VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER VIELZAHL

OBERFLÄCHENEMITTIERENDER HALBLEITERLASERDIODEN

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden angegeben.

Die Druckschrift Karrakchou et al., Scientific Reports 10, 21709 (2020), beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode .

Es soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden im Waferverbund angegeben werden, das dazu eingerichtet ist, eine hohe Qualität des epitaktischen Halbleitermaterials sicherzustellen. Insbesondere soll ein einfaches Ablösen der Halbleiterchips vom Wachstumssubstrat ermöglicht sein. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden wird zunächst ein Wachstumssubstrat bereitgestellt. Das Wachstumssubstrat kann beispielsweise Saphir, Siliziumcarbid oder Galliumnitrid aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen. Das Wachstumssubstrat kann insbesondere ein Wafer sein, beispielsweise mit einem Durchmesser von mindestens 6 Zoll. Der Herstellungsprozess einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden auf Wafern mit großem Durchmesser ist in der Regel kostengünstiger als auf Wafern mit kleinem Durchmesser.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Maskenschicht mit einer Vielzahl von Öffnungen auf das Wachstumssubstrat aufgebracht, so dass Bereiche des Wachstumssubstrats durch die Öffnungen freiliegen. Bevorzugt wird die Maskenschicht in direktem Kontakt mit dem Wachstumssubstrat angeordnet. Die Maskenschicht kann beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden.

Die Maskenschicht weist bevorzugt ein dielektrisches Material auf oder ist aus einem dielektrischen Material gebildet. Beispielsweise ist ein Oxid, wie Siliziumdioxid, oder ein Nitrid als dielektrisches Material für die Maskenschicht geeignet .

Die hier und im Folgenden beschriebenen Merkmale für eine Öffnung können für alle Öffnungen gelten. Die Merkmale können sich aber auch für verschiedene Öffnungen unterscheiden.

Eine Öffnung weist beispielsweise eine kreisförmige, ovale, quadratische oder rechteckige Form in Draufsicht auf. Des Weiteren sind Öffnungen mit beliebiger gekrümmter und/oder polygonaler Form möglich. Die Öffnungen können beispielsweise mittels photolithographischer Techniken und Ätzen erzeugt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine erste Zwischenschicht zumindest auf die freiliegenden Bereiche des Wachstumssubstrats aufgebracht, wobei die erste Zwischenschicht ein quasi-zweidimensionales Material aufweist oder aus einem quasi-zweidimensionalen Material besteht. Hier und im Folgenden sind quasi-zweidimensionale Materialien kristalline Materialien, die Schichten von Atomen oder Molekülen aufweisen. Diese Schichten von Atomen oder Molekülen sind beispielsweise über Van-der-Waals-Kräfte schwach miteinander gebunden. Insbesondere können diese Schichten aus Atomen oder Molekülen leicht voneinander abgelöst werden, insbesondere mechanisch.

Die erste Zwischenschicht kann beispielsweise durch Gasphasenepitaxie, insbesondere metallorganische Gasphasenepitaxie, zumindest auf die freiliegenden Bereiche des Wachstumssubstrats aufgebracht werden.

Die erste Zwischenschicht kann auch über den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats und über der Maskenschicht abgeschieden werden. Auf den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats können sich dabei homogene Bereiche der ersten Zwischenschicht bilden. Im Gegensatz dazu kann die erste Zwischenschicht auf der Maskenschicht inhomogene Bereiche mit einer inhomogenen Struktur aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Zwischenschicht epitaktisch aufgewachsen, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge umfasst beispielsweise eine Schicht aus einem n-dotierten Halbleitermaterial und eine Schicht aus einem p-dotierten Halbleitermaterial, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist. Die aktive Schicht kann zumindest eine QuantentopfSchicht aufweisen. Darüber hinaus kann die aktive Schicht zumindest eine Barriereschicht aufweisen. Im Betrieb kann die aktive Schicht beispielsweise Licht emittieren, insbesondere in einem Spektralbereich zwischen einschließlich infrarotem Licht und einschließlich ultraviolettem Licht.

Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge wird beispielsweise durch Gasphasenepitaxie, insbesondere metallorganische Gasphasenepitaxie, auf der ersten Zwischenschicht epitaktisch aufgewachsen. Insbesondere kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf homogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht heteroepitaktisch aufgewachsen werden. Dabei sind die homogenen Bereiche der ersten Zwischenschicht auf den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats angeordnet.

Die Bindung zwischen der ersten Zwischenschicht und der darauf epitaktisch aufgewachsenen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge kann schwach sein. Beispielsweise sind die erste Zwischenschicht und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge durch Van-der-Waals-Kräfte schwach aneinander gebunden. Insbesondere kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Zwischenschicht verspannungsfrei gleiten. Eine Anpassung der Gitterparameter der ersten Zwischenschicht und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ist somit mit Vorteil in der Regel nicht notwendig. Dadurch ist es insbesondere auch möglich InGaN-basierte Halbleiterlaserdioden mit hoher Indiumdotierung und somit einer Emission bei größeren Wellenlängen, beispielsweise im roten Spektralbereich, herzustellen .

Halbleitermaterial, das auf inhomogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht über der Maskenschicht abgeschieden wird, kann eine amorphe Struktur aus Halbleitermaterial bilden. Das epitaktische Wachstum der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge erfolgt somit insbesondere selektiv auf homogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht, die auf freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats angeordnet sind. Dadurch können sich epitaktische

Halbleiterschichtenstapel in den Öffnungen der Maskenschicht bilden. Diese Halbleiterschichtenstapel können im Waferverbund epitaktisch gewachsen werden. Amorphes Halbleitermaterial, das sich beispielsweise in Randbereichen eines Halbleiterschichtenstapels bildet, kann in späteren Verfahrensschritten entfernt werden.

Die Größe der Öffnungen wird beispielsweise an die Größe von Halbleiterchips der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden angepasst. Des Weiteren können die Halbleiterschichtenstapel durch mechanisches Ablösen der Schichten von Atomen oder Molekülen innerhalb oder am Rand der Zwischenschicht leicht vom Wachstumssubstrat abgelöst werden. Insbesondere kann dadurch ein Brechen der Halbleiterschichtenstapel beim mechanischen Ablösen vom Wachstumssubstrat vermieden werden. Des Weiteren kann ein Ausbilden von Defekten in den Halbleiterschichtenstapeln durch das leichte mechanische Ablösen verringert werden.

Somit kann das epitaktische Wachstum einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden, die beispielsweise ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen, in hoher Qualität im Waferverbund auf einem kostengünstigen Saphirwafer erfolgen. Alternativ kann ein GaN-Wafer als Substrat verwendet werden, der einen vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das epitaktische Halbleitermaterial. Dadurch werden beim Abkühlen nach dem Wachstumsprozess keine zusätzlichen thermischen Verspannungen in die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Durch das anschließende mechanische Ablösen des Wachstumssubstrats kann dieses wiederverwendet werden. Damit ist auch bei einem hohen Substratpreis ein kostengünstiger Herstellungsprozess möglich. Darüber hinaus kann der Wachstums- und Chip-Prozess auf Wafern mit zumindest 6 Zoll Durchmesser durchgeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden folgende Schritte:

- Bereitstellen eines Wachstumssubstrats,

- Aufbringen einer Maskenschicht mit einer Vielzahl von Öffnungen auf das Wachstumssubstrat, so dass Bereiche des Wachstumssubstrats durch die Öffnungen freiliegen,

- Aufbringen einer ersten Zwischenschicht zumindest auf die freiliegenden Bereiche des Wachstumssubstrats, wobei die erste Zwischenschicht ein quasi-zweidimensionales Material aufweist,

- epitaktisches Aufwachsen einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Zwischenschicht, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist.

Bevorzugt werden diese Schritte in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens entspricht eine Fläche der Öffnung der Fläche einer Apertur der Halbleiterlaserdiode.

Ein Durchmesser einer Öffnung beträgt beispielsweise ungefähr 10 Mikrometer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist zumindest eine Öffnung eine Fläche auf, die größer ist als eine Apertur der Halbeiterlaserdiode. Beispielsweise weist eine Öffnung einen Durchmesser zwischen einschließlich 10 Mikrometern und einschließlich 40 Mikrometern auf. Der Abstand zwischen den Rändern benachbarter Öffnungen kann beispielsweise zwischen einschließlich 10 Mikrometern und einschließlich 100 Mikrometern betragen. In dieser Ausführungsform des Verfahrens wird die Fläche der Apertur der Halbleiterlaserdiode in einem späteren Verfahrensschritt beispielsweise durch Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf die epitaktische Halbleiterschichtenfolge definiert. Halbleitermaterial, das lateral außerhalb der Apertur der Halbleiterlaserdiode angeordnet ist, bleibt während des Betriebs inaktiv und trägt nicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung bei.

Unter "lateral" ist hier und im Folgenden eine Richtung zu verstehen, die sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge erstreckt. Insbesondere sind laterale Richtungen orthogonal zur Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Das lateral außerhalb der Apertur angeordnete Material kann zur Wärmeableitung eingerichtet sein. In dieser Ausführungsform des Verfahrens muss die Form von Seitenwänden der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge während des epitaktischen Wachstums nicht kontrolliert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Maskenschicht ein Dielektrikum. Beispielsweise umfasst die Maskenschicht ein Oxid, insbesondere Siliziumdioxid, oder ein Nitrid.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das quasi-zweidimensionale Material aus der folgenden Gruppe gewählt: hexagonales Bornitrid (h-BN), Graphen,

Molybdändisulfid, Wolframdiselenid, Fluorographen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die erste Zwischenschicht eine Dicke zwischen einschließlich 0,5 Nanometer und einschließlich 100 Nanometer auf. Insbesondere weist die erste Zwischenschicht eine oder mehrere Lagen der zweidimensionalen Atom- oder Molekülschichten auf. Bevorzugt weist die erste Zwischenschicht eine Dicke von ungefähr 3 Nanometern auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden beim epitaktischen Aufwachsen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge Halbleiterschichtenstapel in den Öffnungen epitaktisch gewachsen. Dabei bleibt die Maskenschicht und/oder ein inhomogener Bereich der Zwischenschicht, der sich auf der Maskenschicht befinden kann, in der Regel frei von der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge. Eine homogene erste Zwischenschicht bildet sich bevorzugt auf den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats. Im Gegensatz dazu kann sich die erste Zwischenschicht auf der Maskenschicht inhomogen ausbilden. Diese Inhomogenität kann zu einem amorphen Wachstum des Halbleitermaterials auf inhomogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht, die auf der Maskenschicht angeordnet sein können, führen. Somit kann die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge nur in den Bereichen der Öffnungen epitaktisch wachsen. Dadurch kann in jeder Öffnung ein Halbleiterschichtenstapel epitaktisch gewachsen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weisen die Halbleiterschichtenstapel vertikale Seitenflächen auf. Durch geeignetes Einstellen der epitaktischen

Wachstumsbedingungen, beispielsweise der Wachstumstemperatur und/oder der Wachstumsraten, können die

Halbleiterschichtenstapel vertikale Seitenflächen aufweisen. Dabei kann in jeder Öffnung ein Halbleiterschichtenstapel mit vertikalen Seitenflächen gewachsen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial . Nitrid- Verbindungshalbleitermaterialien sind

Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie zum Beispiel die Materialien aus dem System In _x Al _y Gai- _x-y N mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Aufgrund des heteroepitaktischen Wachstums der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Zwischenschicht kann beispielsweise der Indiumanteil und/oder der Aluminiumanteil des Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials groß sein. Insbesondere kann der Indiumanteil und/oder der Aluminiumanteil im Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial so groß sein, dass bei einem direkten epitaktischen Wachstum auf einem Galliumnitrid Wafer-Verspannungen entstehen können. Verspannungen können Kristalldefekte verursachen und die Kristallqualität der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge verringern .

Durch geeignete Wahl des Indiumanteils und/oder des Aluminiumanteils im Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial ist eine breite Abstimmbarkeit der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die in der aktiven Schicht erzeugt wird, möglich. Beispielsweise kann eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode im Betrieb elektromagnetische Strahlung in einem schmalen Wellenlängenbereich zwischen einschließlich rotem und einschließlich ultraviolettem Licht emittieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge zumindest eine zweite Zwischenschicht, die zwischen einer zur ersten Zwischenschicht weisenden Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge und der aktiven Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Zwischenschicht ein quasi zweidimensionales Material aufweist. Die zweite Zwischenschicht kann beispielsweise zwischen der ersten Zwischenschicht und der aktiven Schicht angeordnet sein. Bevorzugt kann die zweite Zwischenschicht das gleiche quasi zweidimensionale Material wie die erste Zwischenschicht aufweisen. Es ist auch möglich, dass die zweite Zwischenschicht ein anderes quasi-zweidimensionales Material als die erste Zwischenschicht umfasst.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht eine Halbleiterschicht angeordnet, die frei ist von einem quasi-zweidimensionalen Material. Die zweite Zwischenschicht wird bevorzugt nicht direkt auf der ersten Zwischenschicht angeordnet. Beispielsweise wird zunächst auf der ersten Zwischenschicht eine Halbleiterschicht epitaktisch aufgewachsen, die frei ist von einem quasi-zweidimensionalen Material. Anschließend wird auf dieser Halbleiterschicht insbesondere die zweite Zwischenschicht aufgewachsen. Somit ist die Halbleiterschicht zwischen der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht angeordnet.

Um die Kristallqualität der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge im Bereich der aktiven Schicht zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, zumindest eine zweite Zwischenschicht als Teil der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge innerhalb der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zu wachsen. Es können auch mehrere zusätzliche Zwischenschichten innerhalb der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge gewachsen werden. Die zumindest eine zweite Zwischenschicht ist zwischen der ersten Zwischenschicht und der aktiven Schicht angeordnet. Bevorzugt kann die zweite Zwischenschicht an einer Position der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein, die höher liegt, als der höchste Punkt der Maskenschicht. Eine Höhenangabe bezieht sich hier und im Folgenden auf die Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Störungen des epitaktischen Wachstumsprozesses an den Rändern der Öffnungen der Maskenschicht, beispielsweise durch Rückstände von Kristallisationskeimen, können die Qualität der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge in einem frühen Stadium des epitaktischen Wachstums verringern. Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge anfangs nur langsam gewachsen werden, wenn eine hohe Kristallqualität erwünscht ist. Eine zweite Zwischenschicht kann verhindern, dass sich Kristalldefekte in höhere Bereiche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, insbesondere in den Bereich der aktiven Schicht, fortpflanzen. Somit kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und einer zweiten Zwischenschicht eine geringere Kristallqualität aufweisen, während die epitaktische Halbleiterschichtenfolge im Bereich der aktiven Schicht eine höhere Kristallqualität aufweisen kann. Dadurch kann der Wachstumsprozess der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge beschleunigt werden und somit kostengünstiger erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine Ätzstoppschicht, wobei die Ätzstoppschicht zwischen der aktiven Schicht und der Zwischenschicht, die der aktiven Schicht am nächsten liegt, angeordnet ist. Die Ätzstoppschicht erlaubt ein präzises Stoppen eines Ätzprozesses oder eines mechanischen Entfernungsprozesses der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Die Ätzstoppschicht weist beispielsweise ein Nitrid oder ein Oxid auf oder besteht aus einem dieser Materialien. Insbesondere ist Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid als Material für die Ätzstoppschicht geeignet.

Durch die Ätzstoppschicht kann die endgültige Dicke der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge mit hoher Präzision eingestellt werden. Somit kann die Länge einer optischen Kavität der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode genau eingestellt werden. Insbesondere ist eine genaue Einstellung der Länge der optischen Kavität wichtig, um die Wellenlänge der im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode präzise festzulegen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge von zumindest einer Zwischenschicht mechanisch abgelöst und auf einen Träger transferiert. Die mechanische Ablösung und der Transfer auf den Träger können mittels eines Pick-and-Place-Verfahrens erfolgen. Der Träger kann dabei eine elektrische Kontaktschicht aufweisen, die zur Kontaktierung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge dient. Des Weiteren kann der Träger einen Spiegel, eine reflektierende Schicht oder eine reflektierende Schichtenfolge aufweisen, wie zum Beispiel einen dielektrischen Bragg-Reflektor. Diese sind dazu eingerichtet, von der aktiven Schicht im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu reflektieren. Insbesondere bilden diese einen Teil der optischen Kavität, innerhalb der die epitaktische Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge bis zur Ätzstoppschicht abgetragen. Das Abtragen kann beispielsweise durch einen nass- oder trockenchemischen Ätzprozess erfolgen. Alternativ kann das Abtragen durch einen mechanischen Entfernungsprozess erfolgen. Als mechanischer Entfernungsprozess eignet sich zum Beispiel ein Schleifen oder Polieren der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge . Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird auf einer Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge, die dem Träger abgewandt ist, eine Kontaktschicht aus einem lichtdurchlässigen Material aufgebracht. Die Kontaktschicht weist beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid auf oder besteht aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO, kurz für englisch: „transparent conductive oxide").

Transparente leitende Oxide sind in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid,

Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnÜ ₂ oder Ih ₂ q ₃ gehören auch ternäre

Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn ₂ Sn0 ₄ , ZnSn0 ₃ , Mgln ₂ 0 ₄ , Galn0 ₃ , Zn ₂ ln ₂ 0s oder In ₄ Sn ₃ 0i ₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können weiterhin auch p- sowie n-dotiert sein.

Die Kontaktschicht dient zur Kontaktierung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Des Weiteren kann die emittierte elektromagnetische Strahlung durch diese Kontaktschicht ausgekoppelt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist der Träger zur Wärmeableitung eingerichtet. Zur Wärmeableitung eignen sich beispielsweise metallische Träger.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge vor dem mechanischen Ablösen vom Wachstumssubstrat bearbeitet. Insbesondere können freiliegende Flächen der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge bearbeitet werden. Zum Beispiel wird auf eine dem Wachstumssubstrat abgewandte Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ein Spiegel, eine spiegelnde Schicht oder eine spiegelnde Schichtenfolge aufgebracht. Des Weiteren wird auf die dem Wachstumssubstrat abgewandte Hauptfläche der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge beispielsweise eine elektrische Kontaktschicht und/oder eine elektrische Anschlussstelle aufgebracht. Danach wird die epitaktische

Halbleiterschichtenfolge insbesondere permanent auf einen Träger gebondet. Im Anschluss daran wird das Wachstumssubstrat durch mechanisches Ablösen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge entfernt und die dem Träger abgewandte Hauptfläche bearbeitet. Insbesondere wird die epitaktische Halbleiterschichtenfolge bis zur Ätzstoppschicht abgetragen und anschließend elektrisch kontaktiert .

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die Figuren 1 bis 8 zeigen schematisch verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaserdioden gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel. Figur 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichtenstapels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Figur 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende 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, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 wird zunächst ein Wachstumssubstrat 1 bereitgestellt. Das Wachstumssubstrat ist bevorzugt ein Wafer, insbesondere mit mindestens 6 Zoll Durchmesser, und weist beispielsweise Saphir, Siliziumcarbid oder Galliumnitrid auf. Bevorzugt weist das Wachstumssubstrat 1 Galliumnitrid auf.

In einem nächsten Schritt wird eine Maskenschicht 2 mit einer Vielzahl von Öffnungen 21 auf eine Hauptfläche des Wachstumssubstrats 1 aufgebracht, sodass Bereiche des Wachstumssubstrats durch die Öffnungen freiliegen, wie in Figur 1 gezeigt. Die Maskenschicht 2 ist dabei in direktem Kontakt mit dem Wachstumssubstrat 1.

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wafers mit einer Maskenschicht 2, die eine Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen 21 mit einem Durchmesser 22 aufweist.

Die Fläche der Öffnungen 21 entspricht dabei der Fläche von Aperturen 10 der oberflächenemittierenden

Halbleiterlaserdioden. Die Fläche der Öffnungen 21 kann auch größer als die Fläche von Aperturen 10 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden sein. In diesem Fall kann der Durchmesser 22 der Öffnungen 21 kleiner als ein Abstand zwischen Rändern 23 zweier direkt benachbarter Öffnungen 21 sein. Beispielsweise weisen die Öffnungen 21 Durchmesser 22 zwischen einschließlich 10 Mikrometer und einschließlich 40 Mikrometer auf, während der Abstand zwischen den Rändern 23 zweier direkt benachbarter Öffnungen beispielsweise zwischen einschließlich 50 Mikrometer und einschließlich 100 Mikrometer beträgt.

Um die Anzahl der oberflächenemittierenden

Halbleiterlaserdioden auf einem Wafer zu erhöhen, kann der Abstand zwischen den Rändern 23 zweier direkt benachbarter Öffnungen 21 auch kleiner sein als der Durchmesser 22 der Öffnungen 21. Beispielsweise weisen die Öffnungen 21 Durchmesser 22 zwischen einschließlich 10 Mikrometer und einschließlich 50 Mikrometer auf, während der Abstand zwischen den Rändern 23 zweier direkt benachbarter Öffnungen beispielsweise ungefähr 10 Mikrometer beträgt. Im Falle eines Pick-and-Place Transfers der Halbleiterschichtenstapel auf einen Träger können die Abstände zwischen den

Halbleiterschichtenstapeln auf dem Träger für einen weiteren Chip-Prozess entsprechend größer gewählt werden. Insbesondere kann dadurch beim Wachstumsprozess die Ausbeute erhöht und somit die Kosten gesenkt werden.

Figur 3 zeigt schematisch einen nächsten Verfahrensschritt, wobei eine erste Zwischenschicht 3 auf die freiliegenden Bereiche des Wachstumssubstrats 1 und auf der Maskenschicht 2 abgeschieden wird. Dabei bildet sich nur auf den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats 1 innerhalb der Öffnungen 21 eine homogene erste Zwischenschicht 3. Im Gegensatz dazu bilden sich auf der Maskenschicht 2 inhomogene Bereiche der ersten Zwischenschicht 31, die eine inhomogene Struktur aufweisen.

Figur 4 zeigt schematisch einen nächsten Verfahrensschritt, wobei eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 auf der Zwischenschicht 3 epitaktisch aufgewachsen wird. Aufgrund der Struktur der Zwischenschicht 3 erfolgt ein epitaktisches Wachstum nur auf den homogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht 3, die insbesondere auf den freiliegenden Bereichen des Wachstumssubstrats 1 angeordnet ist. Im Gegensatz dazu führt die inhomogene Struktur in den inhomogenen Bereichen der ersten Zwischenschicht 31 auf der Maskenschicht 2 zum Wachstum eines amorphen

Halbleitermaterials 41. Somit ergibt sich ein epitaktisches Wachstum der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 nur in den Bereichen der Öffnungen 21 der Maskenschicht 2. Dabei bilden sich Halbleiterschichtenstapel 4 in den Bereichen der Öffnungen 21 der Maskenschicht 2. Die Kombination aus Maskenschicht 2 und der Struktur der ersten Zwischenschicht 3 führt somit zu einem flächenselektiven epitaktischen Wachstum der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 weist dabei eine aktive Schicht 5 auf, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im Betrieb eingerichtet ist. Die Wachstumsbedingungen sind dabei so eingestellt, dass die Halbleiterschichtenstapel 4 vertikale Seitenflächen 43 aufweisen. Dies ist beispielsweise durch geeignete Wahl der Wachstumstemperaturen und/oder der Wachstumsraten möglich.

Figur 5 zeigt schematisch einen weiteren Verfahrensschritt, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 eine zweite Zwischenschicht 6 umfasst, die zwischen der ersten Zwischenschicht 3 und der aktiven Schicht 5 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 angeordnet ist. Störungen an den Rändern 23 der Öffnungen 21 der Maskenschicht 2, beispielsweise Kristallisationskeime, können das epitaktische Wachstum der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 beeinträchtigen. Dies kann zu Kristalldefekten innerhalb der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 führen. Aus diesem Grund kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 in der Regel nur langsam gewachsen werden, falls eine hohe Kristallqualität erforderlich ist.

Eine zweite Zwischenschicht 6 innerhalb der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42, die sich an einer höheren Position als der höchste Punkt der Maskenschicht 2 in Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 befindet, kann die Ausbreitung von Kristalldefekten in den Bereich der aktiven Schicht 5 verhindern. Des Weiteren kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 auf der zweiten Zwischenschicht 6 einfacher mit höherer Kristallqualität gewachsen werden, da durch weniger scharfe Ränder weniger Störungen, beispielsweise Verunreinigungen durch Kristallisationskeime, vorhanden sind. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 zwischen der ersten Zwischenschicht 3 und der zweiten Zwischenschicht 6 kann mit geringerer Kristallqualität gewachsen werden, als die Kristallqualität der aktiven Schicht 5, ohne die Kristallqualität der aktiven Schicht 5 stark zu beeinträchtigen. Somit kann der epitaktische Wachstumsprozess insgesamt beschleunigt werden.

Figur 6 zeigt schematisch einen weiteren Verfahrensschritt, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 im Vergleich zu Figur 5 eine zusätzliche Ätzstoppschicht 7 umfasst. Die Ätzstoppschicht ist zwischen der aktiven Schicht 5 und der Zwischenschicht 6, die der aktiven Schicht am nächsten liegt, angeordnet. Die Ätzstoppschicht 7 weist beispielsweise Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid auf. Insbesondere erlaubt die Ätzstoppschicht 7 ein präzises Stoppen eines Ätzprozesses der epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge 42. Durch Abträgen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 bis zur Ätzstoppschicht 7 in einem späteren Verfahrensschritt wird die Dicke von Halbleiterschichtenstapeln 4 genau eingestellt.

Figur 7 zeigt schematisch einen weiteren Verfahrensschritt, wobei ein Halbleiterschichtenstapel 4 mittels eines Pick-and- Place-Verfahrens mechanisch vom Wachstumssubstrat 1 abgelöst und auf einen Träger 8 transferiert wird. Aufgrund der schwachen Van-der-Waals-Bindungen innerhalb der ersten Zwischenschicht 3 und innerhalb der zweiten Zwischenschicht 6 löst sich der Halbleiterschichtenstapel 4 in der Regel an oder innerhalb einer der Zwischenschichten 3, 6 mechanisch ab. Die Zwischenschicht, an der die mechanische Ablösung erfolgt, kann dabei zufällig sein. Da der Halbleiterschichtenstapel 4 in einem weiteren Verfahrensschritt bis zur Ätzstoppschicht 7 abgetragen wird, ist es unwesentlich, ob die mechanische Ablösung an der ersten Zwischenschicht 3 oder an der zweiten Zwischenschicht 6 erfolgt. Amorphes Halbleitermaterial 41, das sich nach dem Transfer auf den Träger 8 noch am Rand des Halbleiterschichtenstapels 4 befinden kann, wird in einem weiteren Verfahrensschritt entfernt. Dazu eignet sich beispielsweise ein Ätzschritt zur Facettierung und/oder Bearbeitung der Seitenflächen 43 des Halbleiterschichtenstapels 4.

Der Träger 8 kann zur Wärmeableitung eingerichtet sein und beispielsweise ein metallisches Substrat umfassen. Des Weiteren weist der Träger 8 eine elektrische Kontaktschicht zur Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 42 auf.

Darüber hinaus weist der Träger 8 einen Spiegel, eine reflektierende Schicht oder eine reflektierende Schichtenfolge, beispielsweise einen dielektrischen Bragg- Reflektor 11, auf. Diese sind dazu eingerichtet, einen Teil einer optischen Kavität zu bilden, in der die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 angeordnet wird.

Figur 8 zeigt schematisch einen weiteren Verfahrensschritt, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 nach dem Transfer auf den Träger 8 bis zur Ätzstoppschicht 7 abgetragen ist. Des Weiteren ist eine elektrische Kontaktschicht 9 aufgebracht. Das Abtragen bis zur Ätzstoppschicht 7 erfolgt beispielsweise durch ein nass- oder trockenchemisches Ätzverfahren oder durch ein mechanisches Schleif- oder Polierverfahren. Da die elektromagnetische Strahlung im Betrieb über die dem Träger 8 abgewandte Hauptfläche 45 des Halbleiterschichtenstapels 4 ausgekoppelt wird, umfasst die Kontaktschicht 9 ein transparentes, elektrisch leitendes Material, beispielsweise Indiumzinnoxid. Figur 9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleiterlaserdiode mit einer epitaktischen

Halbleiterschichtenfolge 42 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 42 weist eine aktive Schicht 5 und eine Ätzstoppschicht 7 auf und ist auf einem Substrat 1 mit einer Maskenschicht 2 und einer ersten Zwischenschicht 3 epitaktisch gewachsen. Dabei bildet sich amorphes Halbleitermaterial 41 auf dem inhomogenen Bereich der ersten Zwischenschicht 31 über dem Träger, als auch auf dem Rand 23 der Öffnungen 21 in der Maskenschicht 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche der Öffnung größer als die Fläche der Apertur der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Öffnungen 21 ungefähr 40 Mikrometer.

Figur 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel, die einen Halbleiterschichtenstapel 4 mit einer aktiven Schicht 5 aufweist. Die Seitenflächen 43 des Halbleiterschichtenstapels 4 müssen dabei nicht vertikal ausgebildet sein. Der Halbleiterschichtenstapel 4 ist zwischen zwei dielektrischen Bragg-Reflektoren 11 angeordnet, die eine optische Kavität bilden. Der dielektrische Bragg- Reflektor 11, der auf der dem Träger 8 abgewandten Hauptfläche 45 des Halbleiterschichtenstapels 4 angeordnet ist, ist gekrümmt. Dadurch werden einerseits potentielle Probleme durch leicht verkantet angeordnete dielektrische Bragg-Reflektoren 11 verringert. Andererseits wird dadurch das Modenprofil der im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung 13 beeinflusst. In diesem Ausführungsbeispiel wird die elektromagnetische Strahlung 13 über die dem Träger 8 abgewandte Hauptfläche 45 des Halbleiterschichtenstapels 4 ausgekoppelt. Auf dem Halbleiterschichtenstapel 4 ist eine Kontaktschicht 9 aus einem TCO-Material sowie eine elektrisch isolierende Schicht 91, beispielsweise aus Siliziumoxid, angeordnet. Die elektrisch isolierende Schicht 91 ist bevorzugt ringförmig ausgebildet und definiert insbesondere die Fläche der Apertur 10 der Halbleiterlaserdiode. Die Kontaktschicht 9 ist über eine elektrische Anschlussstelle 92 elektrisch kontaktiert, welche die Apertur 10 der Halbleiterlaserdiode bevorzugt vollständig umringt. Der Halbleiterschichtenstapel 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine größere laterale Ausdehnung als die der Apertur 10 auf. Beispielsweise beträgt die laterale Ausdehnung des Halbleiterschichtenstapels 440 Mikrometer, während die Apertur 10 einen Durchmesser von 10 Mikrometern aufweist. Das Halbleitermaterial in einem Bereich, der sich lateral außerhalb der Apertur 10 befindet, bleibt dabei im Betrieb der Halbleiterlaserdiode inaktiv und trägt nicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung bei. Dieses Halbleitermaterial ist zur Wärmeableitung eingerichtet. Der Träger 8 umfasst beispielsweise Kupfer, Silizium oder Galliumnitrid, sowie eine Hybridschicht 81. Die Hybridschicht 81 umfasst ein Metall, beispielsweise Silber, und einen dielektrischen Bragg-Reflektor 11.

Figur 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu Figur 9 sind dabei die Wachstumsbedingungen so eingestellt, beispielsweise durch geeignete Wahl der Wachstumstemperatur und/oder der Wachstumsraten, dass sich oberhalb der Ätzstoppschicht 7 vertikale Seitenflächen 43 ausbilden. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Fläche der Öffnung 21 der Fläche der Apertur 10 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Öffnungen 21 ungefähr 10 Mikrometer. Unterhalb der Ätzstoppschicht 7 weist die Seitenfläche 43 eine beliebige Form auf. Dieser Teil der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 42 wird in einem späteren Verfahrensschritt durch Abtragen der Halbleiterschichtenfolge bis zur Ätzstoppschicht 7 entfernt.

Figur 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die einen

Halbleiterschichtenstapel 4 mit einer aktiven Schicht 5 umfasst. Der Halbleiterschichtenstapel 4 weist vertikale Seitenflächen 43 auf. Des Weiteren entspricht die laterale Ausdehnung des Halbleiterschichtenstapels 4 dem Durchmesser der Apertur 10. Die laterale Ausdehnung des

Halbleiterschichtenstapels 4 beträgt beispielsweise ungefähr 10 Mikrometer. Der Halbleiterschichtenstapel 4 ist zwischen zwei dielektrischen Bragg-Reflektoren 11 angeordnet, die eine optische Kavität bilden. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die beiden dielektrischen Bragg-Reflektoren 11 flache Hauptflächen auf, es können aber auch einer oder beide dielektrische Bragg-Reflektoren 11 gekrümmt ausgeführt sein.

Die im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung 13 wird über die dem Träger 8 abgewandte Hauptfläche 45 des Halbleiterschichtenstapels 4 ausgekoppelt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 10 ist das gesamte Halbleitermaterial während des Betriebs der Halbleiterlaserdiode aktiv. Um im Betrieb Lichtstreuung an den Seitenflächen 43 des Halbleiterschichtenstapels 4 zu verringern, ist der Halbleiterschichtenstapel 4 durch einen zusätzlichen Ätzprozess oder durch entsprechende Bedingungen während des Wachstumsprozesses die glatte und senkrechte Seitenwänden ermöglichen facettiert, um besonders glatte Seitenflächen 43 zu erzeugen.

Zur Wärmeableitung ist der Halbleiterschichtenstapel 4 mit einer Ummantelung 12 umhüllt, die auf den Seitenflächen 43 des Halbleiterschichtenstapels 4 angeordnet ist. Die Ummantelung 12 dient gleichzeitig als Wellenleiter für die im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung 13. Der Brechungsindex der Ummantelung 12 ist kleiner als der Brechungsindex des Halbleitermaterials des

Halbleiterschichtenstapels 4. Dadurch wird elektromagnetische Strahlung innerhalb des Halbleiterschichtenstapels 4 an der Grenzfläche zur Ummantelung 12 reflektiert. Beispielsweise weist die Ummantelung 12 Aluminiumnitrid auf.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021118463.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugszeichenliste

1 Wachstumssubstrat

2 Maskenschicht

21 Öffnung

22 Durchmesser einer Öffnung

23 Rand einer Öffnung

3 erste Zwischenschicht

31 inhomogener Bereich der ersten Zwischenschicht

4 Halbleiterschichtenstapel

41 amorphes Halbleitermaterial

42 epitaktische Halbleiterschichtenfolge

43 Seitenfläche

44 Hauptfläche

45 dem Träger abgewandte Hauptfläche

5 aktive Schicht

6 zweite Zwischenschicht

61 inhomogener Bereich der zweiten Zwischenschicht

7 Ätzstoppschicht

8 Träger

81 Hybridschicht

9 Kontaktschicht

91 elektrisch isolierende Schicht

92 elektrische Anschlussstelle

10 Apertur

11 dielektrischer Bragg-Reflektor

12 Ummantelung

13 elektromagnetische Strahlung