WO2015169585A1 - Leuchtdiode und verfahren zum herstellen einer leuchtdiode - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a light emitting diode and a method for producing a
- LED-based light sources offer great potential.
- LEDs with different wavelengths essentially the infrared and visible range, but also covering the UV range up to approximately 250 nm, can be realized. With regard to the respective emission wavelength, absorption properties and transparency, the band gap of these materials plays a decisive role.
- Basic processes for the production of pn-semiconductor diodes are known. Methods for growing the semiconductor materials on suitable substrates are also known.
- a p-doped contact for use in a light-emitting diode for the ultraviolet spectral range, comprising a p-contact layer having a first surface for contacting a radiation zone and a second surface, which on the side facing away from the first surface Coating which directly contacts a portion of the second surface of the p-contact layer and which contains or consists of a material which has a maximum reflectivity of at least 60% and a majority for light in the UV range with a wavelength of 200 nm to 400 nm of p-type injectors disposed directly on the second surface of the p-type contact layer.
- Fig. 1 shows a schematic representation of a known method, deposited on a flat substrate, such as alumina, directly aluminum (gallium) nitride. On a substrate 1, which is formed of alumina, is a
- Aluminum (gallium) nitride layer 2 deposited.
- the aluminum (gallium) nitride layer has, for example, a thickness of 500 nm.
- the present invention provides a light emitting diode for the UVC spectral region having a first aluminum (gallium) nitride layer formed on a substrate, which is formed using epitaxial lateral overgrowth by applying a mask of silicon nitride to the aluminum (gallium) nitride layer, etching the
- Aluminum (gallium) nitride layer and removing the mask is structured, a second aluminum (gallium) nitride layer, which on the first structured
- Vanadium / aluminum or titanium / aluminum are formed.
- the present invention provides a method of fabricating a light emitting diode for the UVC spectral region using epitaxial lateral overgrowth, comprising the steps of: 1.) growing a first aluminum (gallium) nitride layer on a substrate, 2.) applying a mask on the first aluminum (gallium) nitride layer, 3.) etching the first aluminum (gallium) nitride layer to form a patterned aluminum (gallium) nitride layer, 4.)
- the aim of the present invention is to increase the light emission of
- Light-emitting diodes for the ultraviolet spectral range in particular to reach the UV-C range.
- a non-radiative recombination of electron-hole pairs is by a
- Customized contacts reduce the voltage drop across the ohmic contact and thereby increase the light output at the same voltage.
- a substrate structuring to minimize growth defects in the production as well as the use of adapted materials and processes for n-contacts, d. H. for n-side contacts, to AIGaN layers with high Al content.
- the structuring of the substrate is provided in order to form a stress-free, low-defect and therefore efficient light-emitting diode.
- the n-ohm contacts are multilayer alloy contacts which have titanium or vanadium compounds and nitrogen defects formed in an alloy. This leads to a high electron concentration at the interface.
- a contact system of a binary component titanium nitride or vanadium nitride together with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride or vanadium gallium nitrite Components is formed, whereby a work function results, which is lower than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride.
- a work function results, which is lower than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride.
- a tetragonal titanium aluminum layer is formed, which can be produced by depositing an aluminum layer on a titanium layer or vice versa and subsequent heat treatment.
- the tetragonal titanium aluminum represents a temperature-stable diffusion barrier.
- aluminum partially diffuses through the resulting titanium nitride layer according to the embodiment and thus lowers the contact resistance, for example by formation of aluminum (gallium) nitride.
- Tungsten silicide or platinum is formed. As a result, both the titanium and the aluminum and their compounds can be protected from oxidation and are stable to contact.
- a contact layer is provided, which is formed of gold.
- the diffusion barrier further prevents in addition to a diffusion of oxygen back diffusion of the gold in the contact interface.
- For molybdenum speaks the high melting point of 2623 ° C, which is almost 1200 ° C above that of nickel.
- the solubility of gold in molybdenum at an RTA (Rapid Thermal Annealing) temperature of 850 ° C is less than 1%.
- the n-ohmic contacts are multi-layered alloy contacts, wherein in an alloy titanium or
- Vanadium compounds and nitrogen imperfections are formed. This leads to a high electron concentration at the interface. According to a further embodiment it is provided that on the
- Aluminum (gallium) nitride layer is formed a titanium layer, wherein at an RTA Step, a contact system of a binary component titanium nitride is formed together with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride components, resulting in a work function, which is less than the electron affinity of
- Aluminum (gallium) nitride is. Thus, there is an ideal ohmic contact. In addition, the TiN formation increases a tunneling probability due to the high
- a tetragonal titanium aluminum layer is produced by depositing an aluminum layer on a titanium layer or vice versa and subsequent tempering.
- the tetragonal titanium aluminum provides a temperature stable
- Contact resistance lowers, for example by formation of aluminum (gallium) nitride.
- Tungsten silicide or platinum is formed. As a result, both the titanium and the aluminum compounds and their oxidation can be protected and are stable to contact.
- a contact layer is provided, which is formed of gold.
- the diffusion barrier further prevents in addition to a diffusion of oxygen back diffusion of the gold in the contact interface.
- For molybdenum speaks the high melting point of 2623 ° C, which is almost 1200 ° C above that of nickel.
- the solubility of gold in molybdenum at an RTA (Rapid Thermal Annealing) temperature of 850 ° C is less than 1%.
- Fig. 1 is a schematic representation of a known method, on a
- planar substrate such as alumina
- Fig. 2 is a schematic representation of the deposition of
- FIG. 3 shows a schematic representation of the structure of an ohmic contact before and after structural changes by means of an RTA step according to a further embodiment of the invention.
- Fig. 4 is a schematic representation of a method for producing a
- aluminum (gallium) nitride layers having a defined Al: Ga ratio: Al x (Gai -x ) N, where x can be a real number between 0 and 1.
- the layers may have dopants, wherein the dopant concentration is usually much smaller than the gallium and aluminum concentration.
- a particularly advantageous embodiment variant, in particular for UVC LEDs, is an as far as possible Ga-free aluminum nitride layer within the scope of the technical possibilities, ie Al x (Gai- x ) N with x> 0.99.
- the present invention relates in particular to a light-emitting diode for the UVC spectral range with a wavelength ⁇ 250 nm.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a method for depositing aluminum (gallium) nitride on a prestructured substrate by means of the ELO method (epitoxial lateral over-growth) according to an embodiment of the invention.
- a substrate 10 which is formed, for example, of aluminum oxide
- an aluminum (gallium) nitride layer 1 1 is grown in a first step.
- a mask for example made of silicon nitride, is then applied. During the following etching process, the material is removed at the locations not covered by the mask.
- the structured aluminum (gallium) nitride layer 1 1 can be overgrown with a further aluminum (gallium) nitride layer 14.
- Aluminum (gallium) nitride layer 14 grows together with increasing layer thickness. By a coalescence achieved in this way, a defect density, which is caused by a lattice mismatched growth of aluminum (gallium) nitride on, for example, a sapphire wafer can be reduced to a fraction.
- FIG. 3 shows a schematic representation of the structure of an ohmic contact before and after structural changes by an RTA step according to another
- FIG. 3 shows on the left a structure of a
- n-ohm contact is formed on the second aluminum gallium nitride layer 14 of FIG. 2, wherein the n-ohm contact in the present embodiment of
- Titanium / aluminum is formed.
- the n-ohm contact may be formed of other materials such as vanadium / aluminum-based.
- a titanium layer 21 is formed on the Aluminum gallium nitride layer 14 .
- an aluminum layer 22 is formed on the titanium layer 21, an aluminum layer 22 is formed.
- a molybdenum layer 23 is formed on the aluminum layer 22, a molybdenum layer 23 is formed.
- a gold layer 24 is formed.
- the n-ohm contact on aluminum gallium nitride is thus a multilayer
- Alloy contact in which the RTA step S7 leads to a significant diffusion of a contact metal.
- a contact implantation for increasing a dopant concentration in source and drain regions can be dispensed with.
- the temperature at which the alloying occurs is limited by the decomposition temperature of gallium nitride.
- the Fermi level is not pinned to the gallium nitride surface due to EFM measurements and comparison of Schottky barrier heights.
- metals with a work function less than or equal to the electron affinity of gallium nitride (about 4.1 eV) can form an ideal ohmic contact with an electron accumulation at the metal-semiconductor interface.
- an n-GaN / TiN / Ti 2 GaN / Ti 3 GaN contact system 25 is formed in titanium on gallium nitride.
- the binary component titanium nitride forms, together with the ternary, gallium-enriched titanium-gallium nitride components, a work function which is lower lies as the electron affinity of
- Aluminum (gallium) nitride thus, there is an ideal ohmic contact.
- the titanium nitride formation increases a tunneling probability due to the high
- tetragonal titanium aluminum 26 which is a temperature stable diffusion barrier.
- aluminum partially by the corresponding
- Titanium nitride layer diffuses, thus lowering the contact resistance, for example by the formation of aluminum nitride.
- the diffusion barrier 23 of molybdenum may also be formed of nickel, titanium, tungsten silicide or platinum. In addition to the diffusion of oxygen, the diffusion barrier should prevent back diffusion of the gold into the contact interface.
- 4 shows a schematic representation of a method for producing a light-emitting diode according to an embodiment of the invention.
- step S1 a first aluminum (gallium) nitride layer is grown on a substrate.
- step S2 a mask, for example of silicon nitride, is applied to the first aluminum (gallium) nitride layer.
- step S3 the first aluminum (gallium) nitride layer is etched to form a patterned first aluminum (gallium) nitride layer.
- step S4 the mask is removed.
- step S5 the structured first aluminum (gallium) nitride layer is overgrown with a second aluminum (gallium) nitride layer.
- step S6 forming n-ohmic contacts on the second aluminum (gallium) nitride layer, which are formed for example of vanadium / aluminum or titanium / aluminum.
- step S7 an RTA step is performed for rapid thermal annealing of the crystal structure of the substrate. The RTA step also serves to form the above-described mixed phases.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich, mit einer auf einem Substrat (10) ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), Ätzen der Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht (11) und Entfernen der Maske strukturiert ist, einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche auf die strukturierte erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) aufgewachsen ist, und n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode.
Description
Beschreibung Titel
Leuchtdiode und Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode
Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode und ein Verfahren zum Herstellen einer
Leuchtdiode.
Stand der Technik
Für die optische Spektroskopie bieten LED-basierte Lichtquellen großes Potenzial. Für eine Umsetzung von Sensorsystemen ist es vorteilhaft, Lichtquellen mit hoher optischer Leistung und auf die zu detektierenden Spezies angepasster Emissionscharakteristik zur Verfügung zu haben. Hierdurch können die Sensoreigenschaften, wie z.B. Sensitivität, Auflösungsvermögen, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und/oder Leistungsaufnahme verbessert sowie der Aufwand für die Signalverarbeitung verringert werden. Basierend auf Halbleitermaterialien mit geeigneter Dotierung können LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen, im Wesentlichen den infraroten und sichtbaren Bereich, aber auch den UV-Bereich bis ca. 250 nm abdeckend, realisiert werden. Im Hinblick auf die jeweilige Emissionswellenlänge, Absorptionseigenschaften und Transparenz spielt die Bandlücke dieser Materialien eine entscheidende Rolle. Grundsätzliche Prozesse zur Erzeugung von pn-Halbleiterdioden gelten als bekannt. Verfahren zum Aufwachsen der Halbleitermaterialien auf geeignete Substrate gelten ebenfalls als bekannt.
Die DE 2009 034 359 A1 offenbart einen p-dotierten Kontakt für die Verwendung in einer Leuchtdiode für den ultravioletten Spektralbereich, umfassend eine p-Kontaktschicht mit einer ersten Oberfläche zur Kontaktierung einer Strahlungszone und einer zweiten Oberfläche, die auf der der ersten Oberfläche abgewandten Seite eine Beschichtung aufweist, die einen Anteil der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht direkt kontaktiert und die ein Material enthält oder daraus besteht, welches für Licht im UV-Bereich mit einer Wellenlänge von 200 nm bis 400 nm eine maximale Reflektivität von zumindest 60 % und eine Mehrzahl von p-lnjektoren aufweist, die direkt auf der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht angeordnet sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden. Auf einem Substrat 1 , welches aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird eine
Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 2 abgeschieden. Die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht weist beispielsweise eine Dicke von 500 nm auf.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich mit einer auf einem Substrat ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske aus Siliziumnitrid auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, Ätzen der
Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und Entfernen der Maske strukturiert ist, einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche auf die strukturierte erste
Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht aufgewachsen ist und n-Ohmkontakten bzw. n- ohmschen Kontakten auf einer Aluminiumgalliumnitrid-Schicht, welche aus
Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.
Gemäß eines weiteren Aspektes schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung, mit den folgenden Schritten: 1.) Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat, 2.) Auftragen einer Maske auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 3.) Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht zum Ausbilden einer strukturierten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 4.)
Entfernen der Maske, 5.) Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und 6.) Ausbilden von n- Ohmkontakten bzw. n-ohmschen Kontakten auf einer Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.
Vorteile der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steigerung der Lichtemission von
Leuchtdioden für den ultravioletten Spektralbereich, insbesondere dem UV-C Bereich zu erreichen.
Eine nicht strahlende Rekombination von Elektron-Loch-Paaren wird durch eine
Strukturierung und der damit verbundenen Stressreduktion innerhalb der Schichten realisiert. Angepasste Kontakte reduzieren den über den ohmschen Kontakt entstehenden Spannungsabfall und erhöhen hierdurch die Lichtausbeute bei gleicher Spannung. Die Kombination der vorstehend genannten Merkmale führt zu einer Erhöhung der
Gesamteffizienz der Leuchtdiode.
Insbesondere soll eine Kombination von AIGaN-basierten Materialien mit geeignetem Al- Gehalt für eine Lichtemission im UV-C Bereich mit einer Substratstrukturierung zur Minimierung von Wachstumsdefekten bei der Herstellung sowie die Verwendung angepasster Materialien und Prozesse für n-Kontakte, d. h. für n-seitige Kontakte, zu AIGaN-Schichten mit hohem AI-Gehalt vorgesehen werden. Somit kann eine erhöhte Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht werden, da durch die Substratstrukturierung die interne Quanteneffizienz wesentlich erhöht wird und durch die angepassten Kontakte der Übergangswiderstand Metall-Halbleiter minimiert und somit bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme eine hohe Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht wird.
Somit wird eine Steigerung der Lichtemission der Leuchtdiode bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme erreicht. Dies ist notwendig, um beispielsweise in
Sensorikanwendungen im relevanten Wellenlängenbereich, insbesondere 200 nm bis 250 nm, ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Für das Wachstum auf dem Substrat wird die Strukturierung des Substrats vorgesehen, um eine möglichst stressfreie, defektarme und damit effiziente Leuchtdiode auszubilden.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, welche bei einer Einlegierung ausgebildete Titanoder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen aufweisen. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid oder Vanadiumnitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid oder Vanadiumgalliumnitrit-
Komponenten ausgebildet ist, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN oder VN-Bildung eine
Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht ausgebildet ist, welche mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugbar ist. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan,
Wolframsilizid oder Platin ausgebildet ist. Dadurch können sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren.
Darüber hinaus ist eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet ist. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, wobei bei einer Einlegierung Titan- oder
Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen ausgebildet werden. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der
Aluminium(Gallium)nitridschicht eine Titanschicht ausgebildet wird, wobei bei einem RTA-
Schritt ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten ausgebildet wird, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von
Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen
Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.
Überdies ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugt wird. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine
Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile
Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den
Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan,
Wolframsilizid oder Platin ausgebildet wird. Dadurch können sowohl das Titan- als auch das Aluminium-Verbindungen sowie deren vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren.
Darüber hinaus wird eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet wird. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %. Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig
miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im
Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem
ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt
Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Abscheidens von
Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO- Verfahrens (Epitaxiallateralüberwachsung) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer
Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
In der vorliegenden Erfindung sind mit Aluminium(Gallium)Nitrid-Schichten Schichten gemeint, die ein definiertes AI:Ga Verhältnis aufweisen: Alx(Gai-x)N, wobei x eine reele Zahl zwischen 0 und 1 sein kann. Ferner können die Schichten Dotierungen aufweisen,
wobei die Dotierstoffkonzentration üblicherweise viel kleiner ist als die Gallium- und Aluminiumkonzentration.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante, insbesondere für UVC-LEDs, ist eine im Rahmen der technischen Möglichkeiten möglichst Ga-freie Aluminiumnitrid-Schicht, d.h. Alx(Gai-x)N mit x>0,99.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Leuchtdiode für den UVC- Spektralbereich mit einer Wellenlänge < 250 nm.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Abscheiden von Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO-Verfahrens (Epitoxial-Lateral-Over-growth) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auf einem Substrat 10, welches beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird in einem ersten Schritt eine Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 1 1 gewachsen. Auf diese wird anschließend eine Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, aufgetragen. Beim folgenden Ätzprozess wird das Material an den nicht von der Maske bedeckten Stellen entfernt. Nach Entfernung der Maske kann die strukturierte Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 1 1 mit einer weiteren Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 überwachsen werden. Die zu Beginn des Überwachsens durch Hohlräume 12 oberhalb von Ätzgräben unterbrochene
Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 wächst mit zunehmender Schichtdicke zusammen. Durch eine auf diesem Wege erreichte Koaleszenz kann eine Defektdichte, welche durch ein gitterfehlangepasstes Wachstum von Aluminium(Gallium)nitrid auf beispielsweise einem Saphir-Wafer hervorgerufen wird, auf einen Bruchteil reduziert werden.
Die Fig.3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 3 zeigt linker Hand einen Aufbau eines
Ohmkontaktes vor dem RTA-Schritt S7 sowie rechter Hand einen Aufbau des
Ohmkontaktes nach dem RTA-Schritt S7.
Ein n-Ohmkontakt wird auf der zweiten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 aus Fig. 2 ausgebildet, wobei der n-Ohmkontakt in vorliegendem Ausführungsbeispiel aus
Titan/Aluminium ausgebildet ist. Alternativ kann der n-Ohmkontakt auch aus anderen Materialien wie z.B. Vanadium/Aluminium-basiert ausgebildet sein. Auf der
Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 ist eine Titan-Schicht 21 ausgebildet. Auf der Titan- Schicht 21 ist eine Aluminium-Schicht 22 ausgebildet. Auf der Aluminium-Schicht 22 ist eine Molybdän-Schicht 23 ausgebildet. Auf der Molybdän-Schicht 23 ist eine Gold-Schicht 24 ausgebildet.
Der n-Ohmkontakt auf Aluminiumgalliumnitrid ist somit ein mehrlagiger
Legierungskontakt, bei dem der RTA-Schritt S7 zu einer deutlichen Eindiffusion eines Kontaktmetalls führt. Infolgedessen kann auf eine Kontaktimplantation zur Erhöhung einer Dotierstoffkonzentration in Source- und Draingebieten verzichtet werden. Die Temperatur, bei der die Einlegierung erfolgt, ist durch die Zersetzungstemperatur von Galliumnitrid begrenzt. Bei dem Materialsystem Galliumnitrid wird aufgrund von EFM-Messungen sowie einem Vergleich von Schottky-Barrierenhöhen das Ferminiveau nicht an die Galliumnitrid- Oberfläche gepinnt. Demzufolge können Metalle mit einer Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Elektronenaffinität von Galliumnitrid (ca. 4,1 eV) einen idealen ohmschen Kontakt mit einer Elektronenanreicherung an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bilden.
Bei der Einlegierung werden Titannitrid-Verbindungen sowie Stickstofffehlstellen ausgebildet, die zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche führen. Aufgrund der möglichen Phasenbildungen entsteht somit bei Titan auf Galliumnitrid ein n- GaN/TiN/Ti2GaN/Ti3GaN Kontaktsystem 25. Die binäre Komponente Titannitrid bildet zusammen mit den ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten in Summe eine Austrittsarbeit, die niedriger liegt als die Elektronenaffinität von
Aluminium(Gallium)nitrid. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die Titannitrid-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen
Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen. Um bei hohen
Legierungstemperaturen die Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion
darüberliegender Metallisierungen zu vermeiden, wird die Aluminiumschicht 22
abgeschieden. Diese bildet mit der Titan-Schicht 21 nach dem RTA-Schritt S7
tetragonales Titanaluminium 26, welches eine temperaturstabile Diffusionsbarriere darstellt. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die entsprechende
Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch die Bildung von Aluminiumnitrid.
Sowohl die Titan- als auch die Aluminium-Verbindungen müssen vor Oxidation geschützt werden und stabil zu kontaktieren sein. Üblich ist hierfür die Abscheidung der
Kontaktschicht 24 aus Gold zusammen mit der Diffusionsbarriere 23 aus Molybdän.
Alternativ kann die Diffusionsbarriere ebenfalls aus Nickel, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet sein. Die Diffusionsbarriere soll neben der Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche verhindern. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In Schritt S1 erfolgt ein Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat. In Schritt S2 erfolgt ein Auftragen einer Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S3 erfolgt ein Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht zum Ausbilden einer strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S4 erfolgt ein Entfernen der Maske. In Schritt S5 erfolgt ein Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S6 erfolgt ein Ausbilden von n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche beispielsweise aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind. In Schritt S7 erfolgt ein RTA-Schritt zur schnellen thermischen Ausheilung der Kristallstruktur des Substrats. Der RTA-Schritt dient ebenfalls der Ausbildung der vorstehend beschriebenen Mischphasen.
Claims
1 . Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich, mit
einer auf einem Substrat (10) ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ), welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ), Ätzen der
Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ) und Entfernen der Maske strukturiert ist;
einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche auf die strukturierte erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ) aufgewachsen ist; und n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.
2. Leuchtdiode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, welche bei einer Einlegierung ausgebildete Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen aufweisen.
3. Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Kontaktsystem (25) aus einer binären Komponente Titannitrid oder Vanadiumnitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid oder
Vanadiumgalliumnitrit-Komponenten ausgebildet ist, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist.
4. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht (26) ausgebildet ist, welche mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht (22) auf einer Titanschicht (21 ) oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugbar ist.
5. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsbarriere (23) aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet ist.
6. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktschicht (24) aus Gold ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung, mit den Schritten:
Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat (10); Auftragen einer Maske auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 );
Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ) zum Ausbilden einer strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 );
Entfernen der Maske;
Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (1 1 ) mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14); und
Ausbilden von n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Ohmkontakte
mehrlagige Legierungskontakte sind, wobei bei einer Einlegierung Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen ausgebildet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der
Aluminium(Gallium)nitridschicht eine Titanschicht ausgebildet wird, wobei bei einem RTA-Schritt ein Kontaktsystem (25) aus einer binären Komponente Titannitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten ausgebildet wird, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die
Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht (26) mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht (22) auf einer Titanschicht (21 ) oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsbarriere (23) aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktschicht (24) aus Gold ausgebildet wird.
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