DE10346605B4

DE10346605B4 - Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10346605B4
Application number: DE10346605.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Windisch Reiner; Dr. Wirth Ralph; Dr. Pietzonka Ines; Dr. Stein Wilhelm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: CN102361055A; CN1846317B; CN1846317A; DE10346605A1

Abstract

Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, umfassend eine erste Hauptfläche (5), eine zweite Hauptfläche (9) und eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (4) mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone (7), wobei die Halbleiterschichtenfolge (4) den Halbleiterkörper bildet und zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche (5,9) angeordnet ist, wobeieine erste nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (3) außerhalb des Halbleiterkörpers auf der ersten Hauptfläche (5) angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge (4) elektrisch leitend verbunden ist;eine zweite nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) außerhalb des Halbleiterkörpers auf der zweiten Hauptfläche (9) angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge (4) elektrisch leitend verbunden ist; unddie erste nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (3) und die zweite nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) ein strahlungsdurchlässiges leitfähiges Oxid enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlungemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und eine Halbleiterschichtenfolge mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone umfasst, wobei die Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements.
Der interne Umwandlungswirkungsgrad von elektrischer Energie in Strahlungsenergie ist bei strahlungemittierenden Halbleiterbauelementen meist deutlich höher als der Gesamtwirkungsgrad. Dafür ist im wesentlichen der geringe Auskoppelwirkungsgrad der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung aus dem Halbleiterbauelement verantwortlich. Dies hat verschiedene Ursachen. Häufig ist eine großflächige Stromeinbringung in die Halbleiterschichtenfolge erwünscht, was zum Beispiel mittels großflächiger metallischer Kontaktstrukturen möglich ist. Derartige Kontaktstrukturen sind jedoch meist für die erzeugte Strahlung nicht durchlässig und führen zu einer hohen Absorption der erzeugten Strahlung.
Auch bei kleinflächigen, den Halbleiterkörper nicht vollständig bedeckenden, Kontaktstrukuren gibt es Wege, den Strom großflächig einzubringen. Hierzu kann das strahlungemittierende Halbleiterbauelement beispielsweise sogenannte Stromaufweitungsschichten umfassen, die für eine homogene Stromeinbringung in die aktive Zone sorgen. Dies kann einerseits durch in der Halbleiterschichtenfolge angeordnete Schichten aus dotiertem Halbleitermaterial erreicht werden. Derartige Schichten müssen allerdings relativ dick sein, um eine homogene Stromeinbringung in die aktive Zone gewährleisten zu können. Je dicker aber die Halbleiterschicht ist, desto länger ist die für die Herstellung der Schichtenfolge benötigte Zeit. Ferner steigt mit der Schichtdicke die Absorption freier Ladungsträger und/oder der erzeugten Strahlung in diesen Schichten, was zu einem geringen Gesamtwirkungsgrad führt.
Weiterhin ist aus JP 2000 353 820 A ein Bauelement bekannt, das eine für die erzeugte Strahlung durchlässige Stromaufweitungsschicht besitzt. Diese enthält ZnO, welches zur Materialklasse der der TCOs (Transparent Conducting Oxides) gehört. Neben ZnO wird aus dieser Klasse auch ITO (Indium Tin Oxide) häufig zur Stromaufweitung benutzt. Auch die Druckschriften EP 1 271 665 A2 und DE 198 20 777 A1 beschreiben eine transparente Elektrode eines Halbleiterbauelements.
In der Druckschrift US 5 889 295 A ist ein GaN-basiertes Halbleiterbauelement mit epitaktisch gewachsenen ZnO-Schichten angegeben.
In der Druckschrift US 5 115 286 A wird bei der Herstellung eines elektrooptischen Bauelements ein opaker Wafer entfernt, nachdem ein transparentes Substrat auf dem opaken Wafer gewachsen ist.
Die Druckschrift DE 100 20 464 A1 gibt ein Halbleiterbauelement an, bei dem auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers ein Reflektor ausgebildet ist.
Der Auskoppelwirkungsgrad wird ferner durch die Totalreflexion von in der aktiven Zone erzeugter Strahlung an Grenzflächen begrenzt, was in den unterschiedlichen Brechungsindizes des Halbleitermaterials und des Umgebungsmaterials begründet ist. Die Totalreflexion kann durch eine geeignete Strukturierung der Grenzflächen gestört werden. Daraus resultiert ein höherer Auskoppelwirkungsgrad.
Auch die Absorption der Strahlung in einem Substrat oder einem Träger, auf dem die Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen oder das strahlungemittierende Halbleiterbauelement befestigt ist, stellt eine der Ursachen für einen geringen Auskoppelwirkungsgrad dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungemittierendes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art mit einem erhöhten Gesamtwirkungsgrad zu entwickeln. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung strahlungemittierender Halbleiterbauelemente mit erhöhtem Gesamtwirkungsgrad angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung strahlungemittierender Halbleiterbauelemente gemäß Anspruch 31 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein strahlungemittierendes Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Halbleiterkörper auf, umfassend eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und eine Halbleiterschichtenfolge mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone, wobei die Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche angeordnet ist, eine erste Stromaufweitungsschicht auf der ersten Hauptfläche angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge elektrisch leitend verbunden ist sowie eine zweite Stromaufweitungsschicht auf der zweiten Hauptfläche angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge elektrisch leitend verbunden ist. Die erste Stromaufweitungsschicht und die zweite Stromaufweitungsschicht sind nicht-epitaktische Schichten.
Beide dieser Stromaufweitungsschichten enthalten elektrisch leitfähige Materialien, welche für die erzeugte Strahlung durchlässig sind. Beide Stromaufweitungsschichten enthalten strahlungsdurchlässige leitfähige Oxide, bevorzugt Metalloxide, wie beispielsweise ZnO, InO und/oder SnO oder auch Oxide mit zwei oder mehr metallischen Bestandteilen, wie ITO. Stromaufweitungsschichten aus diesen Materialien sind besonders geeignet, da sie unter anderem einen geringen Schichtwiderstand besitzen, der einen homogenen Stromeintrag in die Halbleiterschichtenfolge gewährleistet. Weiterhin weisen sie große Wellenlängenbereiche hoher Transmission auf. Die Widerstände liegen vorteilhafterweise unter 200 Ω/□, wobei Werte von weniger als 30 Ω/□ besonders bevorzugt sind. Die Einheit Ω/□ (Ohm per Square) entspricht dabei dem Widerstand einer quadratischen Fläche der Schicht.
Die Dicken der Stromaufweitungsschichten sind bei der Erfindung so gewählt, dass ein homogener Stromeintrag in die Halbleiterschichtenfolge bewirkt wird. Dies wird mit Schichtdicken von 10nm bis zu 1000nm, besonders bevorzugt von 200nm bis 800nm, erreicht.
Mit Vorteil enthält mindestens eine der strahlungsdurchlässigen leitfähigen Stromaufweitungsschichten Al, Ga, In, Ce, Sb und/oder F als Dotierstoff(e), um den Schichtwiderstand der Stromaufweitungsschichten zu verringern. Besonders bevorzugt enthält die erste Stromaufweitungsschicht ZnO und ist mit Al dotiert, und die zweite Stromaufweitungsschicht SnO und ist mit Sb dotiert.
Die Stromaufweitungsschichten können beispielsweise durch Sputtern, insbesondere DC-Sputtern, aufgebracht werden, wobei die Prozessparameter so gewählt sind, dass ein elektrischer Kontakt zwischen der Stromaufweitungsschicht und den angrenzenden Halbleiterschichten gebildet wird, der einen homogenen Stromeintrag in die Halbleiterschichtenfolge und somit in die aktive Zone ermöglicht. Der elektrische Kontakt zwischen diesen Schichten kann zum Beispiel durch Sintern oder geeignete Vorreinigung der entsprechenden Oberflächen der beteiligten Schichten noch verbessert werden. Durch die Gegenwart zweier Stromaufweitungsschichten wird der Strom auf beiden Seiten der Halbleiterschichtenfolge sehr homogen eingebracht und es entsteht eine aktive Zone hoher Güte, die sich durch eine gleichmäßig verteilte Strahlungserzeugung und eine vorteilhaft geringe Absorption auszeichnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auf mindestens einer der Stromaufweitungsschichten eine Spiegelschicht angeordnet, die bevorzugt elektrisch leitend ist und weitergehend eine hohe Reflektivität für die in der aktive Zone erzeugte Strahlung aufweist.
Durch die Spiegelschicht werden Absorptionsverluste in eventuell unter dieser angeordneten Schichten, wie zum Beispiel einem Substrat oder einem Träger, verringert und sie bildet zusammen mit der Stromaufweitungsschicht einen hocheffizienten elektrischen Spiegelkontakt zur Kontaktierung des Halbleiterbauelements. Die Spiegelschicht enthält vorzugsweise ein Metall, vorteilhafterweise Au, Ag, Al und/oder Pt. Besonders bevorzugt ist die Spiegelschicht auf der der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der Stromaufweitungsschicht auf der ersten Hauptfläche angeordnet. Die Spiegelschicht kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge eine Mikrostruktur auf, die vor dem Aufbringen der Stromaufweitungsschicht in oder auf die entsprechende Hauptfläche ein- beziehungsweise aufgebracht wurde. Die Mikrostruktur ist dabei so geartet, dass die strukturierte Fläche im Gegensatz zur unstrukturierten einen höheren Auskoppelwirkungsgrad aufgrund einer gestörten Totalreflexion von auf diese Fläche einfallenden Strahlen, die in der aktiven Zone erzeugt wurden, aufweist. Damit wird die Strahlungsauskopplung und somit der Gesamtwirkungsgrad des strahlungemittierenden Halbleiterbauelementes erhöht. Solche Mikrostrukturen können beispielsweise durch Aufrauhverfahren wie ein Ätz- oder Schleifverfahren erzeugt werden. Weiterhin kann eine solche Mikrostruktur dadurch erzeugt werden, dass ein metallisches Maskenmaterial auf die zu strukturierende Fläche aufgebracht wird, dessen Benetzungseigenschaften so beschaffen sind, dass sich auf der Oberfläche kleine vorzugsweise zumindest teilweise vernetzte metallische Inseln bilden. Diese Inselstruktur kann mittels eines Trockenätzverfahrens in die zu strukturierende Fläche übertragen werden, wonach das Maskenmaterial durch geeignete Verfahren entfernt werden kann. Mit Vorzug weist die Hauptfläche auf der der Spiegelschicht abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge eine Mikrostruktur auf.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besitzt die Halbleiterschichtenfolge mindestens eine n- und eine p-leitende Schicht. Die Dicken der n- und/oder p-leitenden Schichten liegen typischerweise zwischen einer Monolage und 1000 nm. Bevorzugt ist die Dicke mindestens einer oder beider dieser Schichten kleiner als 400 nm, und liegt besonders bevorzugt zwischen 150 nm und 350 nm. Bei herkömmlichen Bauelementen dienen die um die aktive Zone angeordneten n- und/oder p-leitenden Schichten oftmals auch der Stromaufweitung und besitzen daher eine relativ große Dicke.
Bei der Erfindung hingegen erfolgt die Stromaufweitung in den außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten Stromaufweitungsschichten. Deshalb können die Schichten der Halbleiterschichtenfolge vergleichsweise dünn ausgeführt sein.
Die Halbleiterschichtenfolge mit den n- und p-leitenden Schichten und einer Strahlung erzeugenden aktiven Zone wird durch epitaktisches Aufwachsen auf einem Substrat, beispielsweise einem GaAs Substrat, hergestellt. Die Stromaufweitungsschichten werden nach der Epitaxiephase zum Beispiel durch Sputtern aufgebracht.
Bevorzugt enthält die Halbleiterschichtenfolge einen III-V-Halbleiter, wie beispielsweise In_xGa_yAl_1-x-yP, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1, In_xGa_yAl_1-x-yN, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1, oder In_xGa_yAl_1-x-yAs, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1.
Mit besonderem Vorteil enthält die Stromaufweitungsschicht, die auf der p-leitenden Seite der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist, ZnO, bevorzugt mit Al dotiert, und jene, die auf der n-leitenden Seite angeordnet ist SnO, bevorzugt mit Sb dotiert. Sn beispielsweise kann bei III-V-Halbleitern im n-leitenden Bereich zugleich als Dotierstoff eingesetzt werden. Eine Diffusion von Sn-Atomen aus einer SnO enthaltenden Stromaufweitungsschicht in eine angrenzende n-leitende Schicht erhöht daher die Majoritätsladungsträgerkonzentration in der n-leitenden Schicht. Insbesondere gilt dies an der Grenzfläche der beiden Schichten. Daher wird der leitende Kontakt zwischen solchen Schichten und damit die Stromeinbringung in die aktive Zone verbessert. Entsprechendes gilt für Zn als Akzeptor im Bezug auf p-leitende Schichten.
Eine Halbleiterschichtenfolge mit derartig vorteilhaft geringen Schichtdicken wirkt sich in vielerlei Hinsicht positiv auf die Funktionsweise des strahlungemittierenden Halbleiterbauelementes aus. So werden beispielsweise die Absorption freier Ladungsträger, die Absorption der erzeugten Strahlung und die zur Herstellung derartiger Bauelemente benötigten Epitaxiezeiten wesentlich verringert, wodurch der Auskoppelwirkungsgrad des strahlungemittierenden Halbleiterbauelements erhöht, die Herstellungszeiten der Halbleiterschichtenfolge verkürzt und deren Herstellungskosten verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf einem Substrat aufgewachsen, das nach dem Epitaxieprozess durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel eine mechanische Belastung oder einen Ätzvorgang, entfernt wurde. Die Halbleiterschichtenfolge ist über die erste Hauptfläche mit einem Träger, zum Beispiel aus GaAs, verbunden. Die Verbindung ist vorzugsweise elektrisch leitend und kann mittels einer Lotmetallisierung erfolgen. Zwischen dem Träger und der ersten Hauptfläche ist eine Stromaufweitungsschicht angeordnet, auf deren der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite sich eine Spiegelschicht befindet. Die zwei folgenden vorteilhaften Weiterbildungen basieren hierauf.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der obigen Ausgestaltung weist die weiter vom Träger entfernte zweite Hauptfläche eine Mikrostruktur auf, die die Totalreflexion von auf diese Fläche einfallenden Strahlen stört. Auf dieser Hauptfläche ist eine weitere Stromaufweitungsschicht angeordnet, der eine Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements nachgeordnet ist. Die Kontaktfläche hat vorzugsweise eine geringere laterale Ausdehnung als die Halbleiterschichtenfolge und/oder die Stromaufweitungsschichten. Des weiteren kann sie auch auf der der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite eine die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung reflektierende Schicht besitzen oder selbst reflektierend sein. Mittels der Stromaufweitungsschichten wird der über die Kontaktfläche injizierte Strom lateral homogen verteilt und großflächig in die aktive Zone eingebracht. Dadurch wird eine nachteilig vermehrte Strahlungserzeugung in dem unter der absorbierenden Kontaktfläche liegenden Bereich der aktiven Zone vermieden. In der Folge wird so die Absorption der erzeugten Strahlung in der Kontaktfläche durch die reflektierende Schicht vermindert und damit der Auskoppelwirkungsgrad des Bauelements erhöht.
In einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der obigen Ausgestaltung weist die weiter vom Träger entfernte zweite Hauptfläche eine Mikrostruktur auf. Dieser nachgeordnet ist eine für die erzeugte Strahlung durchlässige Mantelschicht oder eine Mantelschichtenfolge, die aus mehreren Schichten besteht und mit der zweiten Stromaufweitungsschicht versehen ist. Diese Stromaufweitungsschicht besitzt hierbei mindestens eine Ausnehmung oder ein Fenster, dergestalt dass die Mantelschichtenfolge im Bereich der Ausnehmung oder des Fensters nicht von der Stromaufweitungsschicht bedeckt ist. Die Ausnehmung wird von einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung zumindest teilweise ausgefüllt, die sich mit der Mantelschichtenfolge und der Stromaufweitungsschicht in Kontakt befindet.
Die Kontaktfläche ist vorteilhafterweise metallisch und hat bezüglich des Übergangs zur Mantelschichtenfolge im Falle einer in Vorwärtsrichtung anliegenden Spannung eine so hohe Potentialbarriere (z.B. eine Schottky-Barriere), dass nahezu der ganze Strom von der Kontaktfläche in die lateral angrenzende Stromaufweitungsschicht und von dort über die Mantelschicht in die aktive Zone eintritt. Dadurch gelangt nur ein geringer Stromanteil in den Bereich der aktiven Zone, der unter der Kontaktfläche liegt, und es wird in diesem Bereich nur eine verglichen mit der restlichen aktiven Zone geringe Strahlung erzeugt. Daher wird die Absorption der erzeugten Strahlung in der Kontaktfläche verringert. Weitergehend kann eine Mikrostruktur oder eine Mantelschicht(enfolge) der oben genannten Art auch auf der dem Träger zugewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für ein strahlungemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und eine Halbleiterschichtenfolge mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone umfasst, wobei die Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche angeordnet ist, weist folgende Schritte auf:

Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat;
Aufbringen einer strahlungsdurchlässigen Stromaufweitungsschicht auf die erste Hauptfläche;
Ablösen des Substrats;
Aufbringen einer strahlungsdurchlässigen Stromaufweitungsschicht auf die zweite Hauptfläche.

Die Aufzählung der Schritte ist hierbei nicht als Festlegung auf eine bestimmte Reihenfolge zu verstehen.
Die Halbleiterschichtenfolge wird epitaktisch aufgewachsen. Das Substrat kann mittels eines geeigneten Verfahrens, wie zum Beispiel eines Ätzprozesses oder mechanischer Belastung, entfernt werden. Die erste Stromaufweitungsschicht und die zweite Stromaufweitungsschicht sind nicht-epitaktische Schichten. Die Stromaufweitungsschichten enthalten ein TCO, bevorzugt ZnO und/oder SnO.
Zur Verminderung des Schichtwiderstandes ist es vorteilhaft, mindestens eine Stromaufweitungsschicht mit Al, Ga, In, Ce, Sb und/oder F zu dotieren.
Weitere Ausgestaltungen des dargestellten Verfahrens ergeben sich durch die nachfolgend beschriebenen Schritte, die an geeigneter Stelle in obiges Verfahren eingegliedert werden können. Insbesondere können dabei auch manche Schritte auf beiden Seiten der Halbleiterschichtenfolge durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird auf die Stromaufweitungsschicht auf der ersten Hauptfläche eine Spiegelschicht, die bevorzugt Au, Ag, Al, und/oder Pt enthält, aufgebracht.
Der Halbleiterkörper kann nachfolgend, vorzugsweise über die Spiegelschicht, auf einem Träger befestigt werden, wobei die Befestigung bevorzugt mittels einer Lotmetallisierung erfolgt.
Weiterhin kann mindestens eine Hauptfläche mit einer Mikrostruktur zur Störung der Totalreflexion von der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung an dieser Hauptfläche versehen werden.
Ferner wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens eine Mantelschicht oder eine Mantelschichtenfolge, die zwischen einer Stromaufweitungsschicht und der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist, aufgebracht. In die der Mantelschicht nächstliegende Stromaufweitungsschicht kann eine Ausnehmung eingebracht werden, die mit Vorzug zumindest teilweise von einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung des strahlungemittierenden Halbleiterbauelements ausgefüllt wird. Die Ausnehmung wird bevorzugt so gebildet, dass die Stromaufweitungsschicht in dem Bereich der Ausnehmung vollständig entfernt ist.
Ist keine Ausnehmung vorgesehen, kann eine Kontaktfläche auf die weiter vom Träger entfernte Stromaufweitungsschicht aufgebracht werden.
Besonders bevorzugt wird das dargestellte Verfahren zur Herstellung der im Anspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Halbleiterbauelemente benutzt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Beschreibungen der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den folgenden Figuren.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements;
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements;
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements;
4 zeigt in den 4A bis 4D eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements, anhand von vier Zwischenschritten.

Gleichartige und gleich wirkende Elemente besitzen in den Figuren gleiche Bezugszeichen.
In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements dargestellt. Auf einem GaAs-Träger 1 ist eine Spiegelschicht 2 aus Au und auf dieser eine erste Stromaufweitungsschicht 3 angeordnet, die ZnO und Al, zum Beispiel in der Zusammensetzung Al_0,02Zn_0,98O, enthält. Diesen Schichten nachgeordnet ist ein Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge 4, welche In_xGa_yAl_{1_x_y}P mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1 enthält. Die Halbleiterschichtenfolge 4 weist eine erste Hauptfläche 5, eine oder mehreren Halbleiterschichten eines ersten Leitungstyps 6, eine Strahlung erzeugenden aktiven Zone 7, eine oder mehreren Halbleiterschichten eines zweiten Leitungstyps 8 und eine zweite Hauptfläche 9 auf. Auf der zweiten Hauptfläche 9 ist eine zweite Stromaufweitungsschicht 10 angeordnet, die SnO und Sb zum Beispiel in der Zusammensetzung Sb_0,2Sn_0,98O enthält. Die Schichten 6 und 8 sind p- beziehungsweise n-leitend und weisen eine jeweilige Gesamtschichtdicke von beispielsweise 200nm auf.
Die Halbleiterschichtenfolge 4 ist durch Epitaxie auf einem Aufwachssubstrat aus GaAs hergestellt, das nach dem Aufbringen der Spiegelschicht 2 abgelöst wurde. Die Kombination aus der Spiegelschicht 2 und der Stromaufweitungsschicht 3 dient als hocheffizienter Spiegelkontakt zur homogenen Stromeinbringung in die Halbleiterschichtenfolge 4. Dadurch wird die Absorption der Strahlung in dem Träger 1 verringert und in Kombination mit der zweiten Stromaufweitungsschicht 10 auf der zweiten Hauptfläche 9 ein sehr homogener Stromeintrag über beide Hauptflächen 5 und 9 in die Halbleiterschichtenfolge 4 und besonders in die aktive Zone 7 gewährleistet. Es entsteht somit eine aktive Zone 7 hoher Güte, in der lateral gleichmäßig Strahlung erzeugt wird.
Die geringen Schichtdicken der Halbleiterschichtenfolgen 6 und 8 erlauben einen kürzeren Herstellungsprozess des Halbleiterkörpers und verringern die Absorption freier Ladungsträger sowie der erzeugten Strahlung in diesen Schichten. Die Schichtdicken sind nach unten dadurch begrenzt, dass sie eine Diffusion von Fremdatomen aus den angrenzenden Stromaufweitungsschichten in die aktive Zone verhindern sollen, ihre Dicke groß genug für eine mögliche Ein- oder Aufbringung einer Mikrostruktur ist und/oder die Ladungsträger möglichst lange in der aktiven Zone verweilen.
Die Kombination aus zwei Stromaufweitungsschichten 3 und 10 bewirkt eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades, der durch die Spiegelschicht 2 und die dünnen Schichten verschiedener Leitungstypen 6 und 8 noch weiter gesteigert wird.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements, das im wesentlichen mit dem in 1 skizzierten Aufbau übereinstimmt. Im Unterschied dazu ist die Spiegelschicht 2 über eine Lotmetallisierung 11 auf dem Träger befestigt und so mit diesem elektrisch leitend verbunden. Weiterhin ist die zweite Hauptfläche 9 mit einer Mikrostruktur 12 versehen, die beispielsweise mittels des oben erwähnten Verfahrens mit einer metallischen Maskenschicht hergestellt wurde. Dies stört die Totalreflexion und erhöht damit den Auskoppelwirkungsgrad.
Ferner ist auf der zweiten Stromaufweitungsschicht 10 eine Kontaktfläche 13 zur elektrischen Kontaktierung angeordnet, die auf ihrer der Halbleiterschichtenfolge 4 zugewandten Seite bezüglich der in der aktiven Zone 7 reflektierend sein kann, was nicht explizit gezeigt ist. Die Kontaktfläche 13 hat eine geringere laterale Ausdehnung als die Stromaufweitungsschichten 3, 10 und/oder die Halbleiterschichtenfolge 4. Die Absorption der erzeugten Strahlung in der Kontaktfläche 13 wird so reduziert, da eine vermehrte Strahlungserzeugung in dem Bereich der aktiven Zone 7, der von der absorbierenden Kontaktfläche 13 abgeschattet wird, vermieden wird. Eine Verspiegelung der Unterseite der Kontaktfläche 13 trägt weiter zur Verminderung der Absorption in der Kontaktfläche 13 bei. Insgesamt wird also der Auskoppelwirkungsgrad im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weiter erhöht.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterbauelements dargestellt. Der prinzipielle Aufbau entspricht wieder dem in 2 gezeigten. Im Unterschied hierzu ist zwischen der Stromaufweitungsschicht 10 und der zweiten Hauptfläche 9 eine Mantelschicht 14 angeordnet. Zudem erfolgt die elektrische Kontaktierung durch eine Kontaktfläche 13, die in einer Ausnehmung 15 der Stromaufweitungsschicht 10 angeordnet ist und mit der Stromaufweitungsschicht 10 und der elektrisch leitenden Mantelschicht 14 in unmittelbarem Kontakt steht. Die elektrischen Kontakte zwischen diesen Schichten sind so hergestellt, dass der Strom von der Kontaktfläche 13 aus hauptsächlich über die Stromaufweitungs- 10 und nachfolgend die Mantelschicht 14 in die Halbleiterschichtenfolge 4 und die aktive Zone 7 gelangt. Der Kontakt zwischen der Mantelschicht 14 und der Kontaktfläche 13 weist hierbei eine ausreichend hohe Potentialbarriere (zum Beispiel eine Schottky-Barriere) auf, die verhindert, dass der Strom direkt von der Kontaktfläche 13 über die Mantelschicht 14 in die Halbleiterschichtenfolge 4 gelangt oder einen Stromfluß über diesen Pfad zumindest reduziert.
Die Mantelschicht 14 ist vorzugsweise für die erzeugte Strahlung durchlässig und enthält beispielsweise Al_xGa_1-xAs_yP_1-x-y mit 0≤x≤1 und 0≤y≤1. Eine derartige Kontaktierung bewirkt, dass verglichen mit dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein geringerer Stromanteil in den Bereich der aktiven Zone 7 injiziert wird, der von der Kontaktfläche 13 abgeschattet wird. Damit wird in diesem Bereich eine vergleichsweise geringe Strahlungsleistung erzeugt, so dass in der Kontaktfläche 13 nur eine entsprechend geringe Strahlungsmenge absorbiert wird. Verglichen mit dem in 2 dargestellten Gegenstand wird hiermit der Auskoppelwirkungsgrad weiter erhöht.
In den 4a bis 4d ist ein eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements mit hohem Gesamtwirkungsgrad anhand von vier Zwischenschritten gezeigt.
In 4a ist eine Halbleiterschichtenfolge 4 dargestellt, die epitaktisch auf einem Substrat 16, beispielsweise aus GaAs, aufgewachsen wurde. Die Halbleiterschichtenfolge 4 bildet einen Halbleiterkörper, der eine erste Hauptfläche 5, eine Schicht eines ersten Leitungstyps 6 (z.B. p-leitend), eine elektromagnetische Strahlung erzeugende aktive Zone 7, eine Schicht eines zweiten Leitungstyps 8 (z.B. n-leitend) und eine zweite Hauptfläche 9 umfasst. Die Dicken der Schichten 6 und 8 betragen jeweils 200nm. Die Halbleiterschichtenfolge 4 basiert beispielsweise auf In_xGa_yAl_1-x-yP mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1.
In 4b wird auf die erste Hauptfläche 5 eine Stromaufweitungsschicht 3 aus Al_0,02Zn_0,98O aufgesputtert. Diese wird durch Aufdampfen oder Sputtern mit einer Spiegelschicht 2 aus Au versehen. Nachfolgend wird das Substrat 16 entfernt und die Spiegelschicht 2 wie in 4c gezeigt mittels einer Lotmetallisierung 11 auf einem Träger 1 aus vorzugsweise GaAs befestigt, mit dem die Spiegelschicht 2 dadurch elektrisch leitend verbunden ist. Ferner wird in die zweite Hauptfläche 9, die jetzt nicht mehr mit dem Substrat 16 verbunden ist, auf geeignete Weise eine Mikrostruktur 12 auf- oder eingebracht, die die Totalreflexion an dieser Fläche stört.
Nachfolgend wird auf die Hauptfläche 9 mit der Mikrostruktur 12 eine weitere Stromaufweitungsschicht 10, die Sb_0,02Sn_0,98O enthält, gesputtert, welche in 4d in einem letzten Verfahrensschritt mit einer Kontaktfläche 13 zur elektrischen Kontaktierung des strahlungemittierenden Halbleiterbauelements versehen wird.

Claims

Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, umfassend eine erste Hauptfläche (5), eine zweite Hauptfläche (9) und eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (4) mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone (7), wobei die Halbleiterschichtenfolge (4) den Halbleiterkörper bildet und zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche (5,9) angeordnet ist, wobei eine erste nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (3) außerhalb des Halbleiterkörpers auf der ersten Hauptfläche (5) angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge (4) elektrisch leitend verbunden ist; eine zweite nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) außerhalb des Halbleiterkörpers auf der zweiten Hauptfläche (9) angeordnet und mit der Halbleiterschichtenfolge (4) elektrisch leitend verbunden ist; und die erste nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (3) und die zweite nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) ein strahlungsdurchlässiges leitfähiges Oxid enthalten.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Hauptflächen (5,9) mit den nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) eine Mikrostruktur (12) aufweist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid ein Metalloxid ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdurchlässige Material ITO und/oder InO enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdurchlässige Material ZnO enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdurchlässige Material SnO enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) Al, Ga, In, Ce, Sb und/oder F enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) eine Spiegelschicht (2) angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) auf der der Halbleiterschichtenfolge (4) abgewandten Seite der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschicht (3) angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) elektrisch leitend ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) ein Metall enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) Au, Ag, Al und/oder Pt enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfläche (9) auf der der Spiegelschicht (2) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (4) eine Mikrostruktur (12) aufweist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtenfolge (4) mindestens eine n- und/oder eine p-leitende Schicht (6,8) enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der n-leitenden und/oder der p-leitenden Schichten (6,8) im Bereich von einer Monolage bis 1000nm liegt, vorzugsweise kleiner als 400nm ist und besonders bevorzugt zwischen 150nm und 350nm liegt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht auf der Seite der p-leitenden Schicht der Halbleiterschichtenfolge ZnO und vorzugsweise Al enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht auf der Seite der n-leitenden Schicht der Halbleiterschichtenfolge SnO und vorzugsweise Sb enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungemittierende Halbleiterbauelement auf einem Träger (1) befestigt ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) GaAs enthält.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungemittierende Halbleiterbauelement mittels einer Lotmetallisierung (11) auf dem Träger befestigt ist, die vorzugsweise direkt an den Träger (1) angrenzt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 8 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotmetallisierung (11) auf der Spiegelschicht (2) angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschicht (10) eine Kontaktfläche (13) zur elektrischen Kontaktierung angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (13) auf der dem Träger (1) gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge (4) angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (13) auf der der Halbleiterschichtenfolge (4) zugewandten Seite eine die erzeugte Strahlung reflektierende Schicht besitzt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) eine Ausnehmung (15) aufweist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (15) eine elektrisch leitende Kontaktfläche (13) angeordnet ist.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung des strahlungemittierenden Halbleiterbauelements über die Kontaktfläche (13) erfolgt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Halbleiterschichtenfolge (4) zugewandten Seite der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschicht (10) mit der Ausnehmung (15) und der Kontaktfläche (13) eine Mantelschicht oder eine Mantelschichtenfolge (14) sitzt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht oder die Mantelschichtenfolge (14) bezüglich der Kontaktfläche (13) derart schlecht elektrisch leitend ist, dass der Strom teilweise in die nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) gelangt.
Strahlungemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtenfolge (4) einen III-V-Halbleiter, vorzugsweise In_xGa_yAl_1-x-yP, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1, In_xGa_yAl_1-x-yN, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1, oder In_xGa_yAl_1-x-yAs, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1 und x+y≤1, enthält.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, umfassend eine erste Hauptfläche (5), eine zweite Hauptfläche (9) und eine Halbleiterschichtenfolge (4) mit einer elektromagnetische Strahlung erzeugenden aktiven Zone (7), wobei die Halbleiterschichtenfolge (4) den Halbleiterkörper bildet und zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche (5,9) angeordnet ist, mit den Schritten: epitaktisches Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge (4) auf einem Substrat (16); Aufbringen einer nicht-epitaktischen strahlungsdurchlässigen Stromaufweitungsschicht (3) auf die erste Hauptfläche (5); Ablösen des Substrats (16); Aufbringen einer nicht-epitaktischen strahlungsdurchlässigen Stromaufweitungsschicht (10) auf die zweite Hauptfläche (9); wobei die erste nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (3) und die zweite nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht (10) ein strahlungsdurchlässiges leitfähiges Oxid enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelschicht (2) auf die nicht-epitaktische Stromaufweitungsschicht auf der ersten Hauptfläche (5) aufgebracht wird und der Halbleiterkörper vorzugsweise auf der Seite mit der Spiegelschicht (2) auf einem Träger (1) befestigt wird.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 31 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) durch Sputtern aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelschicht (2) durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschichten (3,10) eine Mikrostruktur (12) in oder auf mindestens eine der Hauptflächen (5,9) auf- oder eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungemittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer nicht-epitaktischen Stromaufweitungsschicht (3,10) und der nächstliegenden Hauptfläche (5,9) eine Mantelschichtenfolge (14) aufgebracht ist und dass diese eine Ausnehmung (15) aufweist, in die die elektrische Kontaktfläche (13) eingebracht wird.