DE102006054069A1

DE102006054069A1 - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements und optoelektronisches Bauelement

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Publication number: DE102006054069A1
Application number: DE102006054069A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Härle; Alfred Lell; Christine Höß; Uwe Dr. Strauss
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben, das insbesondere die Schritte A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einem aktiven Bereich, wobei der aktive Bereich geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung auszusenden, und B) Aufbringen von zumindest einer Schicht auf einer ersten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und optoelektronische Bauelemente nach den Oberbegriffen der Ansprüche 16 und 17.
Optoelektronische Halbleiterchips wie Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden oder Photodioden, werden beispielsweise wegen ihrer Kompaktheit und kostengünstigen Herstellung in zunehmendem Maße zu Schlüsselkomponenten für Anwendungen etwa in der Beleuchtungstechnik, Projektion, Datenspeicherung oder Drucktechnik. Die Herstellung beispielsweise von alterungsstabilen Laserdioden oder LEDs kann dabei eine besondere technologische Herausforderung darstellen.
Gemäß der Druckschrift M. Okayasu, M. Fukuda, T. Takeshita, S. Uehara, K. Kurumada, „Facet oxidation of InGaAs/GaAs strained quantum-well lasers", J. Appl. Phys., Volume 69, 1991, pp. 8346–8351 führt lichtinduzierte Oxidation einer Laserfacette zum Beispiel bei kantenemittierenden GaAs-Lasern zu Absorptionsverlusten und damit zur thermischen Erwärmung, was eine thermische Zerstörung der Laserfacette („cathastrophic optical damage") und damit einen Bauteilausfall zur Folge haben kann.
Weiterhin ist aus den Druckschriften V. Kümmler, A. Lell, V. Härle, U. T. Schwarz, T. Schödl, W. Wegscheider, „Gradual facet degradation of (Al, In)GaN quantum well lasers", Applied Physics Letters, Volume 84, Number 16, 2004, pp. 2989–2991 und T. Schödl, U. T. Schwarz, S. Miller, A. Leber, M. Furitsch, A. Lell, V. Härle, „Facet degradation of (Al, In)GaN heterostructure laser diodes", Phys. stat. sol. (a), Volume 201, Number 12, 2004, pp. 2635–2638 bekannt, dass bei AlInGaN-Lasern mit unpassivierten Laserfacetten bei Betrieb in Feuchtigkeit eine verstärkte Degradation der Bauteile beobachtet werden kann.
Es ist etwa möglich, Laserdioden beispielsweise in hermetisch dichte Gehäuse unter Schutzgas einzubauen. Ein Öffnen des Gehäuses kann dabei jedoch zu einer massiven Bauteilalterung führen. Auch sind solche hermetisch dichten Gehäuse beispielsweise nachteilig beispielsweise hinsichtlich erhöhter Mehrkosten in Verbindung mit einem erhöhten Montageaufwand sowie hinsichtlich einer begrenzten Flexibilität für zahlreiche Anwendungen in Bezug auf die Bauformgröße und Integration anderer optischer Komponenten.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements anzugeben, das ein ionengestützes Aufbringverfahren umfasst. Weiterhin ist es eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 16 und 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung umfasst insbesondere die Schritte:

A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einem aktiven Bereich, wobei der aktive Bereich geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung auszusenden, und
B) Aufbringen von zumindest einer Schicht auf einer ersten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens.

Dabei kann der aktive Bereich der Halbleiterschichtenfolge im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einem Spektrum insbesondere im ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich erzeugen. Insbesondere kann das Spektrum beispielsweise eine spektrale Komponente bei einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich aufweisen. Weiterhin kann das Spektrum eine oder mehrere spektrale Komponenten mit verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen umfassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis eines anorganischen Materials, etwa von InGaAlN, wie etwa GaN-Dünnfilm-Halbleiterchips, ausgeführt sein. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterchips fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge, die in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweist, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch andere III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Insbesondere eine aktive Schicht, die ein AlGaAs-basiertes Material aufweist, kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu emittieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge oder der strahlungsemittierende Halbleiterchip als Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführt sein.
Ein Dünnfilm-Halbleiterchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptoberfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Halbleiterchips 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.
Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, ein Aufwachs- oder Trägersubstrat, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionalen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Halbleiterschichtenfolge zwei Hauptoberflächen auf, die beispielsweise durch die jeweils von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberflächen der zuoberst sowie der zuunterst angeordneten Schicht der Halbleiterschichtenfolge gebildet werden. Insbesondere können die Hauptoberflächen Grenzflächen der Halbleiterschichtenfolge in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten und damit in einer Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge bilden. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge Seitenflächen aufweisen, die an die zwei Hauptoberflächen angrenzen können und die Halbleiterschichtenfolge in einer Richtung parallel zu einer Haupterstreckungsebene, also lateral, begrenzen können. Insbesondere kann die erste Oberfläche eine solche Seitenfläche umfassen oder sein. Dabei kann es insbesondere möglich sein, dass die erste Oberfläche benachbart zum aktiven Bereich ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Oberfläche auch eine Hauptoberfläche umfassen oder sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Halbleiterschichtenfolge eine Strahlungsaustrittsfläche auf, über die die in der aktiven Schicht im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung abgestrahlt werden kann. Besonders bevorzugt umfasst die erste Oberfläche eine Strahlungsaustrittsfläche oder ist eine Strahlungsaustrittsfläche. Beispielsweise kann es sich bei der Halbleiterschichtenfolge um eine kantenemittierende Laserdiode oder um eine seitenemittierende LED handeln, so dass die Strahlungsaustrittsfläche eine Seitenfläche umfassen oder sein kann. Weiterhin kann die Strahlungsaustrittsfläche beispielsweise auch zwei Seitenflächen umfassen, die bevorzugt durch zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge gebildet werden können. Darüber hinaus kann die Strahlungsaustrittsfläche beispielsweise auch eine Mehrzahl von Seitenflächen oder alle Seitenflächen umfassen. Alternativ kann es sich bei der Halbleiterschichtenfolge auch um eine vertikal emittierende Laserdiode („VCSEL") oder eine über zumindest eine Hauptoberfläche emittierende LED handeln, so dass das bedeuten kann, dass die Strahlungsaustrittsfläche eine Hauptoberfläche umfassen kann oder eine Hauptoberfläche sein kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die erste Oberfläche alle Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge, so dass in dem Verfahrensschritt B) die Schicht auf allen Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Oberfläche auch eine oder beide Hauptoberflächen umfassen. Das Aufbringen der Schicht auf alle Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Halbleiterschichtenfolge eine LED oder eine Laserdiode ist oder umfasst. Dabei kann es möglich sein, dass durch die Schicht beispielsweise an Chip- oder Mesakanten, insbesondere im Bereich des aktiven Bereichs, Leckstrompfade, ESD-Ausfälle und/oder Alterungseffekte vermindert oder vermieden werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt C) Aufbringen zumindest einer Schicht auf eine zweiten Oberfläche mittels eine ionengestützen Aufbringverfahrens, wobei die zweite Oberfläche auf einer der ersten Oberfläche abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist.
Insbesondere kann das bedeuten, dass eine Schicht auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Beispielsweise kann die zweite Oberfläche eine Seitenfläche und/oder eine Strahlungsaustrittsfläche umfassen oder sein. Ferner kann die zweite Oberfläche zur aktiven Schicht benachbart sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die Schicht, die im Verfahrensschritt B) aufgebracht wird, verschieden von der Schicht, die im Verfahrenschritt C) aufgebracht wird. Dabei kann es sein, dass die Verfahrensschritte B) und C) nacheinander ausgeführt werden. Alternativ können die Schichten, die jeweils in den Verfahrensschritte B) und C) aufgebracht werden, gleich sein, also beispielsweise gleiche Materialien umfassen und/oder gleiche Dicken aufweisen. Die Verfahrensschritte B) und C) können dabei auch gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Verfahrensschritt B) auf die erste Oberfläche eine Schicht aufgebracht, die ein Oxid aufweist oder ein Oxid ist, insbesondere ein Metalloxid und/oder ein Halbmetalloxid. Die Schicht kann dabei beispielsweise geeignet sein, zu verhindern, dass Feuchtigkeit und/oder oxidierende Substanzen wie etwa Sauerstoff in Kontakt mit der ersten Oberfläche kommen. Dadurch kann es möglich sein, dass durch die Schicht eine Oxidation und/oder Degradation der ersten Oberfläche vermindert oder verhindert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht, die im Verfahrensschritt B) auf die erste Oberfläche aufgebracht wird, beispielsweise auch ein Nitrid aufweisen.
Weiterhin kann die Schicht, die im Verfahrensschritt B) auf die erste Oberfläche aufgebracht wird, und/oder die Schicht, die im Verfahrensschritt C) auf die zweite Oberfläche aufgebracht wird, optische Eigenschaften aufweisen wie etwa eine Transmission oder eine Reflektivität für die im Betrieb in der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung. Dabei kann beispielsweise auf die erste Oberfläche eine Schicht aufgebracht werden, die eine Reflektivität und/oder Transmission aufweist, die von der Reflektivität und/oder Transmission einer Schicht, die auf die zweite Oberfläche aufgebracht werden kann, verschieden sein kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Mehrzahl von Schichten im Verfahrensschritt B) auf die erste Oberfläche und/oder im Verfahrensschritt C) auf die zweite Oberfläche aufgebracht. Besonders bevorzugt kann es dabei sein, wenn dabei eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufgebracht werden. Die erste Schicht und die zweite Schicht können dabei ein Schichtenpaar bilden. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl von Schichtenpaaren auf die erste Oberfläche und/oder eine Mehrzahl von Schichtenpaaren auf die zweite Oberfläche aufgebracht wird.
Besonders bevorzugt kann ein Schichtpaar aufgebracht werden, bei dem die erste Schicht einen ersten Brechungsindex und die zweite Schicht einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der zweite Brechungsindex verschieden vom ersten Brechungsindex ist. Insbesondere kann ein Schichtenpaar, das eine erste und eine zweite Schicht mit verschiedenen Brechungsindices und jeweils einer Dicke von etwa einem Viertel einer Wellenlänge aufweist, diese Wellenlänge zumindest teilweise reflektieren. Insbesondere kann die Reflektivität mit der Anzahl der Schichtenpaare steigen, so dass für eine erwünschte Reflektivität eine Mehrzahl von Schichtenpaaren, etwa zwei bis zehn Schichtenpaare, aufgebracht werden können.
Alternativ kann eine Schicht eine Dicke von etwa einer halben Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweisen. Eine solche Schicht kann insbesondere zumindest teilweise transparent für diese Wellenlänge sein. Dabei kann beispielsweise eine Schicht mit einer Dicke, die vorzugsweise etwa dem ein- bis dreifachen einer halben Wellenlänge entspricht, aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann geeignet sein, als Passivierungsschicht die Halbleiterschichtenfolge vor Feuchtigkeit und/oder oxidierenden Substanzen wie etwa Sauerstoff zu schützen und dabei eine erwünschte Transmission zu gewährleisten.
Insbesondere kann „eine Dicke von etwa einem Viertel einer Wellenlänge" oder „eine Dicke von etwa einer halben Wellenlänge" dabei auch bedeuten, dass die Dicke einer Schicht derart ist, dass die optische Weglänge für elektromagnetische Strahlung durch die Schicht etwa einem Viertel der Wellenlänge oder etwa der halben Wellenlänge entspricht. Die optische Weglänge ist dabei das Produkt aus dem Brechungsindex der Schicht und der geometrischen Dicke.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst ein Metalloxid oder ein Halbmetalloxid Aluminium, Silizium, Titan, Zirkonium, Tantal, Niobium, oder Hafnium. Weiterhin kann auch ein Nitrid zumindest eines der genannten Metalle und Halbmetalle aufweisen, beispielsweise Siliziumnitrid. Besonders bevorzugt umfasst das Metalloxid oder das Halbmetalloxid zumindest eines der Materialien Niobiumpentoxid, Hafniumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Tantalpentoxid und Zirkoniumdioxid. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn ein Schichtenpaar aufgebracht wird aus einer ersten Schicht, die Tantalpentoxid und/oder Zirkoniumdioxid umfasst oder ist, und einer zweiten Schicht, die Siliziumdioxid umfasst oder ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das ionenunterstützte Aufbringverfahren Merkmale des Ionenplattierens („ion plating") oder des reaktiven Ionenplattierens („reactive ion plating") oder es ist ein solches ionenunterstütztes Aufbringverfahren. Alternativ oder zusätzlich kann das ionenunterstützte Aufbringverfahren auch Merkmale des ionenunterstützen Aufbringens („ion assisted deposition"), des Ionenstrahl-unterstützten Aufbringens („ion beam assisted deposition") und/oder des Ionenstrahlinduzierten Aufbringens („ion beam induced deposition") aufweisen oder eines diese Aufbringverfahren sein.
Das ionenunterstützte Aufbringverfahren kann dabei zumindest eines der folgenden Merkmale aufweisen:

– Erzeugung einer Gasatmosphäre, die beispielsweise Argon und/oder Sauerstoff und/oder ein anderes oder zusätzliches reaktives Gas aufweisen kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise ein Sauerstoffstrahl für die Bildung von Oxiden auf die erste und/oder zweite Oberfläche gerichtet sein.
– Überführen eines aufzubringen Materials, etwa eines Metalls, eines Halbmetalls, eines Oxids oder eines Nitrids, aus einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand. Insbesondere können auch mehrere aufzubringende Materialien in einem festen Mischzustand vorliegen. Dieses Überführen, das etwa Verdampfen sein kann, kann beispielsweise durch reaktives Elektronenstrahlverdampfen möglich sein, beispielsweise mittels eines Niederspannungsplasmabogens in der Gasatmosphäre.
– Ionisieren des aufzubringenden Materials und Beschleunigung des ionisierten aufzubringenden Materials in einem elektrischen Feld zu der Halbleiterschichtenfolge hin, wodurch eine Aufbringung des Materials auf der ersten/und oder zweiten Oberfläche ermöglicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein ionisiertes Gas und/oder ein ionisierter Gasstrahl, das oder der beispielsweise Sauerstoff oder ein anderes Gas aufweist, geeignet sein, das aufzubringende Material zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche hin zu beschleunigen. Durch die Verwendung eines ionisierten Sauerstoffgases oder Sauerstoffstrahls kann beispielsweise die Bildung eines Oxids vorteilhaft begünstigt werden.

Bei dem ionenunterstützten Aufbringverfahren kann die kinetische Energie des verdampften aufzubringenden Materials in vorteilhafter Weise im Vergleich zu anderen Aufdampfverfahren erhöht werden, was eine erhöhte mittlere freie Weglänge zur Folge haben kann. Dadurch kann es möglich sein, dass Schichten mit einer erhöhten Dichte im Vergleich zu anderen Aufdampfverfahren herstellbar sind. Der Ausdruck „andere Aufdampfverfahren" kann dabei chemische oder physikalische Aufdampfverfahren bezeichnen, die keine ionenunterstützten Aufbringverfahren sind. Besonders bevorzugt weist eine mit einem ionenunterstützen Aufbringverfahren herstellbare Schicht nur wenige oder keine Einschlüsse von Gasen oder Verunreinigungen auf, sowie eine geringe Rauhigkeit und einen im Vergleich zu einem anderen Aufdampfverfahren höheren Brechungsindex. Eine hohe Dichte kann auch eine Durchlässigkeit für Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff auf vorteilhafte Weise vermindern oder verhindern. Eine geringe Rauhigkeit kann vorteilhaft sein, um Streuverluste der im aktiven Bereich im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu minimieren oder zu vermeiden. Weiterhin kann durch ein ionenunterstütztes Aufbringverfahren die Haftung der Schicht an der ersten und/oder zweiten Oberfläche oder einer weiteren Schicht auch der ersten und/oder zweiten Oberfläche vorteilhaft erhöht werden, wodurch eine erhöhte Haltbarkeit der Schicht ermöglicht werden kann.
Insbesondere kann eine Maske in Teilbereichen der Halbleiterschichtenfolge verwendet werden, um ein Aufbringen des Materials in diesen Teilbereichen der Halbleiterschichtenfolge zu vermeiden.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein optoelektronisches Bauelement, das durch zumindest ein Verfahren der oben genannten Ausführungsformen erhältlich ist.
Ferner umfasst ein optoelektronisches Bauelement gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung

– eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einem aktiven Bereich, wobei der aktive Bereich geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung auszusenden, und
– zumindest einer Schicht auf zumindest einer Oberfläche, wobei die Schicht mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens herstellbar ist und ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid aufweist.

Insbesondere kann das ionenunterstützte Aufbringverfahren gemäß einer der weiter oben ausgeführten Ausführungsformen durchführbar sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schicht oder zumindest ein Teilbereich der Schicht eine Rauhigkeit auf, die beispielsweise durch topographische Oberflächenstrukturen wie Vertiefungen oder Erhebungen gebildet werden können. Die Schicht kann dabei eine Rauhigkeit auf einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Oberfläche und/oder einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche aufweisen. Insbesondere kann eine Differenz aus der höchsten und der niedrigsten topographischen Oberflächenstruktur, also die maximale Höhendifferenz der topographischen Oberflächenstrukturen, eine Peak-to-Peak-Rauhigkeit definieren. Die Peak-to-Peak-Rauhigkeit der Schicht oder des Teilbereichs der Schicht kann dabei weniger als etwa 4 nm, bevorzugt kleiner oder gleich etwa 2 nm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich etwa 1 nm sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schicht einen Brechungsindex von größer oder gleich 2,25 auf. Insbesondere kann dabei die Schicht Tantalpentoxid oder Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Brechungsindex kann dabei bevorzugt einen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 390 nm bis etwa 430 nm bedeuten.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Oberfläche zumindest eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge. Dabei kann die Seitenfläche beispielsweise benachbart zur aktiven Schicht der Halbleiterschichtenfolge sein. Insbesondere kann die Oberfläche eine Lichtaustrittsfläche für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den in den 1A bis 3B beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1A bis 1C schematische Darstellungen von Querschnitten von optoelektronischen Bauelementen während verschiedener Stadien eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
2A bis 2C schematische Darstellungen von Querschnitten von optoelektronischen Bauelementen während verschiedener Stadien eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens, und
3A und 3B Transmissionsmikroskopie-Aufnahmen von Schichten herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel und gemäß dem Stand der Technik.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1A bis 1C sind verschiedene Stadien eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements 100 gezeigt.
1A zeigt dabei eine Halbleiterschichtenfolge 10, die in einem ersten Verfahrensschritt bereitgestellt wird. Die Halbleiterschichtenfolge 10 weist dabei eine auf einem Substrat 1 aufgewachsene Epitaxieschichtenfolge 2 mit einem aktiven Bereich 20 auf. Alternativ kann das Substrat 1 auch ein Trägersubstrat für eine Dünnfilm-Halbleiterschichtenfolge 10 sein. Die Halbleiterschichtenfolge 10 kann mittels zweier elektrischer Kontakte 3, 4 elektrisch kontaktiert und in Betrieb genommen werden. Der elektrische Kontakt 3 ist dabei bevorzugt als n-leitender Kontakt beziehungsweise als n-leitende Elektrode ausgebildet, während der elektrische Kontakt 4 als p-leitender Kontakt beziehungsweise als gleitende Elektrode ausgebildet ist. Alternativ können auch der elektrische Kontakt 4 n-leitend und der elektrische Kontakt 3 p-leitend ausgebildet sein. Dementsprechend weist auch die Epitaxieschichtenfolge 2 n- und p-leitende Schichten und Bereiche auf. Der aktive Bereich 20 ist geeignet, im Betrieb elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die Materialien der Halbleiterschichtenfolge 2 und die Struktur des aktiven Bereichs 20 kann gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen im allgemeinen Teil der Beschreibung ausgeführt sein. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 10 eine erste Oberfläche auf, die die Seitenflächen 110, 120 und zumindest teilweise die Hauptoberfläche 130 umfasst.
Die Halbleiterschichtenfolge 10 kann dabei beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge für eine LED sein, wobei die LED beispielsweise eine Strahlungsaustrittsfläche aufweist, die die Seitenflächen 110, 120 und/oder die Hauptoberfläche 130 umfasst. Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge 10 eine Halbleiterschichtenfolge für eine Laserdiode sein.
In 1B ist gemäß einem weiteren Verfahrensschritt des Ausführungsbeispiels die Aufbringung 500 einer Schicht 50 (gezeigt in 1C) auf die erste Oberfläche, also die Seitenflächen 110, 120 und die Hauptoberfläche 130, gezeigt. Damit die Schicht 50 nur auf der ersten Oberfläche aufgebracht wird, kann beispielsweise eine Maske verwendet werden (nicht gezeigt). Die Aufbringung der Schicht 50 erfolgt dabei mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens, insbesondere mittels Ionenplattieren oder reaktivem Ionenplattieren. Dazu ist die Halbleiterschichtenfolge 10 vorzugsweise in einer Argonatmosphäre angeordnet, in der mittels eines Niederspannungsplasmabogens beispielsweise Tantal oder Tantalpentoxid verdampft und ionisiert wird und mittels eines elektrischen Felds und/oder eines zusätzlichen Sauerstoffstahls, der ebenfalls ionisiert sein kann, auf den Seitenflächen 110, 120 und der Hauptoberfläche 130 in Form einer Schicht, die Tantalpentoxid aufweist, aufgebracht wird. Alternativ kann auch beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht oder eine Zirkoniumoxidschicht aufgebracht werden. Die Schicht 50 dient dabei insbesondere der Passivierung, das bedeutet, dass die Schicht 50 eine geringe Durchlässigkeit für Feuchtigkeit und oxidierende Substanzen wie etwa Sauerstoff aufweist.
Wie in 1C gezeigt, weist das optoelektronische Bauelement 100 die Halbleiterschichtenfolge 10 mit der als Passivierungsschicht ausgebildeten Schicht 50 auf. Die Schicht 50 weist besonders bevorzugt eine Dicke von etwa dem 1,5-fachem der Wellenlänge der im aktiven Bereich 20 erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf und zeichnet sich durch eine hohe Schichthomogenität ohne Einschlüsse oder Verunreinigungen aus. Da die Schicht 50 der Epitaxieschichtenfolge 2 und dem aktiven Bereich 20 benachbart ist, kann insbesondere der aktive Bereich 20 und die Epitaxieschichtenfolge 2 vor Feuchtigkeit und oxidierenden Substanzen wie etwa Sauerstoff geschützt werden. Weiterhin können beispielsweise nachteilige Effekte wie etwa Leckströme oder ESD-Ausfälle sowie Alterungseffekte vermindert oder verhindert werden.
In 2A ist eine schematische räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine in einem ersten Verfahrensschritt als kantenemittierende Laserdiode bereitgestellte Halbleiterschichtenfolge 10 für einen so genannten „Ridge-Waveguide Laser" zeigt. Die Halbleiterschichtenfolge 10 weist eine erste Oberfläche 210 und eine zweite Oberfläche 220 auf, die als Strahlungsaustrittsflächen ausgebildet sind. Dabei kann in einem weiteren Verfahrensschritt auf die Halbleiterschichtenfolge 10 nach deren Bereitstellung, insbesondere auf die Seitenflächen 240, 250 und/oder der Hauptoberfläche 230, eine Passivierungsschicht gemäß dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel aufgebracht werden.
2B zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Halbleiterschichtenfolge 10 entlang der die 2A dargestellten Schnittebene A1. In weiteren Verfahrensschritten 501 und 502 wird auf die erste Oberfläche 210 und die zweite Oberfläche 220 mittels ionenunterstützten Aufbringverfahren jeweils ein Mehrzahl 51, 52 von Schichtenpaaren aufgebracht (wie in 2C gezeigt). Die Mehrzahl 51 von Schichtenpaaren umfasst dabei Schichtenpaare jeweils mit einer ersten Schicht 511, die Tantalpentoxid oder Zinkoxid aufweist oder daraus ist, und einer zweiten Schicht 512, die Siliziumdioxid umfasst oder ist. Die Mehrzahl 52 von Schichtenpaaren auf der zweiten Oberfläche 220 umfasst Schichtenpaare jeweils mit einer ersten Schicht 521 und einer zweiten Schicht 522, die gleich einigen der Schichtenpaare der Mehrzahl 51 von Schichtenpaaren auf der ersten Oberfläche sind. Insbesondere können die Verfahrensschritte 501 und 502 dann teilweise gleichzeitig durchführbar sein.
Die 2C zeigt das derartig hergestellte optoelektronische Bauelement 200 im gleichen Querschnitt wie 2B. Die ersten Schichten 511, 521 und die zweiten Schichten 512, 522 weisen eine Schichtdicke von etwa einem Viertel der Wellenlänge der in dem aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf. Dadurch können beide Mehrzahlen 51, 52 von Schichtenpaaren jeweils eine Reflektivität für die im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweisen. Die jeweilige Reflektivität kann entsprechend den Anforderungen an das optoelektronische Bauelement 200 gewählt sein. Beispielsweise kann die Mehrzahl 51 etwa 5 Schichtenpaare für eine Reflektivität von zumindest 90% aufweisen oder etwa 7 bis 10 Schichtenpaare für eine Reflektivität von zumindest 99%. Die Mehrzahl 51 von Schichtenpaaren kann auch eine Transmission aufweisen, so dass ein geringer Anteil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung über die erste Oberfläche 210 und die Mehrzahl 51 von Schichtenfolgen emittiert werden kann. Dieser geringe Anteil kann beispielsweise als Monitorsignal zur Leistungs- oder Frequenzstabilisierung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung genutzt werden.
Die Mehrzahl 52 von Schichtenpaaren auf der zweiten Oberfläche 220 weist bevorzugt weniger Schichtenpaare als die Mehrzahl 51 auf der ersten Oberfläche 210 auf, beispielsweise etwa 2 Schichtenpaare oder ein Schichtenpaar. Dadurch kann über die zweite Oberfläche 220 und die Mehrzahl 52 von Schichtenpaaren ein Teil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 10 erzeugten elektromagnetischen Strahlung emittiert werden, während ein weiterer Teil in den aktiven Bereich zurückreflektiert werden kann um die Lasertätigkeit der Halbleiterschichtenfolge 10 zu unterstützen.
Alternativ kann auf die zweite Oberfläche 220 anstelle der Mehrzahl 52 von Schichtenpaaren auch nur eine einzelne Schicht als Passivierungsschicht mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens aufgebracht werden.
Die in dem geschilderten Ausführungsbeispielen aufgebrachten Schichtenpaare weisen dabei Eigenschaften auf wie in Verbindung mit der 3A erläutert.
Die 3A und 3B zeigen je zwei Transmissionsmikroskopie-Aufnahmen von Teilausschnitten von Schichtenpaaren jeweils mit ersten Schichten 511, 611 und zweiten Schichten 512, 612 auf. Die Schichtenpaare gemäß der 3A wurden dabei mittels Ionplattierens hergestellt während die Schichtenpaare der 3B mittels eines anderen, nicht – ionenunterstützten Bedampfungsverfahrens hergestellt wurden. Der Maßstab in den Aufnahmen der 3A und den Aufnahmen der 3B ist dabei in etwa gleich. Die ersten Schichten 511, 611 sind jeweils Tantalpentoxid-Schichten und die zweiten Schichten 512, 612 jeweils Siliziumdioxid-Schichten. Die Schichten wurden dabei jeweils auf ein GaN-Substrat 610 aufgebacht, das in einer der Aufnahmen der 3B ebenfalls zu sehen ist.
Die durch Ionenplattieren hergestellten ersten und zweiten Schichten 511, 512 gemäß der Aufnahmen der 3A weisen eine geringe Peak-to-Peak-Rauhigkeit von weniger als 1 nm an den Schichtgrenzen auf. Weiterhin weisen die ersten und zweiten Schichten 511, 512 keine erkennbaren Einschlüsse und jeweils eine sehr homogene Dichte, erkennbar durch die homogenen Färbungen in den Aufnahmen, auf. Ellipsometer-Messungen an den ersten Schichten 511 haben einen Brechungsindex von 2,25 bei einer Wellenlänge von etwa 390 nm bis etwa 430 nm ergeben.
Die durch ein nicht-ionenunterstütztes Bedampfungsverfahren hergestellten Schichtenpaare gemäß der 3B weisen hingegen an den Schichtgrenzen der ersten und zweiten Schichten 611, 612 eine Peak-to-Peak-Rauhigkeit von etwa 4 nm auf. Weiterhin sind aus der unregelmäßigen Färbung der Schichten in den gezeigten Aufnahmen Dichteunterschiede in den jeweiligen Schichten durch Einschlüsse und Verunreinigungen erkennbar. Der Brechungsindex der ersten Schichten 611 betrug nur etwa 2,08 bei einer Wellenlänge von etwa 390 nm bis etwa 430 nm, was auf eine geringere Dichte als bei den Schichten 511 der 3A schließen lässt.
Das Ionenplattieren zur Herstellung von Schichtenfolgen mit gemäß der 3A gezeigten homogenen ersten und zweiten Schichten 511, 512 ermöglicht damit die Herstellung von Schichtenpaaren, die durch eine homogene und höhere Dichte bessere Barriereeigenschaften hinsichtlich Feuchtigkeit und Sauerstoff und bessere optische Eigenschaften aufweisen als Schichtenfolgen, die durch ein nicht-ionenunterstütztes Bedampfungsverfahren herstellbar sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, mit den Verfahrensschritten: A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (10) mit zumindest einem aktiven Bereich (20), wobei der aktive Bereich (20) geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung auszusenden, und B) Aufbringen (500, 501) von zumindest einer Schicht (50) auf einer ersten Oberfläche (110, 210) der Halbleiterschichtenfolge (10) mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Oberfläche eine Seitenfläche (110) der Halbleiterschichtenfolge ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die erste Oberfläche benachbart zum aktiven Bereich (20) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die erste Oberfläche eine Strahlungsaustrittsfläche umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem im Verfahrensschritt B) ein Metalloxid und/oder ein Halbmetalloxid aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem im Verfahrensschritt B) ein Nitrid aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem im Verfahrenschritt B) eine erste Schicht (511) und eine zweite Schicht (512) als Schichtpaar aufgebracht werden.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem eine Mehrzahl (51) von Schichtpaaren aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Metalloxid oder das Halbmetalloxid zumindest ein Material aus einer Gruppe umfasst, die gebildet wird durch: – Niobiumpentoxid, – Hafniumoxid, – Aluminiumoxid, – Siliziumdioxid, – Titandioxid, – Tantalpentoxid und – Zirkoniumdioxid.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Nitrid Siliziumnitrid aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem als erste Schicht (511) Tantalpentoxid und/oder Zirkoniumdioxid und als zweite Schicht (512) Siliziumdioxid aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, mit dem weiteren Verfahrensschritt: C) Aufbringen (502) zumindest einer Schicht auf eine zweiten Oberfläche (220) mittels eine ionengestützen Aufbringverfahrens, wobei die zweite Oberfläche (220) auf einer der ersten Oberfläche (210) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (10) angeordnet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die zumindest eine Schicht, die im Verfahrensschritt B) aufgebracht wird, verschieden ist von der Schicht, die im Verfahrensschritt C) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verfahrensschritte B) und C) gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem im Verfahrensschritt B) die Schicht auf alle Seitenflächen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das ionenunterstützte Aufbringverfahren Ionenplattieren oder reaktives Ionenplattieren ist.
Optoelektronisches Bauelement, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Optoelektronisches Bauelement, umfassend – eine Halbleiterschichtenfolge (10) mit zumindest einem aktiven Bereich (20), wobei der aktive Bereich (20) geeignet ist, im Betrieb elektromagnetische Strahlung auszusenden, und – zumindest einer Schicht (50) auf zumindest einer Oberfläche (110, 120, 130), wobei die Schicht (50) mittels eines ionenunterstützten Aufbringverfahrens herstellbar ist und ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 18, wobei die zumindest eine Schicht (50) eine Peak-to-Peak-Rauhigkeit von weniger als etwa 4 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Schicht (50) einen Brechungsindex von größer oder gleich 2,25 aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Oberfläche eine Seitenfläche (110, 120) der Halbleiterschichtenfolge umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Seitenfläche (110, 120) benachbart zu der aktiven Schicht (20) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Oberfläche eine Lichtaustrittsfläche umfasst.