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Die
Erfindung betrifft einen Dünnfilm-LED nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Diese
Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung
10 2004 003 986.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug
aufgenommen wird.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente,
insbesondere zur Herstellung von Lumineszenzdioden auf der Basis von
Nitridverbindungshalbleitern, basiert auf der sogenannten Dünnfilm-Technologie.
Bei diesem Verfahren wird eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge,
die insbesondere eine strahlungsemittierende aktive Schicht umfasst,
zunächst
epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend ein neuer
Träger
auf die dem Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt.
Da die für
Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC,
Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren
insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar
ist. Das Ablösen
eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer Halbleiterschichtenfolge
aus einem Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem aus
der WO 98/14986 bekanntem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen.
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Eine
Dünnfilm-LED
zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale
aus:
- – an
einer zu einem Träger
hin gewandten Hauptfläche
einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende
Schicht (Spiegelschicht) 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 etwa 6 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 des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge
führt,
d.h. sie weist ein möglichst
ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein
Grundprinzip einer Dünnfilm-LED
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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Die
elektrische Kontaktierung von Dünnfilm-LEDs
erfolgt in der Regel durch zwei elektrische Kontaktschichten, beispielsweise
durch eine p-Kontaktschicht auf der Rückseite des Trägers und
eine n-Kontaktschicht auf der vom Träger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge.
In der Regel ist die vom Träger
abgewandte Seite der Dünnfilm-LED zur
Strahlungsauskopplung vorgesehen, so dass eine für die emittierte Strahlung
nicht-transparente Kontaktschicht nur auf einen Teilbereich der
Oberfläche
der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden kann. Aus diesem
Grund wird oftmals nur ein vergleichsweise kleiner zentraler Bereich
der Chipoberfläche
mit einer Kontaktfläche
(Bondpad) versehen.
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Bei
herkömmlichen
Lumineszenzdiodenchips, die eine Kantenlänge von weniger als 300 μm aufweisen,
kann in der Regel bereits mit einem zentral auf der Chipoberfläche angeordneten
Bondpad eine vergleichsweise homogene Stromverteilung im Halbleiterchip
erreicht werden. Bei großflächigen Halbleiterchips,
die beispielsweise eine Kantenlänge von
etwa 1 mm aufweisen, kann diese Art der Kontaktierung aber nachteilig
zu einer inhomogenen Bestromung des Halbleiterchips führen, die
zu einer erhöhten
Vorwärtsspannung
und zu einer geringeren Quanteneffizienz in der aktiven Zone führt. Dieser
Effekt tritt insbesondere bei Halbleitermaterialien, die eine geringe
Querleitfähigkeit
aufweisen, insbesondere bei Nitridverbindungshalbleitern, auf. Die
maximale Stromdichte tritt in diesem Fall in einem zentralen Bereich
des Halbleiterchips auf. Die in diesem zentralen Bereich des Halbleiterchips
emittierte Strahlung wird aber zumindest teilweise zu dem nicht transparenten
Bondpad hin emittiert und somit zumindest teilweise absorbiert.
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Um
die Stromaufweitung zu verbessern, ist beispielsweise bekannt, eine
dünne semitransparente
Metallisierungsschicht, zum Beispiel Pt oder NiAu, ganzflächig auf
die Chipoberfläche
eines p-Halbleitermaterials aufzubringen. Dabei wird jedoch ein nicht
vernachlässigbarer
Teil der emittierten Strahlung, beispielsweise etwa 50%, in der
semitransparenten Schicht absorbiert. Weiterhin sind derartige Kontaktschichten
nicht ohne weiteres zur Kontaktierung von n-dotierten Nitridverbindungshalbleitern
geeignet.
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Zur
Verbesserung der Stromeinkopplung bei InGaAlP-LEDs ist aus der
DE 199 47 030 A1 bekannt,
eine relativ dicke, transparente Stromaufweitungsschicht, die mit
einer lateral strukturierten elektrischen Kontaktschicht versehen
ist, zu verwenden. Die Stromeinprägung erfolgt dabei durch ein
zentrales Bondpad sowie durch mehrere mit dem Bondpad verbundene
Kontaktstege auf der Chipoberfläche. Diese
Art der Kontaktierung ist nicht ohne weiteres auf großflächige Leuchtdiodenchips,
die ein Halbleitermaterial mit geringer Querleitfähigkeit,
insbesondere Nitridverbindungshalbleiter, enthalten, übertragbar,
da die Dichte der nicht-transparenten Kontaktstege auf der Chipoberfläche derart
erhöht
werden müsste,
dass ein Großteil
der emittierten Strahlung in der Kontaktschicht absorbiert würde. Eine
vergleichsweise dicke Stromaufweitungsschicht führt ferner zu einem erhöhten Spannungsabfall
und beansprucht eine lange Wachstumszeit bei der Herstellung. Ferner
können
in einer vergleichsweise dicken Stromaufweitungsschicht Verspannungen
auftreten, durch die möglicherweise
Risse induziert werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dünnfilm-LED mit einer verbesserten
Stromaufweitungsstruktur anzugeben, die sich insbesondere durch
eine vergleichsweise homogene Stromverteilung über die Chipfläche bei
einer vergleichsweise geringen Abschattung der Chipoberfläche durch Kontaktschichtmaterial
auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Dünnfilm-LED
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei
einer Dünnfilm-LED
mit einer aktiven Schicht, die elektromagnetische Strahlung in eine Hauptstrahlungsrichtung
emittiert, einer der aktiven Schicht in der Hauptstrahlungsrichtung
nachfolgenden Stromaufweitungsschicht aus einem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial,
einer Hauptfläche,
durch welche die in der Hauptstrahlungsrichtung emittierte Strahlung
ausgekoppelt wird, und einer ersten Kontaktschicht, die auf der
Hauptfläche
angeordnet ist, ist gemäß der Erfindung
die Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht durch Ausbildung eines zweidimensionalen
Elektronen- oder Löchergases
erhöht.
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Die
erhöhte
Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht führt
zu einer homogenen Bestromung der aktiven Schicht und erhöht dadurch
die Effizienz der Dünnfilm-LED.
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Zur
Ausbildung eines zweidimensionalen Elektronen- oder Löchergases
in der Stromaufweitungsschicht ist vorzugsweise mindestens eine Schicht
aus einem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial, das eine
größere elektronische
Bandlücke
als das erste Nitridverbindungshalbleitermaterial aufweist, in die
Stromaufweitungsschicht eingebettet.
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Das
erste Nitridverbindungshalbleitermaterial und das zweite Nitridverbindungshalbleitermaterial weisen
vorteilhaft jeweils die Zusammensetzung InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x +
y ≤ 1 auf, wobei
sich die Zusammensetzung des zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterials
von der Zusammensetzung des ersten Nitridverbindungshalbleitermaterials
derart unterscheidet, dass die elektronische Bandlücke des
zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterials größer ist als die des ersten
Nitridverbindungshalbleitermaterials. Dabei muss das jeweilige Material
nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger
Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie
zusätzliche
Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des
Materials im wesentlichen nicht ändern.
Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese
teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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An
den Grenzflächen
zwischen der mindestens einen Schicht aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
und der Stromaufweitungsschicht aus dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial
bilden sich Bereiche mit besonders hoher Querleitfähigkeit
aus. Die erhöhte
Querleitfähigkeit dieser
Bereiche lässt
sich im Bändermodell
derart erklären,
dass an den Grenzflächen
zwischen dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial und dem zweiten
Nitridverbindungshalbleitermaterial jeweils eine Verbiegung der
Bandkanten des Leitungsbandes und des Valenzbandes auftritt, die
zur Ausbildung einer Potentialmulde führt, in der ein zweidimensionales
Elektronen- oder Löchergas
mit besonders hoher Querleitfähigkeit
auftritt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
einer Dünnfilm-LED
gemäß der Erfindung
sind mehrere Schichten aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
in die Stromaufweitungsschicht eingebettet. Auf diese Weise wird
vorteilhaft eine Vielzahl von Grenzflächen zwischen dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial
und dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial ausgebildet,
an denen sich aufgrund der Bandverbiegung jeweils eine Potentialmulde ausbildet,
in der ein zweidimensionales Elektronen- oder Löchergas mit hoher Querleitfähigkeit
auftritt. Die Querleitfähigkeit
der gesamten Stromaufweitungsschicht wird dadurch im Vergleich zu
einer Stromaufweitungsschicht mit nur einer eingebetteten Schicht,
die eine größere elektronische
Bandlücke
erste Nitridverbindungshalbleitermaterial aufweist, weiter erhöht. Die
Anzahl der Schichten aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
beträgt
vorzugsweise zwischen einschließlich
1 und 5.
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Die
Dicke der mindestens einen Schicht aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
beträgt
beispielsweise etwa 10 nm bis 100 nm.
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Das
erste Nitridverbindungshalbleitermaterial, aus dem die Stromaufweitungsschicht
gebildet ist, ist vorzugsweise GaN. Das zweite Nitridverbindungshalbleitermaterial
ist beispielsweise AlxGa1-xN
mit 0 < x ≤ 1, wobei
vorzugsweise 0,1 ≤ x ≤ 0,2 gilt.
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Die
mindestens eine Schicht aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
weist bevorzugt eine Dotierung auf, wobei eine Dotierstoffkonzentration
in den an die Stromaufweitungsschicht angrenzenden Bereichen höher ist
als in einem zentralen Bereich der Schicht. Die erhöhte Dotierstoffkonzentration
in den an die Stromaufweitungsschicht angrenzenden Bereichen des
zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterials hat den Vorteil, dass
in den Bereichen, in denen die Querleitfähigkeit durch die Ausbildung
eines zweidimensionalen Elektronenbeziehungsweise Löchergases
erhöht
ist, eine erhöhte Anzahl an
freien Ladungsträgern
vorhanden ist. Die Querleitfähigkeit
und die Stromaufweitung werden dadurch weiter verbessert.
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Das
erste und das zweite Nitridverbindungshalbleitermaterial sind beispielsweise
jeweils n-dotiert. In diesem Fall bildet sich ein zweidimensionales Elektronengas
an den Grenzflächen
zwischen dem ersten und dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
aus. Alternativ ist es auch möglich,
dass sowohl das erste als auch das zweite Nitridverbindungshalbleitermaterial
jeweils p-dotiert sind. Im Gegensatz zum zuvor genannten Fall bildet
sich dabei nicht ein zweidimensionales Elektronengas, sondern ein
zweidimensionales Löchergas
an der Grenzfläche
zwischen dem ersten und dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
aus. Bei einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung ist
vorgesehen, eine sehr dünne
n-dotierte Schicht aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
in eine Stromaufweitungsschicht aus einem p-dotierten ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial
einzubetten. Auf diese Weise ist es auch in einem p-dotierten ersten
Nitridverbindungshalbleitermaterial möglich, ein zweidimensionales
Elektronengas zu erzeugen.
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Die
aktive Schicht der Dünnfilm-LED
umfasst beispielsweise InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Die aktive Schicht kann zum
Beispiel als Heterostruktur, Doppelheterostruktur oder als Quantentopfstruktur
ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei
jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement)
eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. 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.
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Bei
einer Ausführungsform
der Dünnfilm-LED
beträgt
zumindest eine Kantenlänge
der zur Strahlungsauskopplung vorgesehenen Hauptfläche 400 μm oder mehr,
besonders bevorzugt 800 μm oder
mehr. Insbesondere kann sogar eine Kantenlänge vom 1 mm oder mehr vorgesehen
sein, wobei die Hauptfläche
insbesondere eine quadratische Form aufweisen kann. Durch die Erhöhung der
Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht kann selbst bei großflächigen Dünnfilm-LEDs eine vergleichsweise homogene
Stromverteilung in der aktiven Schicht erzielt werden, die ansonsten
mit einer herkömmlichen Stromaufweitungsschicht
aus einem Nitridverbindungshalbleitermaterial nicht ohne weiteres
zu realisieren wäre.
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Die
erste Kontaktschicht der Dünnfilm-LED, die
auf der zur Strahlungsauskopplung vorgesehenen Hauptfläche angeordnet
ist, enthält
vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung. Vorzugsweise
ist die erste Kontaktschicht eine Ti-Pt-Au-Schichtenfolge, die ausgehend
von der angrenzenden Nitridverbindungshalbleiterschicht zum Beispiel
eine etwa 50 nm dicke Ti-Schicht, eine etwa 50 nm dicke Pt-Schicht und eine
etwa 2 μm
dicke Au-Schicht umfasst. Eine Ti-Pt-Au-Schichtenfolge ist vorteilhaft
unempfindlich gegenüber
Elektromigration, die ansonsten, beispielsweise bei einer Aluminium
enthaltenden ersten Kontaktschicht, auftreten könnte. Die erste Kontaktschicht
ist daher bevorzugt frei von Aluminium.
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Vorteilhaft
weist die erste Kontaktschicht sie eine laterale Struktur auf, die
eine Kontaktfläche (Bondpad)
und mehrere Kontaktstege umfasst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist
die Kontaktfläche
von mindestens einem rahmenförmigen
Kontaktsteg umgeben, wobei der rahmenförmige Kontaktsteg durch mindestens
einen weiteren Kontaktsteg mit der Kontaktfläche verbunden ist. Der mindestens
eine rahmenförmige
Kontaktsteg kann beispielsweise eine quadratische, rechteckige oder kreisförmige Form
aufweisen.
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Aufgrund
der erhöhten
Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht muss bei einer Dünnfilm-LED gemäß der Erfindung
vorteilhaft nur ein vergleichsweise geringer Anteil der Hauptfläche von
der Kontaktschicht bedeckt sein. Vorteilhaft sind nur weniger als
15%, besonders bevorzugt weniger als 10% Gesamtfläche der
Hauptfläche
von der ersten Kontaktschicht bedeckt. Die gute Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht hat weiterhin der Vorteil, dass bereits
eine vergleichsweise grobe Strukturierung der Kontaktschicht ausreicht,
um eine vergleichsweise homogene Stromdichteverteilung in der aktiven
Schicht in der Dünnfilm-LED zu erzeugen. Vorteilhaft
ist beispielsweise die Kontaktfläche
von 1, 2 oder 3 rahmenförmigen
Kontaktstegen umgeben. Eine feinere Strukturierung der Kontaktschicht;
insbesondere die Verwendung einer größeren Anzahl von rahmenförmigen Kontaktstegen,
ist zur Steigerung der Effizienz der Dünnfilm-LED aufgrund der hohen
Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht nicht erforderlich. Der Aufwand für die Strukturierung der
ersten Kontaktschicht ist deshalb vorteilhaft gering.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform enthält eine
zweite Kontaktschicht, die von der aktiven Schicht aus gesehen der
ersten Kontaktschicht gegenüberliegt.
Die zweite Kontaktschicht weist in einem der Kontaktfläche gegenüberliegenden
Bereich eine Aussparung auf. Die zweite Kontaktschicht ist also
derart strukturiert, dass der Kontaktfläche, die zusammen mit mindestens
einem Kontaktsteg die erste Kontaktschicht ausbildet, von der aktiven Schicht
aus gesehen ein nicht von der zweiten Kontaktschicht bedeckter Bereich
gegenüber
liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Stromdichte in einem Bereich
der aktiven Schicht, der unterhalb der Kontaktfläche liegt, vermindert ist.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die erste Kontaktschicht
aus einem nicht-transparenten Metall besteht, weil ansonsten zumindest
ein Teil der unterhalb der Kontaktfläche erzeugten Strahlung in
der Kontaktfläche
absorbiert würde.
Die Effizienz der Dünnfilm-LED
wird auf diese Weise vorteilhaft erhöht.
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Die
zweite Kontaktschicht ist vorzugsweise eine für die emittierte Strahlung
reflektierende Schicht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Dünnfilm-LED
an einer der Hauptfläche
gegenüberliegenden
Fläche
mit einer Verbindungsschicht, beispielweise einer Lotschicht, mit
einem Träger
verbunden ist. In diesem Fall wird die in Richtung des Trägers emittierte
Strahlung von der reflektierenden Kontaktschicht zur Hauptfläche hin
zurückreflektiert und
auf diese Weise die Strahlungsabsorption im Träger und/oder der Verbindungsschicht
vermindert.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung für Dünnfilm-LEDs,
die mit einer Stromstärke
von 300 mA oder mehr betrieben werden, da bei derart hohen Betriebsstromstärken bei
herkömmlichen
Dünnfilm-LEDs
eine inhomogene Stromverteilung, die ein Maximum in einem zentralen
Bereich des Leuchtdiodenchips aufweisen würde, zu beobachten wäre.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den 1 bis 7 näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A eine
schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Dünnfilm-LED
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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1B eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf die Dünnfilm-LED
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2A eine
schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Dünnfilm-LED
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2B eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf die Dünnfilm-LED
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3A und 3B eine
schematische Darstellung der elektronischen Bandstruktur einer n-dotierten
Halbleiterschicht, in die eine n-dotierte Schicht mit größerer elektronischer
Bandlücke
aus einem zweiten Halbleitermaterial eingebettet ist,
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4 eine
schematische Darstellung des Verlaufs der Dotierstoffkonzentration
der in 2 dargestellten Halbleiterschichten,
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5 eine
schematische Darstellung des Bändermodells
einer Halbleiterschicht, in die mehrere Halbleiterschichten aus
einem zweiten Halbleitermaterial mit größerer elektronischer Bandlücke eingebettet
sind,
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6 eine
schematische Darstellung des Verlaufs der Valenzbandkante einer
p-dotierten Halbleiterschicht, in die eine p-dotierte Halbleiterschicht aus
einem zweiten Halbleitermaterial mit größerer elektronischer Bandlücke eingebettet
ist, und
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7A und 7B eine
schematische Darstellung des Bändermodells
einer p-dotierten Halbleiterschicht, in die eine n-dotierte Halbleiterschicht
aus einem zweiten Halbleitermaterial mit größerer elektronischer Bandlücke eingebettet
ist.
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
in der 1A entlang einem Querschnitt der
Linie I-II der in der 1B gezeigten Aufsicht dargestellte
Dünnfilm-LED gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
eine Epitaxieschichtenfolge 16, die eine aktive Schicht 7 umfasst.
Die aktive Schicht 7 ist beispielsweise als Heterostruktur,
Doppelheterostruktur oder als Quantentopfstruktur ausgebildet. Von
der aktiven Schicht 7 wird elektromagnetische Strahlung 19,
beispielsweise im ultravioletten, blauen oder grünen Spektralbereich, in eine
Hauptstrahlungsrichtung 15 emittiert. Die aktive Schicht 7 ist
beispielsweise zwischen mindestens einer p-dotierten Halbleiterschicht 6 und mindestens
einer n-dotierten Halbleiterschicht 8 enthalten. Die von
der aktiven Schicht 7 in die Hauptstrahlungsrichtung 15 emittierte
elektromagnetische Strahlung 19 wird durch eine Hauptfläche 14 aus
der Dünnfilm-LED
ausgekoppelt.
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Auf
einer der Hauptfläche 14 gegenüberliegenden
Seite ist die Epitaxieschichtenfolge 16 mittels einer Verbindungsschicht 3,
beispielsweise einer Lotschicht, auf einem Träger 2 befestigt. Die
Rückseite des
Trägers
ist beispielsweise mit einer Elektrode 1 versehen.
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Zur
elektrischen Kontaktierung der Epitaxieschichtenfolge 16 der
Dünnfilm-LED
ist eine erste Kontaktschicht 11, 12, 13 auf
der Hauptfläche 14 der Dünnfilm-LED
vorgesehen. Zwischen der aktiven Schicht 7 und der ersten
Kontaktschicht 11, 12, 13 ist eine Stromaufweitungsschicht 9 enthalten,
die ein erstes Nitridverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise
GaN, enthält.
In die Stromaufweitungsschicht 9 aus dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial ist
mindestens eine Schicht 10 aus einem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial,
vorzugsweise aus AlGaN, eingebettet, d.h. die Stromaufweitungsschicht 9 ist
eine mehrlagige Schicht, die zum Beispiel zwei GaN-Teilschichten 9a, 9b,
die durch eine eingebettete AlGaN-Schicht 10 voneinander
getrennt sind, umfasst. Die AlGaN-Schicht 10 weist vorzugsweise
die Zusammensetzung AlxGa1-xN
mit 0,1 ≤ x ≤ 0,2 auf.
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Wie
im folgenden noch näher
erläutert
wird, wird durch die in die Stromaufweitungsschicht 9 eingebettete
Halbleiterschicht 10 die Querleitfähigkeit der Stromaufweitungsschicht 9 verbessert.
Die in die Stromaufweitungsschicht 9 eingebettete Schicht 10 aus
dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial weist bevorzugt
eine Dicke von einschließlich
10 nm bis einschließlich
100 nm auf.
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Der
erste Kontaktschicht 11, 12, 13 umfasst bevorzugt
eine Ti-Pt-Au-Schichtenfolge (nicht dargestellt), die ausgehend
von der angrenzenden Stromaufweitungsschicht 10 zum Beispiel eine
etwa 50 nm dicke Ti-Schicht, eine etwa 50 nm dicke Pt-Schicht und eine
etwa 2 μm
dicke Au-Schicht umfasst. Zur Vermeidung von Elektromigration enthält die erste Kontaktschicht 11, 12, 13 vorzugsweise
kein Aluminium. Die laterale Struktur der auf der Hauptfläche 14 der
Dünnfilm-LED
angeordneten ersten Kontaktschicht 11, 12, 13 wird
in der in 1B dargestellten Aufsicht verdeutlicht.
Die erste Kontaktschicht umfasst eine Kontaktfläche 11, die in einem
zentralen Bereich der Hauptfläche 14 angeordnet
ist. Weiterhin umfasst die erste Kontaktschicht mehrere Kontaktstege 12,
die von der Kontaktfläche 11 aus
in radialer Richtung zum Rand der Dünnfilm-LED hin verlaufen. Diese
Kontaktstege 12 sind zumindest teilweise durch weitere
rahmenförmige
Kontaktstege 13, welche die Kontaktfläche 11 einschließen, miteinander verbunden.
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Die
rahmenförmigen
Kontaktstege 13 können
wie dargestellt als ineinander geschachtelte Quadrate oder Rechtecke
ausgeführt
sein. Alternativ wären
beispielsweise auch kreisförmige
Rahmen oder Rahmen in Form regelmäßiger Vielecke möglich, wobei
bevorzugt die rahmenförmigen
Kontaktstege 13 konzentrisch angeordnet sind, das heißt einen
gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, in dem bevorzugt die Kontaktfläche 11 angeordnet
ist. Die Anzahl der rahmenförmigen
Kontaktstege beträgt
bevorzugt 1, 2 oder 3. Die erste Kontaktschicht, die die Kontaktfläche 11 und
die Kontaktstege 12, 13 umfasst, ist bevorzugt
aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet.
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An
die dem Träger 2 zugewandte
Seite der Halbleiterschichtenfolge 16 der Dünnfilm-LED
grenzt eine zweite Kontaktschicht 5, die bevorzugt einen ohmschen
Kontakt zur angrenzenden Halbleiterschicht 6 herstellt,
an. Die zweite Kontaktschicht 5 enthält vorzugsweise ein Metall
wie zum Beispiel Aluminium, Silber oder Gold. Im Fall einer p-dotierten an die
zweite Kontaktschicht 5 angrenzenden Halbleiterschicht 6 ist
insbesondere Silber ein geeignetes Material für die zweite Kontaktschicht 5,
da Silber einen guten ohmschen Kontakt zu p-dotierten Nitridverbindungshalbleitern
herstellt.
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Vorzugsweise
ist die zweite Kontaktschicht 5 eine die emittierte Strahlung
reflektierende Schicht. Dies hat den Vorteil, dass elektromagnetische
Strahlung, die von der aktiven Schicht 7 in Richtung des Trägers 2 emittiert
wird, zumindest zum Teil zur Hauptfläche 14 hin reflektiert
und dort aus der Dünnfilm-LED
ausgekoppelt wird. Auf diese Weise werden Absorptionsverluste, die
beispielsweise innerhalb des Trägers 2 oder
in der Verbindungsschicht 3 auftreten könnten, vermindert.
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In
einem der Kontaktfläche 11 der
ersten Kontaktschicht gegenüber
liegenden Bereich weist die zweite Kontaktschicht 5 bevorzugt
eine Ausnehmung 18 auf. Die Größe und die Form der Ausnehmung 18 stimmen
bevorzugt im wesentlichen mit der Größe und der Form der Kontaktfläche 11 überein. Da
im Bereich der Ausnehmung 18 kein ohmscher Kontakt zwischen
der zweiten Kontaktschicht 5 und der angrenzenden Halbleiterschicht 6 entsteht,
wird der Stromfluss zwischen der ersten Kontaktschicht 11, 12, 13 auf
der Hauptfläche 14 und
der Elektrode 1 auf der Rückseite des Trägers 2 durch
den Bereich der Ausnehmung 18 vermindert. Auf diese Weise wird
der Stromfluss durch einen Bereich der aktiven Schicht 7,
der zwischen der ersten Kontaktfläche 11 und der Ausnehmung 18 in
der zweiten Kontaktschicht 5 angeordnet ist, vorteilhaft
reduziert. Die Strahlungserzeugung in diesem Bereich der aktiven Schicht 7 ist
somit vermindert, wodurch vorteilhaft die Absorption von Strahlung
innerhalb der nicht-transparenten
Kontaktfläche 11 zumindest
teilweise reduziert wird.
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Zwischen
der zweiten Kontaktschicht 5 und der Verbindungsschicht 3 ist
vorzugsweise eine Barriereschicht 4 enthalten. Die Barriereschicht 4 enthält beispielsweise
TiWN. Durch die Barriereschicht 4 wird insbesondere eine
Diffusion von Material der Verbindungsschicht 3, die beispielsweise
eine Lotschicht ist, in die zweite Kontaktschicht verhindert, durch
die insbesondere die Reflektion der als Spiegelschicht fungierenden
zweiten Kontaktschicht 5 beeinträchtigt werden könnte.
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Das
in der 2A in einem Querschnitt und in
der 2B in einer Aufsicht schematisch dargestellte
zweite Ausführungsbeispiel
einer Dünnfilm-LED
gemäß der Erfindung
unterscheidet sich von dem in der 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zum einen dadurch, dass anstelle einer einzigen Schicht
drei Schichten 10a, 10b, 10c aus dem
zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial in die Stromaufweitungsschicht 9 eingebettet
sind, d.h. die Stromaufweitungsschicht 9 ist eine mehrlagige
Schicht, die zum Beispiel vier GaN-Teilschichten 9a, 9b, 9c, 9d die
durch drei eingebettete AlGaN-Schichten 10a, 10b, 10c voneinander getrennt
sind, umfasst. Alternativ könnten
auch noch weitere Schichten aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
in die Stromaufweitungsschicht 9 aus dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial
eingebettet sein.
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Eine
bevorzugte Anzahl der eingebetteten Schichten beträgt zwischen
1 und 5. Die mehreren Schichten 10a, 10b, 10c weisen
jeweils eine Dicke von 10 nm bis 100 nm auf und müssen nicht
notwendigerweise periodisch angeordnet sein. Beispielsweise sind
die Schichten 10a, 10b, 10c unterschiedlich dick
und/oder weisen unterschiedliche gegenseitige Abstände auf.
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Durch
die mehreren eingebetteten Schichten 10a, 10b, 10c aus
dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial wird die Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht 9 im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform mit einer einzelnen
eingebetteten Schicht vorteilhaft weiter erhöht. Beispielsweise werden durch
drei in die Stromaufweitungsschicht 9 eingebettete Schichten 10a, 10b, 10c sechs
Grenzflächen
zwischen dem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial und dem
zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial mit der größeren elektronischen
Bandlücke
erzeugt. An jeder dieser Grenzflächen
bildet sich jeweils ein Potentialtopf für Elektronen aus, innerhalb
dessen die Elektronen eine besonders hohe Beweglichkeit aufweisen.
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Ein
Vorteil der Erhöhung
der Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht besteht darin, dass durch das Einbetten
der Schichten 10a, 10b, 10c aus dem zweiten
Nitridverbindungshalbleitermaterial in die Stromaufweitungsschicht 9 die
Querleitfähigkeit der
Stromaufweitungsschicht 9 derart erhöht wird, dass die Anzahl der
Kontaktstege, der Abstand der Kontaktstege untereinander und die
von den Kontaktstegen 12, 13 und der Kontaktfläche 11 bedeckte Chipfläche vermindert
werden können,
ohne dass dadurch die Stromaufweitung innerhalb der Dünnfilm-LED
wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Wie
in der 2B dargestellten Aufsicht zu erkennen
ist, unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung
von dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weiterhin dadurch, dass die erste Kontaktschicht auf
der Hauptfläche 14 anstelle
von drei rahmenförmigen
Kontaktstegen 13 nur zwei rahmenförmige Kontaktstege 13 umfasst.
Durch die Erhöhung
der Querleitfähigkeit
der Stromaufweitungsschicht 9 kann also die Struktur der
ersten Kontaktschicht 11, 12, 13 vereinfacht
werden, wodurch der Herstellungsaufwand verringert und die Absorption
von Strahlung innerhalb der Kontaktschicht 11, 12, 13 vermindert
wird.
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Die
Erhöhung
der Querleitfähigkeit
durch Ausbildung eines zweidimensionalen Elektronen- oder Löchergases
wird im folgenden anhand der 3 bis 7 näher
erläutert.
In 3A ist die elektronische Bandstruktur im Bändermodell
einer Halbleiterschicht aus einem Nitridverbindungshalbleitermaterial,
beispielsweise n-dotiertes
GaN, in die eine Halbleiterschicht aus einem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
mit einer größeren elektronischen
Bandlücke,
beispielsweise n-dotiertes AlGaN, eingebettet ist, schematisch dargestellt. 3A zeigt schematisch
den Verlauf des Leitungsbands 20, des Valenzbands 21 sowie
das Fermi-Niveau 22 von GaN und das Fermi-Niveau 23 von
AlGaN, wobei die Wechselwirkung zwischen den Halbleitermaterialien nicht
berücksichtigt
wurde. Aufgrund der größeren elektronischen
Bandlücke
von AlGaN im Vergleich zu GaN ist der Abstand zwischen dem Leitungsband 20 und
dem Valenzband 21 in der in die GaN-Schicht eingebetteten
AlGaN-Schicht größer als
in der angrenzenden GaN-Schicht.
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3B zeigt
den Verlauf der Leitungsbandkante 21 unter Berücksichtigung
der Wechselwirkung der beiden Halbleitermaterialien. Da sich die
Fermi-Niveaus 22, 23 aneinander angleichen, tritt
in den an die AlGaN-Schicht angrenzenden Bereichen der GaN-Schicht
eine derartige Bandverbiegung auf, dass sich in diesen Bereichen
jeweils ein Potentialtopf 25 für Elektronen ausbildet, in
dem die Elektronen eine derart hohe Beweglichkeit aufweisen, dass sich
in diesem Bereich ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet.
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In 4 ist
der Verlauf der Dotierstoffkonzentration δ in Abhängigkeit einer Ortskoordinate
z, die senkrecht zu der Stromaufweitungsschicht, also parallel zur
Hauptstrahlrichtung, verläuft,
für eine
bevorzugte Ausführungsform
der Stromaufweitungsschicht schematisch dargestellt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ist eine AlGaN-Schicht
in eine Stromaufweitungsschicht aus GaN eingebettet, wobei sowohl
die GaN-Schicht als auch die AlGaN-Schicht jeweils n-dotiert sind.
Die AlGaN-Schicht weist in den an die GaN-Schicht angrenzenden Bereichen 24 eine
höhere
Dotierstoffkonzentration als in ihrem Inneren auf (sogenannte Dotierspikes).
Die Anzahl der freien Elektronen, die in den in der 3B dargestellten
Potentialtöpfen 25 eine
hohe Beweglichkeit aufweisen, wird dadurch weiter erhöht und somit
die Querleitfähigkeit
weiter verbessert.
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Anstatt
nur eine einzige Schicht aus einem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial
in eine Stromaufweitungsschicht aus einem ersten Nitridverbindungshalbleitermaterial
einzubetten, wie es in der 3 anhand
des Bändermodells
verdeutlich wurde, können
auch mehrere Schichten aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial,
wie beispielsweise zuvor anhand des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
erläutert
wurde, eingefügt
werden. Die 5 verdeutlicht für diesen
Fall den Verlauf des Leitungsbands 20 und des Valenzbands 21 ohne
Berücksichtigung
der Wechselwirkung zwischen den Halbleitermaterialien, beispielsweise
GaN und AlGaN. An jeder der Grenzflächen zwischen den Halbleitermaterialien
tritt unter Berücksichtigung
der Wechselwirkung jeweils die im Zusammenhang mit der 3B erläuterte Bandverbiegung
und die entsprechende Ausbildung von Potentialtöpfen (nicht dargestellt) auf.
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Die
Stromaufweitungsschicht und die darin eingebettete Halbleiterschicht
aus dem zweiten Nitridverbindungshalbleitermaterial müssen nicht notwendigerweise
jeweils n-dotiert sein. Alternativ können beide zum Beispiel auch
p-dotiert sein. 6 zeigt schematisch den Verlauf
der Valenzbandkante 21 für den Fall einer p-dotierten
AlGaN-Schicht, die in eine p-dotierte GaN-Schicht eingebettet ist. In diesem Fall
tritt an den Grenzflächen
jeweils eine Bandverbiegung auf, die jeweils Potentialtöpfe 26 für Löcher darstellen.
Auf diese Weise kann in den Grenzflächenbereichen jeweils ein zweidimensionales
Löchergas
erzeugt werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zur Erzeugung eines zweidimensionalen Elektronengases innerhalb
einer p-dotierten Stromaufweitungsschicht, beispielsweise p-GaN,
eine n-dotierte Schicht, beispielsweise n-AlGaN, die eine größeren elektronischen
Bandlücke als
die p-dotierte Schicht aufweist, in die Stromaufweitungsschicht
eingebettet. Das ungestörte
Bändermodell
dieser Ausführungsform
ist schematisch in der 7A und das Bändermodell unter Berücksichtigung
der Wechselwirkung der Halbleiterschichten in der 7B dargestellt.
In Analogie zu dem in der 3B dargestellten
Beispiel, bei dem sowohl die GaN-Schicht als auch die eingebettete
AlGaN-Schicht jeweils n-dotiert sind, bildet sich auch in diesem
Fall an der Grenzfläche
zwischen dem p-dotierten GaN und dem n-dotierten AlGaN aufgrund der Bandverbiegung
an den Halbleiter-Halbleiter-Grenzflächen jeweils ein Potentialtopf 25 für Elektronen aus,
indem sich ein zweidimensionales Elektronengas mit erhöhter Querleitfähigkeit
ausbildet.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
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.