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Es
werden ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips
sowie ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
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Bei
der Herstellung von hochdotierten und gleichzeitig kristallin hochwertigen
Halbleiterschichten in Halbleiterchips ist bei vielen Materialien,
insbesondere bei Breitbandhalbleitern, neben der eigentlichen Dotierung
eine Kodotierung mit einem zweiten Material erforderlich. Beispielsweise
wird im Falle einer angestrebten hohen p-Dotierung zur Erzeugung einer
erhöhten Ladungsträgerkonzentration, also einer
erhöhten Löcherkonzentration, ein Elektronenakzeptormaterial
eingebracht. Um gleichzeitig einer Degradation der Kristallqualität
entgegenzuwirken, wird zusätzlich ein Elektronendonatormaterial
als Kodotierung eingebracht, wodurch jedoch die elektrische Neutralität
des Kristalls zumindest teilweise wieder hergestellt wird. Die Kodotierung
kann damit unerwünscht aber durch das Herstellungsverfahren
erforderlich sein. Bei derart gemäß dem angeführten
Beispiel p-dotierten und gleichzeitig n-kodotierten Schichten ergibt
sich durch die Kodotierung jedoch eine nur geringe p-Dotierung oder
sogar eine intrinsische Ladungsträgerkonzentration oder
sogar eine n-Dotierung. Für eine hohe Löcherkonzentration
für die im genannten Beispiel angestrebte hohe p-Leitfähigkeit
muss die kompensierende Wirkung des Kodotierstoffs wieder aufgehoben
werden, was man als so genannte Aktivierung der elektrischen Leitfähigkeit, im
gegebenen Beispiel der p-Leitfähigkeit, beziehungsweise
als Aktivierung des Dotierstoffs bezeichnet.
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Die
elektrische Aktivierung von derartigen kodotierten Halbleitermaterialien
wird üblicherweise durch die Aktivierung in Form eines
rein thermischen Ausheilschritts erreicht. Dafür ist es
erforderlich, dass der Kodotierstoff leichter flüchtig
ist als der Dotierstoff und dass der Kodotierstoff durch den thermischen Ausheilschritt
zu einem gewissen Grad oder vollständig, also beispielsweise
von 0,001% bis zu 100%, aus der dotierten Halbleiterschicht ausgetrieben
werden kann. Dieses Verfahren ist beispielsweise für die Aktivierung
der p-Seite von GaN-basierten lichtemittierenden Dioden (LEDs) notwendig.
Für diese Aktivierung existieren etablierte Methoden beispielsweise
insbesondere auf der Basis von so genannten RTP-(„rapid
termal processing”-)Prozessen unter speziellen Atmosphären.
Konventionelle Aktivierungsprozesse finden bei Hochtemperatur von
700 bis 1000°C im Waferverbund in Form von RTP-Prozessen
oder auch bei geringerer Temperatur bei 500 bis 600°C im
Waferverbund im Rohrofen bei einer vergleichsweise deutlich längeren
Dauer und einer anderen Gasmischung statt.
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Die
bekannten Methoden funktionieren jedoch nur unzureichend, wenn aus
irgendeinem Grund die Diffusion des Kodotierstoffs aus dem dotierten
Halbleitermaterial unterbunden ist, wie es beispielsweise bei so
genannten vergrabenen p-dotierten Schichten der Fall ist. Dabei
gibt es deutliche Unterschiede in dem erreichbaren Aktivierungsgrad
für kodotierte p-Schichten, die offen liegen, das heißt, die
nahe einer Oberfläche des Kristalls liegen und für die
die beschriebenen herkömmlichen Methoden funktionieren,
und für p-dotierte Schichten, die unter einer oder mehreren
Schichten, insbesondere n-dotierten Schichten, vergraben sind. Letztere
können mit den bekannten Aktivierungsmethoden nur gering oder
gar nicht aktiviert werden. Die messbare Betriebsspannung von Bauelementen,
wie beispielsweise von LEDs, ist dadurch signifikant erhöht.
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Eine
Aufgabe zumindest einer Ausführungsform ist es, Verfahren
zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips anzugeben,
der zumindest eine dotierte funktionelle Schicht aufweist. Eine
Aufgabe von zumindest einer weiteren Ausführungsform ist
es, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen des Verfahrens und des Gegenstands sind in den
abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen
weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen
hervor.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung
eins optoelektronischen Halbleiterchips insbesondere die Schritte:
- A) Ausbilden einer Halbleiterschichtenfolge
mit zumindest einer dotierten funktionellen Schicht, die Bindungskomplexe
mit zumindest einem Dotierstoff und zumindest einem Kodotierstoff
aufweist, wobei einer ausgewählt aus dem Dotierstoff und
dem Kodotierstoff ein Elektronenakzeptor und der andere ein Elektronendonator
ist,
- B) Aktivieren des Dotierstoffs durch Aufbrechen der Bindungskomplexe
mittels Einbringen einer Energie, wobei der Kodotierstoff zumindest
teilweise in der Halbleiterschichtenfolge verbleibt und zumindest
teilweise keine Bindungskomplexe mit dem Dotierstoff bildet.
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Gemäß zumindest
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein optoelektronischer
Halbleiterchip insbesondere eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest
einer dotierten funktionellen Schicht mit einem Dotierstoff und
einem Kodotierstoff, wobei die Halbleiterschichtenfolge ein Halbleitermaterial
mit einer Gitterstruktur aufweist, einer ausgewählt aus dem
Dotierstoff und dem Kodotierstoff ein Elektronenakzeptor und der
andere ein Elektronendonator ist, der Kodotierstoff an das Halbleitermaterial
gebunden ist und/oder auf Zwischengitterplätzen angeordnet
ist und der Kodotierstoff zumindest teilweise keine Bindungskomplexe
mit dem Dotierstoff bildet.
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Die
im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen, Merkmale
und Kombinationen davon beziehen sich gleichermaßen auf
den optoelektronischen Halbleiterchip und auf das Verfahren zur
Herstellung des optoelektronischen Halbleiterchips soweit nichts
anderes explizit vermerkt ist.
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Dass
eine Schicht oder ein Element „auf” oder „über” einer
anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht
ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht
oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder
elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element
angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht
oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über
der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei
können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der
einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen
und dem anderen Element angeordnet sein.
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Dass
eine Schicht oder ein Element „zwischen” zwei
anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist, kann hier und im
Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element
unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt
oder in mittelbarem Kontakt zur einen der zwei anderen Schichten
oder Elementen und in direktem mechanischen und/oder elektrischen
Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur anderen der zwei anderen
Schichten oder Elementen angeordnet ist. Dabei können bei
mittelbarem Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen
der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten beziehungsweise
zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Element
angeordnet sein.
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Der
Begriff „dotierte funktionelle Schicht” bezeichnet
vorliegend stets eine Schicht mit einem Dotierstoff und einem Kodotierstoff
im oben beschriebenen Sinne.
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Durch
einen gezielten Energieeintrag im Verfahrensschritt B können
die Bindungskomplexe in der dotierten funktionellen Schicht, die
beispielsweise in Form von atomaren Bindungen zwischen dem Dotierstoff
und dem Kodotierstoff oder in Form von Bindungskomplexen zwischen
dem Dotierstoff, dem Kodotierstoff und dem Halbleitermaterial der
dotierten funktionellen Schicht vorliegen, dahingehend manipuliert
werden, dass die kompensierende Wirkung des Kodotierstoffs auf die
dotierenden Eigenschaften des eigentlichen Dotierstoffs aufgehoben
werden kann. Durch geeignete Prozessbedingungen kann durch das hier
beschriebene Verfahren eine direkte Wiederherstellung dieser aufgebrochenen Bindungen
beziehungsweise Bindungskomplexe im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren vermieden werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass
der Kodotierstoff an einer anderen Stelle, das heißt nicht am
Dotierstoff, im Kristallgitter des Halbleitermaterials der dotierten
funktionellen Schicht oder einer anderen Schicht der Halbleiterschichtenfolge
gebunden oder im Zwischengitter gelagert wird, wo er nicht mehr
kompensierend auf den Dotierstoff wirken kann. Dadurch steigt die
Anzahl der durch den Dotierstoff eingebrachten freien, also nicht
kompensierten, Ladungsträger, ohne dass der Kodotierstoff
aus der dotierten funktionellen Schicht oder aus der Halbleiterschichtenfolge
ausgetrieben werden muss. Aufgrund der so erreichbaren höheren
Leitfähigkeit sinkt auch die Betriebsspannung eines derart
aktivierten optoelektronischen Halbleiterchips.
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Dass
der Kodotierstoff zumindest teilweise keine Bindungskomplexe mit
dem Dotierstoff bildet, kann hier und im Folgenden insbesondere
bedeuten, dass zumindest ein Teil des Kodotierstoffs in der dotierten
funktionellen Schicht vorhanden ist, der keine Bindungskomplexe
mit einem Teil des Dotierstoffs bildet, so dass dieser Teil des
Dotierstoffs zur Erhöhung der Dichte von freien Ladungsträgern
in der dotierten funktionellen Schicht beitragen kann. Dabei umfasst der
Begriff „freie Ladungsträger” in einer
p-dotierten Schicht insbesondere Löcher, also Stellen,
an denen Elektronen fehlen und die maßgeblich zur elektrischen
Leitfähigkeit von p-leitenden Halbleitern beitragen, und
in einer n-dotierten Schicht Elektronen.
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Insbesondere
kann der optoelektronische Halbleiterchip als lichtemittierende
Diode (LED) oder als Laserdiode hergestellt werden beziehungsweise ausgebildet
sein und zumindest eine aktive Schicht mit einem aktiven Bereich
aufweisen, der geeignet ist, elektromagnetische Strahlung abzustrahlen.
Hier und im Folgenden kann „Licht” oder „elektromagnetische
Strahlung” gleichermaßen insbesondere elektromagnetische
Strahlung mit zumindest einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich
aus einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich
von größer oder gleich 200 nm und kleiner oder
gleich 20000 nm bedeuten. Dabei kann das Licht beziehungsweise die
elektromagnetische Strahlung einen sichtbaren, also einen nah-infraroten
bis blauen Wellenlängenbereich mit einer oder mehreren
Wellenlängen zwischen etwa 350 nm und etwa 1000 nm umfassen.
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Der
Halbleiterchip kann als aktiven Bereich in der aktiven Schicht beispielsweise
einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur
(SQW-Strukturen) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukturen)
aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen
der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger
durch Einschluss (”confinement”) eine Quantisierung
ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere
beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über
die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit
unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und
Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Die Halbleiterschichtenfolge
kann neben der aktiven Schicht mit dem aktiven Bereich weitere funktionelle
Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, ausgewählt
aus p- und n-dotierten Ladungsträgertransportschichten,
also Elektronen- und Lochtransportschichten, p-, n- und undotierten
Confinement-, Mantel- und Wellenleiterschichten, Barriereschichten,
Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und Elektroden
sowie Kombinationen der genannten Schichten. Die Elektroden können
dabei jeweils eine oder mehrere Metallschichten mit Ag, Au, Sn,
Ti, Pt, Pd, Cr, Al und/oder Ni und/oder eine oder mehrere Schichten
mit einem transparenten leitenden Oxid wie etwa Zinkoxid, Zinnoxid,
Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO) aufweisen.
Darüber hinaus können zusätzliche Schichten,
etwa Pufferschichten, Barriereschichten und/oder Schutzschichten
auch senkrecht zur Anordnungsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
beispielsweise um die Halbleiterschichtenfolge herum angeordnet
sein, also etwa auf den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge.
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Die
Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der Halbleiterchip kann
als Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge,
ausbildet werden beziehungsweise sein. Dabei kann der Halbleiterchip
beziehungsweise die Halbleiterschichtenfolge insbesondere als Nitrid-Halbleitersystem
ausgebildet werden beziehungsweise sein. Der Begriff Nitrid-Halbleitersystem umfasst
alle Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien. Es kann sich dabei
um eine Halbleiterstruktur aus einer binären, ternären
und/oder quaternären Verbindung von Elementen der III-Hauptgruppe
mit einem Nitrid handeln. Beispiele für derartige Materialien sind
BN, AlGaN, GaN, InAlGaN oder weitere III-V-Verbindungen. In diesem
Sinne kann die Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der Halbleiterchip
auf der Basis von InAlGaN ausgeführt sein. Unter InAlGaN-basierte
Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere
solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge
in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten
aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die
ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yN
mit 0 ≤ x 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1
aufweist.
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Halbleiterschichtenfolgen,
die zumindest eine aktive Schicht auf Basis auf InGaAlN aufweisen, können
beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten
bis grünen oder grün-gelben Wellenlängenbereich
emittieren.
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Weiterhin
kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis von
AlGaAs ausgeführt sein. Unter AlGaAs-basierten Halbleiterchips
und Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen
die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge in der Regel
eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist,
die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus
dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem AlxGa1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweist.
Insbesondere kann eine aktive Schicht, die ein auf AlGaAs basierendes Material
aufweist, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer
oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten
Wellenlängenbereich zu emittieren. Weiterhin kann ein derartiges Material
zusätzlich oder alternativ zu den genannten Elementen In
und/oder P aufweisen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch
auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge
unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens
eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yP
mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und
x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen oder Halbleiterchips, die
zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können
beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer
oder mehreren spektralen Komponenten in einen grünen bis
roten Wellenlängenbereich emittieren.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder
der Halbleiterchip neben oder anstelle der III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme
auch II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterial
kann wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe oder der
zweiten Nebengruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, Cd, Zn,
Sn, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise
O, S, Se, Te, aufweisen. Insbesondere umfasst ein II-VI-Verbindungs-Halbleitermaterial
eine binäre, ternäre oder quaternäre
Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe oder
zweiten Nebengruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten
Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre
oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein
oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile
aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien:
ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
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Alle
vorab angegebenen Materialien müssen nicht zwingend eine
mathematisch exakte Zusammensetzung nach den angegebenen Formeln
aufweisen. Vielmehr können sie ein oder mehrere weitere
Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen,
die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen
nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhalten die angegebenen
Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch
wenn diese teilweise durch geringe Menge weiterer Stoffe ersetzt
sein können.
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Die
Halbleiterschichtenfolge kann weiterhin ein Substrat aufweisen,
auf dem die oben genannten III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme
abgeschieden sind. Das Substrat kann dabei ein Halbleitermaterial,
beispielsweise ein oben genanntes Verbindungshalbleitermaterialsystem,
umfassen. Beispielsweise kann das Substrat GaP, GaN, SiC, Si und/oder
Ge oder auch Saphir umfassen oder aus einem solchen Material sein.
Das Substrat kann als Aufwachssubstrat ausgebildet sein, das bedeutet, dass
die Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat epitaktisch aufgewachsen
ist und dass die vom Substrat am weitesten entfernt angeordnete
funktionelle Schicht der Halbleiterschichtenfolge die in Aufwachsrichtung
zu Oberst liegende Schicht ist. Alternativ dazu kann das Substrat
auch als Trägersubstrat ausgebildet sein, auf das ein auf
eine zuvor auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge
beispielsweise durch Umbonden derart übertragen wird, dass
die auf dem Aufwachssubstrat in Aufwachsrichtung zuoberst liegende
Schicht der Halbleiterschichtenfolge nach dem Umbonden dem Trägersubstrat
am nächsten liegt. Das Aufwachssubstrat kann nach dem Übertragungsschritt
teilweise oder ganz entfernt werden, so dass die zuerst auf dem
Aufwachssubstrat aufgewachsene Schicht der Halbleiterschichtenfolge
freigelegt werden kann. Insbesondere kann ein optoelektronischer
Halbleiterchip mit einem Trägersubstrat als Dünnfilm-Halbleiterchip
ausgebildet werden beziehungsweise sein.
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Dünnfilm-Halbleiterchips
zeichnen sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen
Merkmale aus:
- – An einer zu einem
Träger hin gewandten ersten Hauptfläche einer
strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende
Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der
in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung
in diese zurückreflektiert;
- – die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich
von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm
auf; und
- – die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine
Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd
ergodischen Verteilung der Strahlung in der Epitaxieschichtenfolge führt,
d. h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches
Streuverhalten auf.
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Ein
Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise
in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober
1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern
hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Im
Verfahrensschritt A kann als Halbleiterschichtenfolge beispielsweise
die dotierte funktionelle Schicht in Form einer Einzelschicht oder
in Form eines dotierten funktionellen Schichtenstapels bereitgestellt
werden. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge als teilweise
fertig ausgebildeter Teil des Halbleiterchips bereitgestellt beziehungsweise
ausgebildet werden. Das kann beispielsweise bedeuten, dass die Halbleiterschichtenfolge
ein Substrat, etwa ein Aufwachssubstrat, aufweist, auf dem eine
Mehrzahl von funktionellen Schichten einschließlich der dotierten
funktionellen Schicht mit dem Dotierstoff und dem Kodotierstoff
als in Aufwachsrichtung zu Oberst liegender Schicht aufgewachsen
werden. Alternativ kann das Substrat ein Trägersubstrat
sein, auf das eine Halbleiterschichtenfolge mit einer dotierten
funktionellen Schicht übertragen wird und das Aufwachssubstrat
anschließend entfernt wird, so dass die dotierte funktionelle
Schicht freigelegt wird.
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Weiterhin
kann die Halbleiterschichtenfolge im Verfahrensschritt A mit einer
Mehrzahl von funktionellen Schichten ausgebildet werden, wobei die
dotierte funktionelle Schicht mit dem Dotierstoff und dem Kodotierstoff
zwischen zwei weiteren funktionellen Schichten angeordnet ist, so
dass die dotierte funktionelle Schicht als keine der Halbleiterschichtenfolge
zu Oberst liegende Schicht ausgebildet ist. Sind in Aufwachsrichtung über
sowie unter der dotierten funktionellen Schicht jeweils eine oder
eine Mehrzahl von weiteren funktionellen Schichten angeordnet, wobei
zumindest die direkt zur dotierten funktionellen Schicht benachbarten
Schichten verschieden von der dotierten funktionellen Schicht, insbesondere verschieden
dotiert, sind, so kann die dotierte funktionelle Schicht hier und
im Folgenden auch als so genannte „vergrabene” Schicht
bezeichnet werden.
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Insbesondere
kann der Halbleiterchip im Verfahrensschritt A bereits fertig gestellt
werden, das bedeutet, dass die Halbleiterschichtenfolge nach dem
Verfahrensschritt A bereits alle für den Betrieb des Halbleiterchips
erforderlichen funktionellen Schichten der Halbleiterschichtenfolge
aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge kann dabei beispielsweise in
einem Waferverbund ausgebildet werden. Die derart fertig gestellte
Halbleiterschichtenfolge kann dabei im Waferverbund oder weiterhin
bereits einzelnen Halbleiterchips entsprechend vereinzelt nach Ausführung
des Verfahrensschritts A ausgebildet und bereitgestellt sein.
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Der
Halbleiterchip beziehungsweise die Halbleiterschichtenfolge kann
beispielsweise zwischen einer p-dotierten Schicht und einer in Wachstumsrichtung
nachfolgenden n-dotierten Schicht einen aktiven Bereich aufweisen,
so dass die Polarität in Wachstumsrichtung gesehen gegenüber
einem herkömmlichen Halbleiterchip, bei dem der p-dotierte Bereich
in Wachstumsrichtung dem n-dotierten Bereich nachfolgt, invertiert
ist. Je nach Ausbildung des Halbleiterchips mit einem Aufwachssubstrat
oder einem Trägersubstrat kann die n-dotierte Schicht oder auch
die p-dotierte Schicht als die vergrabene dotierte funktionelle
Schicht ausgebildet sein.
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Eine
vergrabene dotierte funktionelle Schicht kann weiterhin beispielsweise
bei einem optoelektronischen Halbleiterchip mit zumindest einem
Tunnelübergang mit mindestens einer n-dotierten („n-Typ”) Tunnelübergangsschicht
und mindestens einer p-dotierten („p-Typ”) Tunnelübergangsschicht
ausgebildet werden. Die zumindest eine dotierte funktionelle Schicht
mit dem Dotierstoff und dem Kodotierstoff kann dabei durch die mindestens
eine n-dotierte Tunnelübergangsschicht oder durch die mindestens
eine p-dotierte Tunnelübergangsschicht gebildet sein. Dem
Tunnelübergang kann dabei innerhalb der Halbleiterschichtenfolge
in einer von einem Substrat weggewandten Richtung eine aktive Schicht
mit einem aktiven Bereich nachgeordnet sein. Dabei kann zwischen
der mindestens einen n-Typ Tunnelübergangsschicht und der
mindestens einen p-Typ Tunnelübergangsschicht ein undotierter
Bereich aus mindestens einer undotierten Zwischenschicht angeordnet
sein, so dass die n-Typ Tunnelübergangsschicht und die
p-Typ Tunnelübergangsschicht nicht direkt aneinander angrenzen,
sondern durch mindestens eine undotierte Zwischenschicht voneinander separiert
sind. Der Begriff ”Tunnelübergangsschicht” wird
dabei zur Unterscheidung von den übrigen funktionellen
Schichten der Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise des Halbleiterchips
verwendet und bedeutet, dass die so bezeichnete n-Typ Tunnelübergangsschicht
oder p-Typ Tunnelübergangsschicht in dem Tunnelübergang
angeordnet ist.
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Dadurch,
dass die n-Typ Tunnelübergangsschicht und die p-Typ Tunnelübergangsschicht
durch den undotierten Bereich voneinander separiert sind, wird eine
nachteilige Kompensation der unterschiedlichen Ladungsträger
an der Grenzfläche verhindert, die ansonsten aufgrund der
Diffusion von Ladungsträgern über die Grenzfläche
auftreten würde, wenn die p-Typ Tunnelübergangschicht
und die n-Typ-Tunnelübergangsschicht direkt aneinander
angrenzen würden. Zwar wird auch durch das Einfügen
des undotierten Bereichs zwischen der n-Typ Tunnelübergangsschicht
und der p-Typ Tunnelübergangsschicht ein Bereich mit einer
nur geringen Ladungsträgerdichte innerhalb des Tunnelübergangs
erzeugt, jedoch kann auch erreicht werden, dass sich dieser in Form
von einer oder mehreren undotierten Zwischenschichten eingefügte
undotierte Bereich weniger nachteilig auf die elektrischen Eigenschaften
des Tunnelübergangs, insbesondere auf die Vorwärtsspannung,
auswirkt, als ein Bereich an der Grenzfläche zwischen einer
n-Typ Tunnelübergangsschicht und einer unmittelbar angrenzenden
p-Typ Tunnelübergangsschicht, in dem sich Ladungsträger
aufgrund der Diffusion über die Grenzfläche gegenseitig kompensieren.
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Weiterhin
kann die Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der Halbleiterchip
als gestapelte LED mit einer Mehrzahl von übereinander
aufgewachsenen aktiven Schichten ausgebildet werden, wobei jede
der aktiven Schichten jeweils zwischen zumindest einer n-dotierten
Schicht und einer p-dotierten Schicht, auch in Kombination beispielsweise mit
Tunnelübergangsschichten, angeordnet ist. Dadurch kann
eine als gestapelte LED ausgebildete Halbleiterschichtenfolge zumindest
eine vergrabene dotierte funktionelle Schicht aufweisen.
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Die
vorab beschriebenen Strukturen für die Halbleiterschichtenfolge
beziehungsweise den Halbleiterchip in Form von regulären
oder invertierten Polaritäten, Tunnelübergangsschichten
und gestapelten aktiven Bereichen sind dem Fachmann bekannt und
werden hier nicht weiter ausgeführt. All diesen Strukturen
ist gemein, dass sie vergrabene dotierte funktionelle Schichten
aufweisen können, die einen Dotierstoff und einen Kodotierstoff
aufweisen können und die benachbart zu Schichten sind,
die als Diffusionsbarrieren für den Kodotierstoff wirken
können. Bei derartigen vergrabenen dotierten funktionellen Schichten
kann daher eine herkömmliche Aktivierung des Dotierstoffs
beispielsweise mittels eines herkömmlichen oben beschriebenen
RTP-Verfahrens kaum oder gar nicht möglich sein.
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Der
Dotierstoff für eine p-dotierten funktionelle Schicht,
das heißt mindestens ein geeigneter Elektronenakzeptor,
kann zumindest bei hohen zu erreichenden Dotierstärken
in der Regel nicht in einer reinen Form in das Halbleitermaterial
der dotierten funktionellen Schicht eingebracht werden. Stattdessen liegt
der Dotierstoff in einem Komplex mit mindestens einem weiteren Stoff,
dem Kodotierstoff, vor. Dieser weitere Stoff wirkt oftmals als ein
Elektronendonator für das Halbleitermaterial, der das Elektronenakzeptormaterial,
also den Dotierstoff, in seiner elektrischen Wirkung kompensiert.
Insbesondere kann die dotierte funktionelle Schicht somit eine p-dotierte Schicht
sein, bei der der Dotierstoff ein Elektronenakzeptormaterial aufweist
oder ist, während der Kodotierstoff ein Elektronendonatormaterial
aufweist oder ist. Der Aktivierungsschritt gemäß Verfahrensschritt B
ist geeignet, die elektrische Wirkung zumindest eines Teils des
Dotierstoffs innerhalb des Halbleitermaterials dauerhaft herzustellen,
das heißt, sie ist geeignet, die p-Leitfähigkeit
zu erhöhen.
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Besonders
bevorzugt weist der Dotierstoff in einem Breitbandhalbleitersystem
wie etwa in einem Nitrid-Verbindungshalbleitersystem für
eine p-dotierte funktionelle Schicht Magnesium auf oder ist Magnesium.
Das Magnesium wird in der Regel in einem Komplex mit Wasserstoff
als Kodotierstoff in das Halbleitermaterial eingebaut. Durch den
Aktivierungsschritt gemäß Verfahrensschritt B
wird die elektrische Wirkung zumindest eines Teils des Magnesiums
als p-Dotierstoff, die durch den Wasserstoff kompensiert wird, hergestellt.
In einem II-VI-Verbindungshalbleitersystem wie etwa ZnSe weist der
Dotierstoff beispielsweise Stickstoff auf oder ist Stickstoff. Der
Kodotierstoff kann auch hier bevorzugt Wasserstoff sein.
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Alternativ
kann die dotierte funktionelle Schicht auch eine n-dotierte Schicht
sein, das heißt, dass der Dotierstoff Elektronendonatormaterial
ist, während der Kodotierstoff ein Elektronenakzeptormaterial
ist. Dies kann beispielsweise besonders geeignet für Halbleitermaterialien
mit relativ geringer Bandlücke, etwa Verbindungshalbeitermaterialien basierend
auf CdTe oder GaAs, sein.
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Da
das Austreiben des Kodotierstoffs beim hier beschriebenen Verfahren
nicht erforderlich ist, eignet es sich insbesondere für
dotierte funktionelle Schichten, aus denen der Kodotierstoff aus
fundamentalen Gründen nicht ausdiffundieren kann, etwa, weil
die dotierte funktionelle Schicht eine im obigen Sinne vergrabene
Schicht ist. Das hier beschriebene Verfahren kann daher erstmals
die Möglichkeit bieten, auch diese Schichten zu aktivieren.
Für oben beschriebene PILS („polarity inverted
LED structures”) sowie gestapelte LEDs, etwa auf der Basis
von GaN oder anderen der oben genannten Verbindungshalbleitermaterialien,
ist diese Art der Aktivierung essentiell, da in diesen Fällen
eine p-dotierte funktionelle Schicht, beispielsweise mit Mg als
Dotierstoff und Wasserstoff als Kodotierstoff durch einen RTP-basierten
Temperschritt, der ausschließlich auf den Austrieb des
Kodotierstoffs zielt, nicht aktiviert werden kann.
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Zur
Erreichung einer gezielten und möglichst permanenten Aufbrechung
der für den Dotierstoff passivierenden Bindung des Kodotierstoffs
zum Dotierstoff oder auch zu Kristallatomen ist die Zufuhr und das
Einbringen von Energie notwendig. Dabei kann im Verfahrensschritt
B die Energie durch Erzeugung eines Stroms in der dotierten funktionellen Schicht
eingebracht werden. Dies kann hier und im Folgenden auch als so
genannte „elektrische Aktivierung” bezeichnet
werden. Bei der elektrischen Aktivierung kann zumindest die dotierte
funktionelle Schicht an eine externe Stromquelle elektrisch angeschlossen
werden. Weiterhin kann beispielsweise ein im Verfahrensschritt A
hinsichtlich der Halbleiterschichtenfolge bereits fertig hergestellter
und ausgebildeter optoelektronische Halbleiterchip für
einen bestimmten Zeitraum elektrisch betrieben werden, das heißt
an eine externe Strom- und Spannungsquelle angeschlossen werden.
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Der
optoelektronische Halbleiterchip kann sich dabei noch im Waferverbund
befinden, so dass eine Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterchips
beziehungsweise Halbleiterschichtenfolgen gleichzeitig aktiviert
werden können. Alternativ dazu kann der Halbleiterchip
bereits im Verfahrensschritt A vereinzelt und damit aus dem Waferverbund
herausgelöst sein, so dass der Halbleiterchip individuell
und unabhängig von weiteren Halbleiterchip des Waferverbunds
aktiviert werden kann. Hinsichtlich der im Folgenden beschriebenen
erforderlichen Stromdichten kann eine elektrische Aktivierung einer
vereinzelten Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise eines vereinzelten
optoelektronischen Halbleiterchips vorteilhaft sein, da eine Skalierung
dieser Methode auf größere Waferscheiben technologisch
nur eingeschränkt möglich sein kann.
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Alternativ
dazu kann der Strom kontaktlos durch Induktion mittels einer externen
geeigneten Spulenanordnung erzeugt werden. Dabei kann in einer Ebene
parallel zur Erstreckungsebene der dotierten funktionellen Schicht
zumindest in der dotierten funktionellen Schicht oder zusätzlich
auch in weiteren Schichten der Halbleiterschichtenfolge ein Kreisstrom
beziehungsweise eine Mehrzahl von Kreisströmen senkrecht
zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge und damit senkrecht
zur betriebsbedingten Stromrichtung des Halbleiterchips gerichtet erzeugt
werden.
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Wird
die Halbleiterschichtenfolge im Verfahrensschritt A beispielsweise
auf einem elektrisch isolierenden Saphirsubstrat als Aufwachssubstrat
ausgebildet, kann die elektrische Aktivierung durch elektrischen
Anschluss nach dem Umbonden der Halbleiterschichtenfolge auf ein
elektrisch leitendes Trägersubstrat und nach dem Entfernen
des Aufwachssubstrats stattfinden. Alternativ oder zusätzlich
dazu kann bereits vor einem gegebenenfalls nicht mehr erforderlichen
Umbondschritt die elektrische Aktivierung mittels Induktion durchgeführt
werden.
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Bei
der elektrischen Aktivierung, sowohl durch elektrischen Anschluss
wie auch durch Induktion, kann ein stetiger Abfall der nötigen
Betriebsspannung auf einen minimalen Wert beobachtet werden, der
permanent verbleibt. Dabei kann die erzeugte Stromdichte größer
oder gleich 50 A/cm2 sein, wobei höhere
Stromdichten die Aktivierung beschleunigen können.
-
Weiterhin
kann besonders bevorzugt zusätzlich zur Erzeugung des Stroms
eine Wärmeenergie zugeführt werden, so dass die
Temperatur der Halbleiterschichtenfolge oder des optoelektronischen Halbleiterchips,
zumindest aber die Temperatur der dotierten funktionellen Schicht,
erhöht ist. Die Temperatur der dotierten funktionellen
Schicht sollte größer oder gleich etwa 80°C
und besonders bevorzugt größer oder gleich 100°C
sein. Weiterhin kann die erzeugte Stromdichte bei derartigen Temperaturen
größer oder gleich 10 A/cm2 sein.
Im Vergleich zu bekannten Aktivierungsverfahren kann die Temperatur bei
den hier beschriebenen Aktivierungsmethoden kleiner oder gleich
400°C und weiterhin kleiner oder gleich 300°C
sein. Mit zunehmend höheren Temperaturen kann sich die
Aktivierung nahezu exponentiell beschleunigen, was gleichzeitig
geringere erforderliche Stromdichten ermöglichen kann.
Es wurde durch Messungen festgestellt, dass sich bei etwa 300°C beispielsweise
bereits nach etwa 1 Minute eine Sättigung im Abfall der
Betriebsspannung einstellen kann. Die Aktivierungszeit muss sehr
genau, das heißt insbesondere nicht zu lange gewählt werden,
da sich sonst ein zusätzlicher Abfall der Lichtemission
durch Alterung der Halbleiterschichtenfolge einstellen kann. Allerdings
gibt es einen Parameterraum, innerhalb dem die Alterung deutlich
später einsetzt und langsamer verläuft als die
Sättigung auf einem reduzierten Niveau der Betriebsspannung
erfolgt. Insbesondere kann die Aktivierungszeit sowohl bei der elektrischen
Aktivierung als auch bei den im Folgenden beschriebenen alternativen
und zusätzlichen Aktivierungsprozessen kleiner oder gleich
10 Minuten dauern, und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 5
Minuten.
-
Die
Wärmeenergie kann durch eine externe Wärmequelle,
also etwa eine Heizung, zugeführt werden. Alternativ oder
zusätzlich kann die Wärmeenergie auch durch den
erzeugten Strom selbst aufgrund ohmscher Verluste zugeführt
werden. Durch den Einfluss von der durch die eingebrachte Wärmeenergie
erzeugte erhöhte Temperatur in Kombination mit dem erzeugten
Stromfluss kann der Kodotierstoff, also beispielsweise der oben
genannte Wasserstoff, so umgelagert werden, dass der eigentliche
Dotierstoff, also beispielsweise das oben genannten Magnesium, aktiviert
wird.
-
Alternativ
oder zusätzlich zum Erzeugen eines Stroms und/oder zum
Einbringen einer Wärmeenergie kann im Verfahrensschritt
B das Einbringen einer Energie durch Einstrahlung einer elektromagnetischen
Strahlung erfolgen. Dies kann hier und im Folgenden auch als „elektromagnetische
Aktivierung” bezeichnet werden. Eine elektromagnetische
Aktivierung kann bedeuten, dass die im Verfahrensschritt A ausgebildete
Halbleiterschichtenfolge mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt
werden kann, welche resonant oder nicht-resonant mit Absorptionswellenlängen
oder Absorptionsbanden der dotierten funktionellen Schichten und/oder
weiteren Schichten der Halbleiterschichtenfolge ist.
-
Durch
die Einstrahlung einer elektromagnetischen Strahlung kann es beispielsweise
möglich sein, dass zusätzliche Ladungsträger
erzeugt werden, die in Verbindung mit der oben genannten elektrischen
Aktivierung einen größeren induzierten Strom ermöglichen.
Dies kann insbesondere auch dann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise
intrinsisch nur sehr wenige beziehungsweise keine freien Ladungsträger
in der dotierten funktionellen Schicht vorhanden sind. Weiterhin
können bei einer resonanten Bestrahlung Ladungsträger
gezielt in den Schichten angeregt werden, in denen die Aktivierung
stattfinden soll, also etwa in der dotierten funktionellen Schicht.
Weiterhin kann die Aktivierung der dotierten funktionellen Schicht
alleine durch elektromagnetische Aktivierung erfolgen.
-
Die
Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung bestimmt
hierbei die Art der elektromagnetischen Aktivierung. Bei Verwendung von
Mikrowellenstrahlung, also elektromagnetischer Strahlung mit einer
Wellenlänge von größer oder gleich etwa
1 Millimeter und kleiner oder gleich etwa 1 Meter beziehungsweise
einer Frequenz von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz, erfolgt die Aktivierung bei
typischen Halbleitermaterialien in der Regel nicht resonant. Dabei
kann der Energieübertrag auf atomare Bindungen unter anderem
durch Anregungen von Rotonen und/oder Phononen erfolgen. Phononen
können dabei in der dotierten funktionellen Schicht typischerweise
Anregungsenergien von einigen 10 meV aufweisen, Rotonen können
typische Anregungsenergien von weniger als 1 meV bis zu einigen
Millielektronenvolt aufweisen. Rotonen können dabei Eigenrotationen
von Atomen sowie auch von Komplexen wie etwa Exzitonen umfassen.
Bei Verwendung von so genannter Terahertzstrahlung, also elektromagnetischer
Strahlung mit einer Wellenlänge von größer
oder gleich etwa 100 Mikrometern und kleiner oder gleich etwa 1
Millimeter beziehungsweise einer Frequenz von etwa 300 GHz bis etwa
3 THz, handelt es sich bei üblichen Halbleitermaterialien
in der Regel um eine resonante Aktivierung, bei der Gitterschwingungen,
also Phononeu, direkt erzeugt werden können.
-
Die
Prozessbedingungen wie etwa Frequenz, Leistung, Atmosphäre,
Zeit, zusätzliche Susceptoren, die die elektromagnetische
Strahlung absorbieren können, definieren Grad und Erfolg
der elektromagnetischen Aktivierung. Insbesondere kann die elektromagnetische
Aktivierung auch mittels einer Mischung aus resonanter und nicht-resonanter Aktivierung
erfolgen. Beispielsweise kann für eine vergrabene dotierte
funktionelle Schicht aus p-GaN die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen
Strahlung zwischen 5 und 10 GHz bei einer Leistung von 100 bis 4000
Watt liegen. Die Einstrahlung kann dabei bevorzugt über
einen Zeitraum von 10 Sekunden bis zu einer Stunde erfolgen. Um
so genannte „hot spots” und ein so genanntes „arcing”, also
lokale Überhitzungen und Überschläge,
zu vermeiden, kann die Frequenz auch variiert werden. Weiterhin
kann zusätzlich oder alternativ die Halbleiterschichtenfolge
relativ zur Vorrichtung zur Einstrahlung der elektromagnetischen
Strahlung oder umgekehrt rotiert und/oder translatiert werden.
-
Die
Aktivierung mittels elektromagnetischer Strahlung bietet den zusätzlichen
Vorteil, überall im Chipdurchlauf anwendbar zu sein. Bei
konventioneller thermischer Aktivierung ist der Aktivierungsschritt immer
einer der ersten Prozessierungsschritte im Rahmen eines Chipdurchlaufes,
da hierfür wie oben beschrieben typischerweise eine sehr
hohe Temperatur, beispielsweise über 700°C, benötigt
wird; diese hohen Temperaturen schädigen im allgemeinen
viele der ”Folge-Komponenten” beziehungsweise „Folge-Schichten”,
die innerhalb des Verfahrensschritts A in einem Chipdurchlauf sukzessive
auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden. Eine gezielte Ankoppelung
der elektromagnetischen Strahlung an das verwendete Material, beispielsweise
eine dotierte funktionelle Schicht aus p-GaN, dagegen erlaubt es,
diesen Prozessschritt zu einem späteren Zeitpunkt in den
Prozessdurchlauf zu integrieren, da die Welleneigenschaften der
elektromagnetischen Strahlung gerade so eingestellt werden können,
dass die Aktivierungsenergie stark selektiv genau dort, und nahezu
nur dort, einkoppelt, wo sie „gebraucht” wird,
nämlich beispielsweise in den zu aktivierenden Dotierstoff-Kodotierstoff-
bzw. Dotierstoff-Kodotierstoff-Halbleiterkristall-Bindungskomplexen.
Damit wird mehr Freiheit im Design und im so genannten Chip-Flow
beispielsweise hinsichtlich der möglichen Reihenfolge der
Einzelprozesse ermöglicht. Darüber hinaus kann
die Aktivierungseffizienz gesteigert werden, beispielsweise dadurch,
dass die Aktivierung nach dem Mesa-Ätzen durchgeführt
wird, also zu einem Zeitpunkt, zu dem eine größere
offene Kristall-Fläche durch die erzeugten Meseten vorliegt
und so der Kodotierstoff besser abtransportiert werden kann.
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Die
in Verfahrensschritt A ausgebildete Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise
der optoelektronische Halbleiterchip kann dabei auch mehrere, das
bedeutet zumindest zwei, zueinander direkt benachbart angeordnete
dotierte funktionelle Schichten oder mehrere dotierte funktionelle
Schichten aufweisen, zwischen denen weitere funktionelle Schichten angeordnet
sind. Die Aktivierung der mehreren dotierten funktionellen Schichten
kann im Verfahrensschritt B gleichzeitig erfolgen. Alternativ dazu
kann jede der dotierten funktionellen Schichten in einem jeweils
hinsichtlich der oben genannten Parameter zur Aktivierung angepassten
Verfahrensschritt B aktiviert werden.
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Der
Nachweis einer Änderung der lokalen Bindungszustände
des Kodotierstoffs kann auf verschiedene Arten erfolgen beziehungsweise
vorgenommen werden. Eine besonders sensitive Methode stellt die
Spinresonanz dar, wie beispielsweise in der Druckschrift Zeanut et
al., APL 95, 1884 (2004) beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt
insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Eine geänderte
Bindung des Kodotierstoffs hat effektiv einen geänderten
g-Faktor eines zu betrachtenden Ladungsträgers in der Umgebung
dieser Bindung zur Folge, wobei der g-Faktor den so genannten gyromagnetischen
Faktor beziehungsweise den so genannten Lande-Faktor bezeichnet.
Der geänderte g-Faktor äußert sich in
einer geänderten Resonanzfrequenz.
-
Darüber
hinaus lassen sich die Bindungszustände des Kodotierstoffs
auch direkt über ihre charakteristische Schwingungsfrequenz
im Kristallgitter nachweisen. So haben beispielsweise Mg-H und N-H Bindungen
im GaN in Abhängigkeit ihrer Position und Bindungszustände
im Kristallgitter Schwingungsmoden mit Energien zwischen 2000 und
4000 Wellenzahlen, die mittels Ramanspektroskopie und Infrarot(Fourier-)Spektroskopie
nachweisbar sind, wie etwa in Neugebauer and van de Walle,
PRL 75, 4452 (1995), Van de Walle, Phys. Rev. B 56, 10020 (1997), Kaschner
et al., APL 74, 328 (1999), Harima et al., APL 75, 1383, (1999)
und Cusco et al., APL 84, 897 (2004) beschrieben ist, deren
Offenbarungsgehalte insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 5 beschriebenen
Ausführungsformen.
-
Es
zeigen:
-
1A bis 1D schematische
Darstellungen von Verfahrensschritten von Verfahren zur Herstellung
optoelektronischer Halbleiterchips gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen,
-
2 bis 4 schematische
Darstellungen von Verfahrensschritten von Verfahren zur Herstellung
optoelektronischer Halbleiterchips gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen und
-
5 eine
Messung der Betriebspannung in Abhängigkeit von der Aktivierungszeit.
-
In
den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche
oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse
untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht
anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel
Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit
und/oder zum besseren Verständnis übertrieben
dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
-
In
den 1A bis 1D sind
verschiedene Ausführungsbeispiele für Verfahrensschritte
A von Verfahren zur Herstellung optoelektronischer Halbleiterchips
gezeigt. Dabei wird gemäß der 1A bis 1D jeweils
eine Halbleiterschichtenfolge 100, 200, 300 beziehungsweise 400 ausgebildet,
die mindestens ein Substrat 1, eine dotierte funktionelle Schicht 7,
einen aktiven Bereich 8 und eine weitere funktionelle Schicht 9 aufweist.
Zur elektrischen Kontaktierung sind auf einer der dotierten funktionellen Schicht 7 abgewandten
Seite des Substrats 1 und auf einer dem Substrat 1 abgewandten
Oberfläche der jeweiligen Halbleiterschichtenfolge 100, 200, 300, 400 Elektrodenschichten 10, 11 aufgebracht,
die ein oder mehrere Metalle und/oder ein oder mehrere transparente
leitende Oxide wie im allgemeinen Teil beschrieben aufweisen können.
Die Halbleiterschichtenfolgen der gezeigten Ausführungsbeispiele
sind dabei rein beispielhaft als Nitrid-Verbindungshalbleiter-Schichtenfolgen
ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich dazu können
die Halbleiterschichtenfolgen auch andere im allgemeinen Teil beschriebene
Verbindungshalbleitermaterialien aufweisen.
-
Weiterhin
werden im Folgenden hinsichtlich des jeweils herzustellenden Halbleiterchips
rein beispielhaft bereits fertig gestellte Halbleiterschichtenfolgen 100, 200, 300, 400 ausgebildet,
also Halbleiterschichtenfolgen, die hinsichtlich ihres jeweiligen Schichtenaufbaus
bereits dem fertigen Halbleiterchip entsprechen. Alternativ dazu
können auch lediglich teilweise fertig gestellte Halbleiterschichtenfolgen
im Verfahrensschritt A ausgebildet werden, die zumindest die dotierte
funktionelle Schicht 7 aufweisen. Weiterhin können
die Halbleiterschichtenfolgen im Verfahrensschritt A noch in einem
Waferverbund vor einem anschließend durchzuführenden
Vereinzelungsschritt ausgebildet und bereitgestellt werden.
-
Die
folgende Beschreibung beschränkt sich rein beispielhaft
auf eine dotierte funktionelle Schicht 7, die p-dotiert
ist, und auf weitere funktionelle Schichten, die dann entsprechend
n- oder p-leitend ausgebildet werden. Alternativ dazu können
die Polaritäten der dotierten funktionellen Schicht 7 sowie
der weiteren funktionellen Schichten beziehungsweise die Polaritäten
deren Dotierstoffe und gegebenenfalls deren Kodotierstoffe auch
umgekehrt sein, das heißt, dass unter anderem die dotierte
funktionelle Schicht 7 n-dotiert ausgebildet wird.
-
Das
Substrat 1 der Halbleiterschichtenfolge 100 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 1A ist ein
Aufwachssubstrat, auf dem die darüber liegenden Schichten 7, 8, 9 im
Rahmen des Verfahrensschritts A epitaktisch aufwachsen werden. Die
Aufwachsrichtung ist in 1A wie
auch in den folgenden 1B bis 1D mittels
des Pfeils 99 gekennzeichnet.
-
Als
Aufwachssubstrat dient in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt
ein n-leitendes Substrat. Mögliche n-leitende Substrate
sind dabei beispielsweise n-GaN, n-SiC, n-Si(111). Es ist aber auch
möglich, dass ein elektrisch nicht leitendes Substrat wie beispielsweise
Saphir Verwendung findet, wobei hier dann die Elektrodenschicht 10 auf
der den Schichten 7, 8, 9 zugewandten
Seite des Substrats 1 angeordnet wird.
-
Die
funktionelle Schicht 9 ist eine n-leitende Schicht, die
im gezeigten Ausführungsbeispiel als eine mit Silizium
dotierte Galliumnitridschicht ausgebildet wird. Über der
funktionellen Schicht 9 wird die aktive Schicht 8 aufgewachsen,
die eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur
als aktiven Bereich aufweist. Die aktive Schicht 8 basiert
bevorzugt auf dem III-V-Halbleitermaterialsystem InyGa1-yN mit 0 < y ≤ 1 mit
alternierend angeordneten optisch aktiven Schichten und Barriereschichten.
Bevorzugt ist die aktive Schicht 8 zur Erzeugung von elektromagnetischer
Strahlung in ultravioletten, blauen, blau-grünen, gelben
oder roten Spektralbereich geeignet, wobei die Wellenlänge
der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mittels der Zusammensetzung
und des Aufbaus der aktiven Schicht 8 einstellbar ist.
Die Indiumkonzentration in der aktiven Schicht beträgt bevorzugt
zwischen 10 und 60 Prozent.
-
Auf
der aktiven Schicht 8 ist die dotierte funktionelle Schicht 7 epitaktisch
aufgewachsen, die GaN oder AlGaN als Halbleitermaterial aufweist
sowie als Dotierstoff Magnesium für die p-Dotierung und
weiterhin Wasserstoff als Kodotierstoff, um einer Degradation der
Kristallqualität des Halbeitermaterials etwa durch den
Einbau intrinsischer Defekte aufgrund des Einbaus des Dotierstoffs
während des Kristallwachstums entgegenzuwirken. Der Dotierstoff
und der Kodotierstoff bilden Bindungskomplexe, wodurch die durch
den Dotierstoff eigentlich erzeugten freien Ladungsträger
kompensiert werden und die elektrische Neutralität des
Halbleiterkristalls zumindest teilweise wieder hergestellt wird
-
Der
Aufbau der Halbleiterschichtenfolge 100 entspricht hinsichtlich
der Anordnung der n-leitenden funktionellen Schicht 9 zwischen
dem Substrat 1 und der aktiven Schicht 8 sowie
der in Aufwachsrichtung 99 auf der aktiven Schicht 8 ausgebildeten
p-leitenden dotierten funktionellen Schicht 7 einer konventionellen
lichtemittierenden Diode (LED) und kann noch weitere funktionelle
Schichten wie etwa Puffer-, Barriere- und/oder Diffusionssperrschichten
aufweisen, die der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht
gezeigt sind.
-
Die
Halbleiterschichtenfolge 200 gemäß dem
weiteren Ausführungsbeispiel in 1B weist eine
im Vergleich zur Halbleiterschichtenfolge 100 umgekehrte
Polarität auf, wobei die p-leitende dotierte funktionelle
Schicht 7 zwischen dem Aufwachssubstrat 1 und
der aktiven Schicht 8 und die n-leitende weitere funktionelle
Schicht 9 in Aufwachsrichtung 99 auf der aktiven
Schicht 8 ausgebildet sind. Die jeweilige Schichtzusammensetzung
der Schichten 7, 8 und 9 entspricht dabei
dem vorherigen Ausführungsbeispiel.
-
Weiterhin
weist die Halbleiterschichtenfolge 200 zwischen dem Substrat 1,
das wie im vorherigen Ausführungsbeispiel als n-leitendes
Aufwachssubstrat ausgebildet ist, und der gleitenden dotierten funktionellen
Schicht 7 eine n-leitende weitere funktionelle Schicht 2 aus
Silizium-dotiertem GaN auf. Zum effektiven elektrischen Anschluss
der p-leitenden dotierten funktionellen Schicht 7 an die
n-leitende weitere funktionelle Schicht 2 wird zwischen
diesen ein Tunnelübergang 3 mit einer hochdotierten
n-leitenden Tunnelübergangsschicht 4, einer Diffusionsbarrierenschicht 5 und
einer hochdotierten p-leitenden Tunnelübergangsschicht 6 ausgebildet.
Der Tunnelübergang 3 ist dabei wie im allgemeinen
Teil beschrieben ausgeführt, wobei die p-leitende Tunnelübergangsschicht 6 wie
die p-leitende dotierte funktionelle Schicht 7 als Dotierstoff
Magnesium und als Kodotierstoff Wasserstoff aufweist. Damit ist
auch die hochdotierte p-leitende Tunnelübergangsschicht 6 wie
die dotierte funktionelle Schicht 7 als zu aktivierende
dotierte funktionelle Schicht im Sinne der vorliegenden Beschreibung
ausgebildet.
-
Im
Gegensatz zur Halbleiterschichtenfolge 100 des Ausführungsbeispiels
gemäß 1A sind die
dotierten funktionellen Schichten 6 und 7 bei
der Halbleiterschichtenfolge 200 als so genannte vergrabene
dotierte funktionelle Schichten ausgebildet, die zwischen weiteren
funktionellen Halbleiterschichten angeordnet sind. Eine Aktivierung
der Schichten 6 und 7 durch ein bekanntes Aktivierungsverfahren mittels
Austreiben des Kodotierstoffs ist daher für die Halbleiterschichtenfolge 200 nicht
möglich.
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Die
Halbleiterschichtenfolge 200 kann weitere funktionelle
Schichten (nicht gezeigt) wie etwa eine Pufferschicht zwischen dem
Substrat 1 und der funktionellen Schicht 2 und/oder
eine Diffusionsbarrierenschicht zwischen der dotierten funktionellen Schicht 7 und
der aktiven Schicht 8 aufweisen.
-
In 1C ist
eine als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführte Halbleiterschichtenfolge 300 gezeigt,
die ebenfalls eine vergrabene dotierte funktionelle Schicht 7 aufweist.
Die Schichten 7, 8 und 9 entsprechen
dabei den Schichten 7, 8 und 9 in 1A, wobei
diese nach dem Aufwachsen auf einem Aufwachssubstrat, beispielsweise
aus Saphir, mittels Umbonden auf ein Trägersubstrat 1 übertragen
wurden, weswegen die Aufwachsrichtung 99 in Richtung des
Trägersubstrats 1 zeigt. Das Aufwachssubstrat wurde
nach dem Umbonden entfernt. Die Halbleiterschichtenfolge 300 kann
weitere funktionelle Schichten, beispielsweise eine reflektierende
Schicht zwischen dem Trägersubstrat 1 und der
p-leitenden dotierten funktionellen Schicht 7 aufweisen
und/oder weitere im allgemeinen Teil beschriebene Merkmale von Dünnfilm-Halbleiterchips.
Durch das Umbonden liegt die dotierte funktionelle Schicht 7 ebenfalls
als vergrabene Schicht vor, die mittels bekannter, auf Austreibung
des Kodotierstoffs basierenden Aktivierungsmethoden nach dem Umbonden
nicht aktiviert werden kann. Bei den bekannten Aktivierungsmethoden
müsste die Aktivierung bevorzugt zu dem Zeitpunkt vor dem
Umbonden durchgeführt worden sein, zu dem die dotierte
funktionelle Schicht 7 noch freilag.
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Alternativ
zur Ausführung als Dünnfilm-Halbleiterchip auf
einem Trägersubstrat kann die Schichtenreihenfolge der
Schichten 7, 8 und 9 mit der dotierten
funktionellen Schicht 7 zwischen dem Substrat 1 und
der aktiven Schicht 8 auch durch epitaktisches Aufwachsen
auf einem p-leitenden Aufwachssubstrat ausgebildet werden. In diesem
Fall kann das p-leitende Substrate beispielsweise aus p-GaN, p-SiC
oder p-Si(111) sein, wobei dann die Aufwachsrichtung 99 vom
Substrat 1 weggerichtet wäre.
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In 1D ist
eine Halbleiterschichtenfolge 400 gezeigt, die einen invertierten
Aufbau gemäß 1B aufweist,
der weiterhin als gestapelter Aufbau mit einer weiteren aktiven
Schicht 8' ausgebildet ist. Die dotierte funktionelle Schicht 7' entspricht
dabei der dotierten funktionellen Schicht 7. Die weiteren funktionellen
Schichten 3' und 9' entsprechen den Schichten 3 und 9,
wobei der Tunnelübergang 3' wie der Tunnelübergang 3 die
in Verbindung mit 1B beschriebenen Tunnelübergangsschichten 4, 6 und die
Diffusionsbarrierenschicht 5 aufweist (nicht gezeigt).
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Bei
den vorab im allgemeinen Teil und im Folgenden gemäß den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Aktivierungsmethoden
im weiteren Verfahrensschritt B ist der Zeitpunkt im Herstellungsprozess,
zu dem die Aktivierung gemäß Verfahrensschritt
B durchgeführt wird, unabhängig von der Ausbildung
und dem Herstellungsprozess der jeweiligen Halbleiterschichtenfolge.
Rein beispielhaft werden die Ausführungsbeispiele für
den Verfahrensschritt B anhand der Halbleiterschichtenfolge 200 gemäß 13 gezeigt.
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Im
Verfahrensschritt B gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 2 werden die dotierte funktionelle Schicht 7 sowie
auch die hochdotierte p-leitende Tunnelübergangsschicht 6 durch
Einbringen von Energie in Form von elektrischer Energie aktiviert. Dazu
wird die Halbleiterschichtenfolge 200 an eine externe Strom-
und Spannungsversorgung 12 angeschlossen. Dabei wird im
gezeigten Ausführungsbeispiel eine Stromdichte von etwa
50 A/cm2 in der Halbleiterschichtenfolge 200 beziehungsweise
insbesondere in der dotierten funktionellen Schicht 7 und
in der hochdotierten p-leitenden Tunnelübergangsschicht 6 erzeugt.
Weiterhin wird die Halbleiterschichtenfolge 200 durch Zuführung
von Wärmeenergie 13 auf eine Temperatur oberhalb
der üblichen Umgebungs- und Betriebstemperatur gebracht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Halbleiterschichtenfolge 200 durch
eine externe Heizung (nicht gezeigt) dazu auf eine Temperatur von
mindestens 80°C geheizt. Zumindest ein Teil der zugeführten Wärmeenergie
kann auch durch ohmsche Verluste des aufgeprägten Stroms
hervorgerufen werden.
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Experimentell
hat sich dabei gezeigt, dass die erforderliche Betriebsspannung,
die von der Strom- und Spannungsversorgung 12 zum Betrieb der
Halbleiterschichtenfolge 200 unter den vorab genannten
Bedingungen bereitgestellt wird, kontinuierlich mit der Zeit abfällt
und einen Sättigungswert erreicht, der permanent verbleibt.
Das bedeutet, dass sich die Strom-Spannungs-Charakteristik der Halbleiterschichtenfolge
durch den Verfahrensschritt B verbessern lässt und nach
dem Verfahrensschritt B permanent beibehalten werden kann. In 5 ist eine
Messung der für einen bestimmten Betriebsstrom anzulegenden
Betriebspannung U (in arbiträren Einheiten) in Abhängigkeit
der Aktivierungszeit t (in arbiträren Einheiten) der elektrischen
Aktivierung gezeigt. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung
der Stromdichte und/oder der Temperatur eine Beschleunigung des
Spannungsabfalls und des Erreichens der Sättigung bewirken
kann.
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Durch
den genannten Aktivierungsbetrieb der Halbleiterschichtenfolge 200 können
die Dotierstoff-Kodotierstoff- und die Dotierstoff-Kodotierstoff-Halbleiterkristall-Bindungskomplexe,
die sich im Verfahrensschritt A bei der Herstellung der Halbleiterschichtenfolge 200 ausgebildet
haben, in den Schichten 6 und 7 aufgebrochen werden.
Es kann zusätzlich im Vergleich zu herkömmlichen
Aktivierungsmethoden erreicht werden, dass zumindest ein Teil des
Kodotierstoffs an anderen Stellen, das heißt, nicht in
am Dotierstoff Bindungskomplex bildender Weise, im Halbleiterkristall
der Schichten 6 und 7 gebunden oder im Zwischengitter
gelagert wird. Dadurch ist es bei der hier gezeigten elektrischen
Aktivierung nicht notwendig, den Kodotierstoff zumindest teilweise
aus der Halbleiterschichtenfolge auszutreiben, wie dies bei den
bekannten rein thermischen Aktivierungsmethoden zwingend erforderlich
ist.
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Aufgrund
der oben genannten für den Verfahrensschritt B vorteilhaften
Stromdichte ist die gezeigte elektrische Aktivierung mittels Stromaufprägung
durch die externe Strom- und Spannungsversorgung 12 besonders
geeignet für bereits vereinzelte Halbleiterschichtenfolgen
mit zumindest einer vergrabenen dotierten funktionellen Schicht 7,
bei denen eine herkömmliche Aktivierungsmethode technisch kaum
oder gar nicht durchführbar ist. Daneben ist die Anwendung
des hier gezeigten Verfahrensschritts B auf Halbleiterschichtenfolgen
im Waferverbund keinesfalls ausgeschlossen.
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Insbesondere
für Halbleiterschichtenfolgen im Waferverbund aber auch
für bereits vereinzelte Halbleiterschichtenfolgen ist der
Verfahrensschritt B gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3 geeignet. Dabei wird mittels einer Vorrichtung 14 durch
Induktion ein Strom in der Halbleiterschichtenfolge 200 oder
zumindest in der dotierten funktionellen Schicht 7 und
der ebenfalls zu aktivierenden hochdotierten p-leitenden Tunnelübergangsschicht 6 erzeugt
und so Energie zum Aufbrechen der Bindungskomplexe mit dem Dotierstoff
und dem Kodotierstoff zu geführt. Die Induktionsvorrichtung 14 ist
dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft
durch Spulen realisiert, wobei hier jede Vorrichtung, die einen
ausreichenden Induktionsstrom in der Halbleiterschichtenfolge 200 hervorrufen
kann, geeignet sein kann.
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Durch
die Vorrichtung 14 werden vermittels der freien Ladungsträger
in den Schichten 6 und 7 Kreisströme
induziert, durch die die oben in Verbindung mit 2 beschriebene
Aktivierungswirkung erreicht werden kann. Die Kreisströme
werden dabei senkrecht zur Aufwachsrichtung 99 und parallel
zur Erstreckungsebene der funktionellen Schichten der Halbleiterschichtenfolge 200 erzeugt.
Zusätzlich kann der Halbleiterschichtenfolge 200 noch
Wärmeenergie in Form einer externen Heizung (nicht gezeigt)
und/oder durch ohmsche Verluste der Kreisströme zugeführt
werden.
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Weiterhin
wird im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 3 die
Halbleiterschichtenfolge 200 mit elektromagnetischer Strahlung 15 bestrahlt,
welche resonant oder nicht-resonant mit den Absorptionswellenlängen
der funktionellen Schichten und insbesondere der zu aktivierenden
Schicht 6 und 7 sind. Durch die Einstrahlung der
elektromagnetischen Strahlung 15 werden zusätzliche
freie Ladungsträger erzeugt, die eine größere
Stromstärke der induzierten Kreisströme ermöglichen.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn intrinsisch nach dem Verfahrensschritt A
nur sehr wenige oder keine freien Ladungsträger in den
zu aktivierenden Schichten 6 und 7 vorhanden sind.
Insbesondere bei resonanter Bestrahlung können gezielt
in den zu aktivierenden Schichten 6 und 7 weitere
freie Ladungsträger angeregt werden, wodurch die Effizienz
der Aktivierung erhöht werden kann.
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Wie
in 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
für den Verfahrensschritt B gezeigt ist, kann die Aktivierung,
also das Aufbrechen der Komplexe mit dem Dotierstoff und dem Kodotierstoff, auch
nur durch Zuführung von Energie in Form von elektromagnetischer
Strahlung 15 erfolgen. Die Frequenz der elektromagnetischen
Strahlung 15 bestimmt hierbei die Art der Aktivierung.
Bei Verwendung von Mikrowellenstrahlung erfolgt die elektromagnetische
Aktivierung nicht resonant, bei Verwendung von Terahertzstrahlung
handelt es sich um eine resonante elektromagnetische Aktivierung.
Die Prozessbedingungen wie Frequenz, Leistung, Atmosphäre,
Zeit und/oder zusätzliche Absorptionszentren für
die elektromagnetische Strahlung 15 definieren Grad und
Erfolg der Aktivierung. Im nicht-resonanten Fall erfolgt der Energieübertrag
auf atomare Bindungen unter anderem durch Anregungen von Phononen
und Rotonen. Im resonanten Fall werden Gitterschwingungen, also
Phononen, direkt erzeugt, die die Bindungskomplexe mit dem Dotierstoff
und dem Kodotierstoff aufbrechen können.
-
Die
Verfahrensschritte B gemäß der 3 und 4 können
mit Vorteil überall innerhalb des Herstellungsprozess der
Halbleiterchips im Rahmen eines Chipdurchlaufs auf Waferebene oder
auch nach der Vereinzelung eingesetzt werden, da diese berührungslos
erfolgen und, wie auch der Verfahrensschritt B gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 2, keine
offen liegende zu aktivierende dotierte funktionelle Schicht 7 erfordern.
Damit wird mehr Freiheit im Design und im so genannten Chip-Flow hinsichtlich
der möglichen Reihenfolge der Einzelprozesse ermöglicht.
Ferner kann die Aktivierungseffizienz beispielsweise dadurch gesteigert
werden, dass die Aktivierung nach einem Ätzen von Mesen
durchgeführt wird, so dass eine größere
offene Halbleiterkristalloberfläche vorliegt und so zumindest
ein Teil des Kodotierstoffs auch abtransportiert werden kann.
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Die
hier beschriebenen Ausführungsbeispiele der Verfahrensschritte
B sowie die weiteren Ausführungsformen gemäß dem
allgemeinen Teil sind auch in Kombination oder nacheinander für
einzelne zu aktivierende Schichten wie auch für eine Mehrzahl von
zu aktivierenden Schichten innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge
anwendbar.
-
Falls
erforderlich, können sich an den Verfahrensschritt B noch
weitere, bekannte Verfahrensschritte zur Fertigstellung des Halbleiterchips
mit nunmehr aktivierter Halbleiterschichtenfolge anschließen.
-
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.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - I. Schnitzer
et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0025]
- - et al., APL 95, 1884 (2004) [0051]
- - Neugebauer and van de Walle, PRL 75, 4452 (1995), Van de Walle,
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