente (20) in vertikaler Richtung im abgetragenen Bereich (22) höchstens 30 % der vertikalen Ausdehnung der dreidimensionalen Strukturelemente (20) im Bauelementbereich (21) beträgt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei der abgetragene Bereich (22) ein Mesagraben (51) des Halbleiterbauelements oder ein Bereich (52), auf dem eine Kontaktfläche für die externe Kontaktierung angeordnet ist, ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente (20) eine erste Halbleiterschicht (25) eines ersten Leitungstyps und eine zweite Halbleiterschicht (26) eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps aufweisen und wobei die zweite Halbleiterschicht (26) zumindest bereichsweise die Seitenflächen (250) der ersten Halbleiterschicht (25) bedeckt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Strukturschicht (2) ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial enthält.