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Die
Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einem Schichtenstapel,
der zumindest folgendes umfasst:
- – eine Schichtenfolge,
die eine Halbleiterleuchtdiode darstellt und zumindest eine erste
Leuchtdiodenschicht, eine zweite Leuchtdiodenschicht und eine optisch
aktive Zone zwischen der ersten und der zweiten Leuchtdiodenschicht
umfasst, wobei die beiden Leuchtdiodenschichten jeweils aus einem
III-V-Halbleitermaterial gebildet sind, das jeweils mindestens eines
der Elemente Aluminium, Gallium und Indium und jeweils mindestens
eines der Elemente Stickstoff, Phosphor und Arsen enthält, und
wobei die erste Leuchtdiodenschicht eine n-dotierte Schicht und
die zweite Leuchtdiodenschicht eine p-dotierte Schicht ist,
- – eine
silberhaltige metallische Schicht und
- – eine
Zwischenschicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, die zwischen der
Halbleiterleuchtdiode und der metallischen Schicht angeordnet ist.
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Optoelektronische
Bauelemente, insbesondere Halbleiterleuchtdioden, besitzen einen
Schichtenstapel aus Halbleiterschichten, deren Zusammensetzung insbesondere
hinsichtlich des Grundmaterials und dessen Dotierung gezielt ausgewählt wird, um
die elektronische Bandstruktur in gewünschter Weise zu gestalten.
In der Optoelektronik werden außer
binären
III-V-Halbleitermaterialien
auch ternäre und
quaternäre
Grundmaterialien eingesetzt, mit denen sich die Energieniveaus von
Bandkanten des Valenzbandes und des Leitungsbandes einerseits die Gitterkonstante
andererseits unabhängig
voneinander einstellen lassen. Weiterhin werden Dotierstoffe geeigneter
Art und Konzentration eingesetzt, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften
einzustellen.
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Bei
Halbleiterleuchtdioden beispielsweise entsteht zwischen einer p-dotierten
Schicht und einer n-dotierten Schicht eine optisch aktive Zone,
in der bei einem Stromfluss durch die Halbleiterleuchtdiode hindurch
elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die aus Energiesprüngen der
beteiligten Ladungsträger
beim Übergang
von der einen Halbleiterleuchtdiodenschicht in die andere Halbleiterleuchtdiodenschicht
resultiert.
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Halbleiterleuchtdioden
können
beispielsweise aus einem binären,
ternären
oder quaternären Grundmaterial
gebildet sein; dies gilt insbesondere für die p-dotierte und für die n-dotierte Halbleiterleuchtdiodenschicht.
Mögliche
Beispiele – ohne
abschließende
Aufzählung – sind Aluminium-Gallium-Nitrid, Indium-Gallium-Nitrid,
Aluminium-Indium-Nitrid, Indium-Gallium-Aluminium-Nitrid oder Nitride
eines der Nitride von Aluminium, Indium oder Gallium. Arsenide,
Phosphide oder Materialien mit mehreren fünfwertigen Elementen sind weitere
mögliche
Beispiele für
das Grundmaterial der Leuchtdiodenschichten. Diese und die übrigen oben
genannten Materialien können
ebenso für
weitere Halbleiterschichten des Schichtenstapels eines optoelektronischen
Bauelements eingesetzt werden.
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Bei
Halbleiterleuchtdioden wird die emittierte Strahlung auf einer Seite
des Schichtenstapels aus dem Halbleiterkörper herausgeleitet. Auf der
entgegengesetzten Seite wird eine Spiegelschicht, in der Regel eine
Silberschicht oder eine überwiegend
silberhaltige Schicht, verwendet, um die in diese Richtung emittierte
Strahlung zu reflektieren und die Ausbeute der Reflexionsrichtung
emittierten Strahlung zu erhöhen.
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Zwischen
der Reflexionsschicht und den Halbleiterschichten des Schichtenstapels
wird häufig eine
Zwischenschicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid vorgesehen. Diese
Schicht dient zur Vermeidung oder zumindest Verringerung der Migration von
Silberatomen in Richtung der Halbleiterschichten; sofern Silber
in die optisch aktive Zone oder in die ihr benachbarten Schichten
eindringt, wird lokal die Lichtemission verhindert oder zumindest
herabgesetzt. Dies ist daran erkennbar, daß die lichtemittierende Austrittsfläche Bereiche
lokal verringerter Lichtintensität
oder gar Bereiche, in denen gar keine Strahlung mehr emittiert wird,
aufweist. Solche Alterungserscheinungen deuten auf eine zu starke
Verunreinigung der optisch aktiven Zone beispielsweise mit diffundierten
Silberatomen aus der Reflexionsschicht hin. Materialien solcher
Schichten sind unter dem Fachbegriff Transparent Conductive Oxide (TCO;
transparente leitfähige
Oxide) bekannt; einige Beispiele sind ITO (Indium-Zinn-Oxid) oder Zink-Oxid.
Die Zwischenschicht aus einem transparent leitfähigem Oxid ist in der Regel
nicht einkristallin und besitzt einen Überschuss an freien Elektronen. Bei
Halbleiterleuchtdioden wird sie herkömmlich ausschließlich auf
der p-Seite vorgesehen, das heißt
auf derjenigen Seite der pn-Leuchtdiodenschichtenfolge, auf der
die n-dotierte Leuchtdiodenschicht angeordnet ist. Somit befinden
sich herkömmlich
die TCO-Schicht wie auch die Spiegelschicht auf der n-dotierten
Seite der Halbleiterleuchtdiodenschicht und die Lichtauskopplung
erfolgt auf der Seite der npdotierten Leuchtdiodenschicht.
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Bei
Halbleiterleuchtdioden, die eine Reflexionsschicht, insbesondere
eine Silberschicht oder eine überwiegend
silberhaltige Schicht aufweisen, besteht das weiterhin Problem,
dass die Leuchtdiode durch Alterungsprozesse, insbesondere durch
die Migration von Silber aus der Reflexionsschicht heraus, angegriffen
werden kann. Die Silbermigration kann dazu füh ren, dass Silberatome bis
in die optisch aktive Zone diffundieren und dort die Lichterzeugung verhindern,
wodurch innerhalb der Leuchtdiodenfläche Bereiche entstehen, in
denen keine Strahlung mehr oder nur noch eine geringere Strahlungsintensität erzeugt
wird. Zwar lässt
sich die Silbermigration nach außen hin durch geeignete Einkapselungen
des Schichtenstapels verhindern, innerhalb des Schichtenstapels
jedoch kann auch dann noch Silber durch die TCO-Schicht hindurch
in Richtung der optisch aktiven Zone diffundieren. Insbesondere
sind keine migrationsstabilen Halbleiterleuchtdioden bekannt, bei denen
die Reflexionsschicht und die Zwischenschicht (aus dem transparenten
leitfähigen
Oxid) auf der Seite der p-dotierten
Leuchtdiodenschicht angeordnet sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches
Bauelement bereitzustellen, das mit einer geringeren Betriebsspannung betreibbar
ist als herkömmliche
elektronische Bauelemente. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung,
ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das gegen Alterungsprozesse,
insbesondere durch ausdiffundierende Atome aus der Reflexionsschicht, besser
geschützt
ist und das somit eine bessere Lichtausbeute als herkömmliche
optoelektronische Bauelemente bietet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei dem eingangs genannten optoelektronischen Bauelement die
metallische Schicht und die Zwischenschicht auf derjenigen Seite
der Halbleiterleuchtdiode angeordnet sind, der die p-dotierte zweite Leuchtdiodenschicht
zugewandt ist, und dass zwischen der zweiten Leuchtdiodenschicht
und der Zwischenschicht zumindest eine hochdotierte erste Halbleiterschicht
angeordnet ist, deren Dotierstoffkonzentration größer ist
als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Leuchtdiodenschicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die metallische Schicht, die als Reflexionsschicht dient, sowie
die Zwischenschicht aus dem transparenten leitfähigen Oxid auf der Seite der
p-dotierten Leuchtdiodenschicht
anzuordnen und außerdem
zwischen der Zwischenschicht und der p-dotierten Leuchtdiodenschicht
eine hochdotierte erste Halbleiterschicht vorzusehen, deren Dotierstoffkonzentration
größer ist
als die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten Leuchtdiodenschicht.
Die erfindungsgemäß vorgesehene
erste Halbleiterschicht, die zum einen beispielsweise n-dotiert
ist und zum anderen mit solch dem Dotierstoff stärker dotiert ist als die p-dotierte
Leuchtdiodenschicht, wird es möglich,
herkömmliche TCO-Materialien der Zwischenschicht
ohne erhebliche Übergangswiderstände, die
die Betriebsspannung des optoelektronischen Bauelements erhöhen würden, auf
der p-Seite des optoelektronischen Bauelements anzuschließen. Die
stark dotierte Halbleiterschicht besitzt insbesondere dann, wenn
sie n-dotiert ist, einen Überschuss
an freien Elektronen, wodurch sich die TCO-Schicht elektronisch
leichter anschließen
lässt.
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Während herkömmlich die
höchsten
Dotierstoffkonzentrationen einer Leuchtdiode in den zur aktiven
Zonen benachbarten Leuchtdiodenschichten am größten sind, wird erfindungsgemäß die zusätzliche
erste Halbleiterschicht mit noch höherer Dotierstoffkonzentration
vorgesehen.
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Die
hochdotierte erste Halbleiterschicht ermöglicht einen besonders niederohmigen
elektrischen Anschluss der Zwischenschicht an die Halbleiterschichtenfolge
des Schichtenstapels und senkt somit die Betriebsspannung des optoelektronischen Bauelements.
Die durch die hochohmige Schicht erreichte Absenkung der Betriebsspannung
kann so groß sein,
dass sie die zusätzliche
Verwendung eigentlich spannungserhöhender zusätz licher Schichtenfolgen, etwa
eines Tunnelkontakts, innerhalb des Schichtenstapels ermöglicht,
ohne dass die Betriebsspannung insgesamt erhöht würde. So lässt sich etwa die Spannungserhöhung aufgrund
eines Tunnelkontakts durch die erfindugnsgemäß hochdotierte erste Halbleiterschicht
mehr als kompensieren.
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Die
stark dotierte erste Halbleiterschicht ermöglicht nicht nur ein besseres
elektronisches Anschließen
der TCO-Schicht, sondern verbessert im übrigen noch die Stromaufweitung
nahe der optisch aktiven Zone, denn es lassen sich in der ersten
Halbleiterschicht, da diese von der optisch aktiven Zone beabstandet
ist, höhere
Dotierstoffkonzentrationen einsetzen als in den dotierten Leuchtdiodenschichten selbst,
ohne dass die Lichtausbeute aufgrund unerwünschter Nebeneffekte verringert
wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste Halbleiterschicht beabstandet zur
p-dotierten zweiten Leuchtdiodenschicht (der p-dotierten Leuchtdiodenschicht)
angeordnet ist und einen Dotierstoff, beispielsweise einen n-Dotierstoff,
in einer Konzentration enthält,
die größer ist
als die Konzentration eines p-Dotierstoffs der p-dotierten Leuchtdiodenschicht. Die
Konzentration der dotierten ersten Halbleiterschicht kann insbesondere
größer sein
als 1 × 1020/cm3.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste Halbleiterschicht innerhalb des Schichtenstapels
einen geringeren Abstand zur Zwischenschicht aus dem transparenten
leitfähigen
Oxid besitzt als alle anderen Schichten aus Halbleitermaterial.
Somit wird die erfindungsgemäß vorgesehene
erste Halbleiterschicht vorzugsweise als äußerste Halbleiterschicht innerhalb
des Schichtenstapels vorgesehen, an die sich die TCO-Schicht und
die Reflexionsschicht anschließen.
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Dementsprechend
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Halbleiterschicht unmittelbar an
die Zwischenschicht aus dem transparenten leitfähigen Oxid angrenzt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste Zwischenschicht als Grundmaterial
ein III-V-Halbleitermaterial und als Dotierstoff Silizium enthält.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste Halbleiterschicht mit zumindest einer
weiteren Schicht eine Tunnelkontakt-Schichtenfolge bildet, wobei die weitere
Schicht mit einem Dotierstoff entgegengesetzten Dotierstofftyps
wie der Dotierstoff der ersten Halbleiterschicht versehen ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die weitere hochdotierte Schicht denselben
Dotierstoff wie die zweite Leuchtdiodenschicht enthält.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die weitere hochdotierte Schicht innerhalb
des Schichtenstapels zwischen der hochdotierten ersten Halbleiterschicht
und der zweiten Leuchtdiodenschicht angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der Schichtenstapel zwischen der ersten Halbleiterschicht
und der p-dotierten zweiten Leuchtdiodenschicht zumindest eine hochdotierte
zweite Halbleiterschicht aufweist, deren Dotierstoffkonzentration ebenfalls
größer ist
als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Leuchtdiodenschicht.
Somit sind auf der p-Seite der Leuchtdioden zwei noch höher dotierte Halbleiterschichten
mit beispielsweise zueinander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
vorgesehen. Auch die Dotierstoffkonzentration der zweiten Halbleiterschicht,
die beispielsweise p-dotiert ist, ist vorzugsweise größer als
1020/cm3.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Halbleiterschicht
jeweils ein III-V-Halbleitermaterial als Grundmaterial enthalten, dass
weiterhin die erste Halbleiterschicht mit Silizium dotiert ist und
dass außerdem
die zweite Halbleiterschicht mit Magnesium (d. h. einem p-Dotierstoff) dotiert
ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der Schichtenstapel zwischen der hochdotierten
ersten Halbleiterschicht und der hochdotierten zweiten Halbleiterschicht
einen Tunnelkontakt aufweist. Hierbei sind die beiden hochdotierten
Halbleiterschichten Tunnelkontaktschichten, wobei der Tunnelkontakt
an der Schichtgrenze zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht
entsteht. Hierbei wird durch Verschiebungen der Bandstruktur in
der Nähe
der Schichtgrenze eine schmale Tunnelbarriere erzielt, die insbesondere
durch eine lokale Absenkung des Minimums des Leitungsbandes der
n-dotierten ersten Halbleiterschicht bis unter das Maximum des Valenzbandes
der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht an der gemeinsamen Schichtgrenze
entsteht. Dadurch können
Elektronen aus dem Leitungsband der n-dotierten ersten Halbleiterschicht
in das Valenzband der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht tunneln.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der Schichtenstapel zwischen der hochdotierten
ersten Halbleiterschicht und der hochdotierten zweiten Halbleiterschicht
eine undotierte Halbleiterschicht aufweist. Diese intrinsische Halbleiterschicht
kann vorzugsweise an beide hochdotierten Halbleiterschichten des
Tunnelkontakts unmittelbar angrenzen. Somit entsteht eine p+in+-Schichtenfolge,
bei der die undotierte Schicht eine Kontamination der n-dotierten
Schicht durch diffundierenden Dotierstoff der p-dotierten Schicht
und umgekehrt verhindert. Die p-dotierte zweite Halbleiterschicht
ist vorzugsweise mit Magnesium als Dotierstoff dotiert, der grundsätzlich in
Richtung der n-dotierten Halbleiterschicht diffundieren kann. Ein
unmittelbarer pn-Übergang
zwischen beiden hochdotierten Schichten würde den Betrieb des optoelektronischen
Bauelements erschweren und außerdem
die Magnesium-Konzentration in der damit dotierten zweiten Halbleiterschicht herabsetzen,
das heißt
eine Degradation der zweiten Halbleiterschicht zur Folge haben.
Die zusätzlich
vorgesehene intrinsische, das heißt zumindest ursprünglich undotierte
Halbleiterschicht verhindert eine solche Mg-Dotierstoffdiffusion
zumindest in Richtung der hochdotierten ersten Halbleiterschicht und
erzielt dadurch außerdem
infolge der verbesserten Stromaufweitung einen besseren ESD-Schutz (electrostatic
device) gegen temporäre
Spannungsspitzen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Halbleiterschicht
eine Schichtdicke von kleiner als 30 Nanometer, vorzugsweise im Bereich
zwischen drei Nanometern und 20 Nanometern besitzt. Weiterhin ist
vorzugsweise vorgesehen, dass die undotierte Halbleiterschicht eine
Schichtdicke kleiner als zehn Nanometer, vorzugsweise im Bereich
zwischen einem Nanometer und fünf
Nanometern besitzt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die hochdotierte zweite Halbleiterschicht unmittelbar
an die zweite Leuchtdiodenschicht angrenzt. Selbstverständlich können aber
ebenso auch eine oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen sein,
so wie auch zwischen den übrigen
Schichten des Schichtenstapels selbstverständlich weitere, insbesondere
dünne Zwischenschichten
vorgesehen sein können.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die hochdotierte zweite Halbleiterschicht aus
demselben Grundmaterial gebildet ist wie die zweite Leuchtdiodenschicht
und denselben Dotierstoff enthält
wie die zweite Leuchtdiodenschicht. Beispielsweise kann Gallium-Nitrid,
Aluminium-Gallium-Nitrid oder Indium-Gallium-Nitrid als Grundmaterial vorgesehen sein;
weitere Beispiele sind Aluminium-Indium-Nitrid, die eingangs genannten
Grundmaterialien oder beliebige sonstige Grundmaterialien, insbesondere III-V-Halbleitermaterialien.
Als Dotierstoff eignet sich insbesondere Magnesium.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Halbleiterschicht
als Grundmaterial jeweils ein III-V-Halbleitermaterial enthält, das
jeweils mindestens eines der Elemente Aluminium, Gallium und Indium
und jeweils mindestens eines der Elemente Stickstoff, Phosphor und
Arsen enthält. Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Halbleiterschicht
als Grundmaterial Aluminium-Nitrid,
Aluminium-Indium-Nitrid, Aluminium-Gallium-Nitrid, Indium-Aluminium-Nitrid
oder Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid
enthält.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die hochdotierte erste Halbleiterschicht, die
hochdotierte zweite Halbleiterschicht und die dazwischen angeordnete
undotierte Halbleiterschicht einen Tunnelkontakt zwischen der Halbleiterleuchtdiode
und der silberhaltigen metallischen Schicht bilden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die silberhaltige leitfähige Schicht, die Zwischenschicht und
die hochdotierte erste Halbleiterschicht von der ersten Leuchtdiodenschicht
einen größeren Abstand besitzen
als von der zweiten Leuchtdiodenschicht. Somit sind sie auf der
p-Seite der Leuchtdiode, das heißt auf der Seite der p-dotierten
zweiten Leuchtdiodenschicht angeordnet.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die silberhaltige metallische Schicht eine
Spiegelschicht ist, die von der Leuchtdiode empfangenes Licht reflektiert.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass auf der Seite der ersten Leuchtdiodenschicht
eine transparente Substratschicht angeordnet ist. Insbesondere kann
zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements ein transparentes
Substrat verwendet werden, das nach Aufwachsen des Schichtenstapels vom
Schichtenstapel entfernt wird, nur teilweise gedünnt wird oder auch vollständig am
Schichtenstapel verbleibt und zugleich die Lichtaustrittsfläche darstellt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Konzentration des Dotierstoffs der zweiten
Leuchtdiodenschicht kleiner ist als 1019/cm3. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die erste und die zweite Leuchtdiodenschicht jeweils als Grundmaterial
jeweils ein III-V-Halbleitermaterial enthalten, das jeweils mindestens
eines der Elemente Aluminium, Gallium und Indium und jeweils mindestens
eines der Elemente Stickstoff, Phosphor und Arsen enthalten.
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Insbesondere
können
auch die eingangs genannten oder oben mit Bezug auf die erste und
zweite Halbleiterschicht vorgeschlagenen Grundmaterialien für die Leuchtdiodenschichten
verwendet werden.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass das optoelektronische Bauelement auf derjenigen
Seite der Halbleiterleuchtdiode, der die n-dotierte erste Leuchtdiodenschicht
zugewandt ist, eine Lichtaustrittsfläche für von dem optoelektronischen
Bauele ment erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweist. Insbesondere
ist vorgesehen, dass das optoelektronische Bauelement eine Halbleiterleuchtdiode
ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelements,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelements,
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3 eine
graphische Darstellung des relativen Anteils der emittierten Lichtintensität in Abhängigkeit
von variierenden Schichtdicken und
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4 eine
tabellarische Übersicht
bevorzugter Schichtdickenbereiche gemäß zweier weiterer Ausführungsformen.
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1 zeigt
in Querschnittsansicht eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelements 20, das einen Schichtenstapel 10 mit
einer Substratschicht 1 und weiteren darauf aufgewachsenen
Schichten zeigt. Das Substrat ist vorzugsweise ein transparentes
Substrat, welches somit auch als lichtaustrittsseitige Außenschicht
auf beziehungsweise unter der Halbleiterleuchtdiode verbleiben kann,
wobei die Substratunterseite, mit oder ohne nachträgliche Dünnung des
Substrats, später
die Lichtaustrittsfläche 25 darstellt.
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Auf
das Substrat beziehungsweise die Substratschicht 1 wird
zunächst
die Halbleiterleuchtdiode 15 gewachsen, die zumindest eine
erste Leuchtdiodenschicht 2 und eine zweite Leuchtdiodenschicht 4 umfasst,
die mit Dotierstoffen entgegenge setzten Dotierstofftyps dotiert
sind. Beispielsweise kann die erste Leuchtdiodenschicht 2 n-dotiert
sein, beispielsweise mit Hilfe von Silizium, wohingegen die zweite Leuchtdiodenschicht
p-dotiert sein kann, etwa mit Hilfe von Magnesium. Am pn-Übergang
zwischen beiden Leuchtdiodenschichten 2, 4 befindet
sich die optisch aktive Zone 3, an der beim Stromfluss
durch den Schichtenstapel elektromagnetische Strahlung, beispielsweise
im sichtbaren Bereich oder auch im Ultraviolettbereich emittiert
wird. Die beiden Leuchtdiodenschichten 2, 4 müssen nicht,
wie in 1 vereinfacht dargestellt, unmittelbar aufeinander
beziehungsweise unmittelbar auf dem Substrat angeordnet sein, sondern
können
durch weitere Zwischenschichten voneinander getrennt sein. Zumindest
jedoch umfasst die Halbleiterleuchtdiode 15 jedoch mindestens
die erste 2 und die zweite Leuchtdiodenschicht 4.
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Auf
der zum Substrat gegenüberliegenden Seite,
nämlich
der durch die zweite, p-dotierte Leuchtdiodenschicht 4 vorgegebene
Seite der Leuchtdiode 15 (das heißt oben in 1)
ist als oberste Schicht eine metallische Schicht 9 angeordnet,
die zur elektrischen Kontaktierung des Schichtenstapels 10 von
der entgegengesetzten Seite her dient. Die metallische Schicht 9 ist
vorzugsweise eine silberhaltige Schicht, beispielsweise eine reine
Silberschicht oder eine aus einer Silberlegierung gebildete Schicht.
Zwischen der metallischen Schicht 9 und der Halbleiterleuchtdiode 15 befindet
sich eine Zwischenschicht 8 aus einem transparenten leitfähigen Oxid
(TCO; Transparent Conductive Oxide), beispielsweise eine Schicht
aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder eine Schicht aus Zink-Oxid. Ferner
kann eine Schicht aus Titan-Oxid, insbesondere Ti5O9 als Zwischenschicht verwendet werden. Die
Zwischenschicht 8 aus dem transparenten leitfähigen Oxid grenzt
vorzugsweise unmittelbar an die metallische Schicht 9 an.
Sie dient zum einen zur noch besseren Stromaufweitung in latera ler
Richtung, das heißt
parallel zu den Hauptflächen
beziehungsweise Schichtgrenzen des Schichtenstapels, und zum anderen
zur weitgehenden Verhinderung einer Silbermigration. Die TCO-Schicht
besitzt einen Überschuss
an freien beziehungsweise schwach gebundenen Elektronen und wird
daher herkömmlich
ausschließlich
auf der Seite der n-dotierten Leuchtdiodenschicht 2, das heißt entsprechend 1 unterhalb
der Leuchtdiode 15 aufgebracht. Aus diesem Grund befindet
sich die metallische Reflexionsschicht (die metallische Schicht 9)
sowie die aus dem transparenten leitfähigen Oxid gebildete Zwischenschicht 8 herkömmlich stets
auf derjenigen Seite der Halbleiterleuchtdiode 15, auf
der in die n-dotierte erste Leuchtdiodenschicht 2 angeordnet
ist. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung jedoch kann die TCO-Schicht
auch auf der Seite der p-dotierten zweiten Leuchtdiodenschicht 4 angeordnet
werden. Hierzu ist zumindest eine erste Halbleiterschicht 7 vorgesehen,
die zwischen der p-dotierten zweiten Leuchtdiodenschicht 4 und
der Zwischenschicht 8 angeordnet ist. Sie kann beispielsweise
an beide Schichten oder zumindest an die Zwischenschicht 8 aus
dem transparenten leitfähigen
Oxid unmittelbar angrenzen. Die erste Halbleiterschicht 7 ist
eine dotierte Halbleiterschicht mit einer Dotierstoffkonzentration,
die größer ist
als die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten Leuchtdiodenschicht 4.
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Vorzugsweise
ist die erste Halbleiterschicht 7 mit einem n-Dotierstoff, beispielsweise
mit Silizium dotiert (wobei die erste Halbleiterschicht 7 ebenso wie
die beiden Leuchtdiodenschichten 2, 4 vorzugsweise
aus einem binären,
ternären
oder quaternären III-V-Halbleitermaterial
als Grundmaterial gebildet sind). Die Konzentration des n-Dotierstoffs
kann insbesondere größer sein
als 1020/cm3.
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Durch
die hochkonzentrierte Dotierung, insbesondere nDotierung, besitzt
die erste Halbleiterschicht 7 etwa im Valenz- und Leitungsbandbereich eine
wesentlich besser geeignetere Bandstruktur, die ein niederohmiges
Anschließen
der TCO-Zwischenschicht 8 ermöglicht.
Die metallische, amorphe oder polykristalline, zumindest nicht einkristalline
Zwischenschicht 8 besitzt infolge von Störstellen
freie beziehungsweise schwachgebundene Elektronen. Am Übergang
zwischen der TCO-Schicht und der ersten Halbleiterschicht 7 entsteht
somit eine niederohmige Verbindung, die die Betriebsspannung des optoelektronischen
Bauelements senkt.
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Gerade
im Falle einer n+-Dotierung der ersten Halbleiterschicht 7 wird
ferner ein besserer elektronischer Anschluss der aus dem TCO-Material
gebildeten Zwischenschicht 8 an die Halbleiterschichten
des Schichtenstapels erreicht.
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Zudem
bietet die erste Halbleiterschicht 7 einen wirksamen Schutz
gegen die Migration von Silberatomen in den Bereich des Schichtenstapels,
in dem die Halbleiterleuchtdiode 15 angeordnet ist. Während die
TCO-Schicht aufgrund der Korngrenzen im Kristall durchlässig für Silberatome
ist und auch viele Halbleitermaterialien, beispielsweise Gallium-Nitrid
oder Nitride, die mehrere dreiwertige Metalle enthalten, durchlässig für diffundierende
Silberatome sind, bietet die erfindungsgemäß vorgesehene erste Halbleiterschicht
aus hochdotiertem Halbleitermaterial eine zusätzliche Barriere gegen eine
Diffusion von Silberatomen von der silberhaltigen Schicht zur Halbleiterleuchtdiode 15 hin.
Somit wird erstmals eine mit niedriger Betriebsspannung betreibbare
und zudem migrationsstabilere Halbleiterleuchtdiode bereitgestellt,
bei der die silberhaltige Schicht auf der Seite der p-dotierten
Leuchtdiodenschicht 4 angeordnet ist.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelements 20. Der Schichtenstapel 10 der Ausführungsform
gemäß 2 umfasst
außer
den vorgenannten Schichten noch eine zweite Halbleiterschicht 5.
Außerdem
kann optional eine zusätzliche
intrinsische, das heißt
zumindest ursprünglich
undotierte Schicht 6 vorgesehen sein, die zwischen der
ersten 7 und der zweiten Halbleiterschicht 5 angeordnet
ist.
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Die
Substratschicht 1 kann nachträglich entfernt werden oder
teilweise gedünnt
werden.
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Gemäß 2 sind
zwischen der Zwischenschicht 8 aus dem transparenten leitfähigen Oxid
und der Leuchtdiode 15 zumindest die Halbleiterschichten 7, 5 vorgesehen,
die vorzugsweise beide eine Dotierstoffkonzentration besitzen, die
größer ist
als die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten zweiten Leuchtdiodenschicht 4.
Beispielsweise sind die beiden Halbleiterschichten 7, 5 mit
Dotierstoffen zueinander entgegengesetzten Dotierstofftyps dotiert;
vorzugsweise die n+-dotierte erste Halbleiterschicht 7 mit
einem n-Dotierstoff wie beispielsweise Silizium und die p+-dotierte zweite Halbleiterschicht 5 vorzugsweise
mit einem p-Dotierstoff wie beispielsweise Magnesium. Diese Dotierstoffe
werden auch vorzugsweise für
die eigentlichen Leuchtdiodenschichten 2, 4 eingesetzt,
jedoch in geringerer Konzentration, da für Leuchtdiodenschichten an
der optisch aktiven Zone keine beliebig hohen Dotierstoffkonzentrationen
einsetzbar sind.
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Die
Dotierstoffkonzentration beider Halbleiterschichten 7, 5 ist
vorzugsweise größer als 1020/cm3.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass zwischen der TCO-Zwischenschicht 8 und der Halbleiterleuchtdiode 15 eine
Tun nelkontakt-Schichtenfolge vorgesehen ist. Diese besteht insbesondere
aus den beiden Halbleiterschichten 7, 5. Der Tunnelkontakt besteht
insbesondere zwischen der n+-dotierten Halbleiterschicht 7 und
der p+-dotierten Halbleiterschicht 5 und
bewirkt eine zusätzliche
Stromaufweitung in lateraler Richtung aufgrund der von den Elektronen
zu durchtunnelnden Barriere. Dadurch wird ferner ein verbesserter
ESD-Schutz (electrostatic device) erzielt. Der Tunnelkontakt wird
insbesondere durch eine Verschiebung der Bandstruktur in der Nähe der Schichtgrenze
zwischen beiden Halbleiterschichten erzielt. Der Tunnelkontakt entsteht
insbesondere durch eine lokale Absenkung des Minimums des Leitungsbandes
der n-dotierten
ersten Halbleiterschicht bis unter das Maximum des Valenzbandes der
p-dotierten Halbleiterschicht.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann zwischen beiden Halbleiterschichten 7, 5 eine
undotierte Halbleiterschicht 6 vorgesehen sein; diese dient
dazu, eine wechselseitige Diffusion der Dotierstoffe beispielsweise
(Magnesium und Silizium) in beiden Halbleiterschichten 7, 5 in
die jeweils andere Schicht hinein zu verhindern, damit kein pn-Übergang
entsteht, der die Betriebsspannung merklich erhöht. Die beiden Halbleiterschichten 7, 5 können vorzugsweise eine
Schichtdicke von weniger als 30 Nanometern, beispielsweise zwischen
drei Nanometern und 20 Nanometern besitzen. Die undotierte Halbleiterschicht
kann vorzugsweise eine Schichtdicke von weniger als zehn Nanometern,
vorzugsweise zwischen einem Nanometer und fünf Nanometern besitzen. Gemäß einer
möglichen
Ausführungsform grenzt
die undotierte Halbleiterschicht 6 unmittelbar an beide
Halbleiterschichten 7, 5 an.
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Als
Grundmaterial für
sämtliche
oben genannten Schichten aus Halbleitermaterial (nämlich die
Schichten 2, 4, 5, 6 und 7)
eignen sich beispielsweise sämtliche
III-V-Halbleiter materialien. Es können binäre, ternäre sowie auch quaternäre Halbleitermaterialien
eingesetzt werden, beispielsweise Nitride oder Phosphide eines oder
mehrerer dreiwertiger Metalle, beispielsweise Aluminium-Nitrid,
Aluminium-Indium-Nitrid, Galliumnitrid, Aluminium-Gallium-Nitrid,
Indium-Gallium-Nitrid
oder Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid. Obwohl durch den Tunnelkontakt
eine leichte Erhöhung
der Betriebsspannung um beispielsweise um 0,05 Volt entstehen kann,
ermöglicht
die erfindungsgemäße niederohmige
Verbindung der TCO-Schicht 8 durch die erste Halbleiterschicht 7 eine
Absenkung der Betriebsspannung um etwa 0,2 Volt, wodurch die durch
eine Tunnelbarriere entstehende Spannungserhöhung mehr als kompensiert wird.
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3 zeigt
exemplarisch die Abhängigkeit der
emittierten relativen Lichtintensität von den Schichtdickenverhältnissen
innerhalb des Schichtenstapels. Aufgetragen im relativen Verhältnis zu
einer Maximalintensität
ist die schichtdickenabhängige
Intensität
in willkürlichen
Einheiten zwischen 0,8 und 1,0. Zugrundegelegt wurde ein optoelektronisches Bauelement
(eine Halbleiterleuchtdiode), bei dem die Halbleiterschichten aus
dem Grundmaterial Gallium-Nitrid (GaN) gebildet sind. Dieses Grundmaterial wurde
sowohl für
die beiden Elektrodenschichten 2, 4 als auch für die übrigen Halbleiterschichten,
insbesondere die erste Halbleiterschicht 7 und gegebenenfalls
die zweite Halbleiterschicht 5 (sowie gegebenenfalls für eine zusätzliche
intrinsische Halbleiterschicht 6) verwendet. Der Schichtenstapel
weist außer
den oben genannten Schichten aus Halbleitermaterial ferner die Zwischenschicht
aus den transparenten leitfähigen
Oxid, hier ITO (Indium-Zinn-Oxid einer
Schichtdicke von 50 Nanometern) auf sowie eine aus Silber gebildete
Spiegelschicht. Aufgetragen ist für diese unveränderte Schichtdicke
der Zwischenschicht von 50 Nanometern jeweils die relative emittierte
Lichtintensität
in Abhängigkeit
von der Schichtdicke der Gallium-Nitrid-Schichtenfolge in Nanometern. Dabei
wurde nur der Schichtdickenanteil derjenigen Schichten berücksichtigt,
die zwischen der Zwischenschicht aus dem transparenten leitfähigen Oxid
(ITO) und der aktiven Zone angeordnet sind. Hierunter fallen die
p-dotierte Leuchtdiodenschicht 4, die erste und gegebenenfalls
zweite Halbleiterschicht 7, 5 sowie gegebenenfalls
auch die undotierte Halbleiterschicht 6; ferner alle übrigen hier nicht
explizit genannten Schichten, die zwischen der optisch aktiven Zone
der Halbleiterleuchtdiode 15 und der ihr zugewandten Hauptfläche der
Zwischenschicht aus dem transparenten leitfähigen Oxid angeordnet sind.
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In 3 ist
erkennbar, dass bei einer Schichtdicke des Halbleitermaterials (des
Gallium-Nitrids) zwischen optisch aktiver Zone und TCO-Schicht von
etwas über
60 Nanometern die maximale Strahlungsintensität emittiert wird. Allerdings ist
die Gesamtschichtdicke bei wenig mehr als 60 Nanometern für eine zuverlässige Fertigung
zu gering, so dass erst bei dem nächsten Maximum (mit konstruktiver
Interferenz der in Richtung der Spiegelschicht emittierten Strahlung
mit der von dort zurück reflektierten
Strahlung) gearbeitet wird. Diese Maximum befindet sich bei dem
Ausführungsbeispiel
der 3 bei etwa 160 Nanometern Schichtdicke des Halbleitermaterials
zwischen optisch aktiver Zone und TCO-Schicht. Die 3 verdeutlicht,
dass durch geeignete Wahl der Schichtdicken der Halbleiterschichten
die Strahlungsintensität
optimierbar ist.
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4 zeigt
eine tabellarische Übersicht
für zwei
Ausführungsbeispiele,
bei der jeweils die Gesamtschichtdicke (das heißt der Abstand) zwischen der
optisch aktiven Zone und der Spiegelschicht (d. h. der silberhaltigen
Schicht) unverändert
bleibt. Dafür
wird die Schichtdicke der TCO-Zwischenschicht 8 gegenläufig zur
Schichtdicke der Halbleiterschichten zwischen der TCO-Schicht und
der optisch aktiven Zone variiert. In dem in 4 links
dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht die TCO-Zwischenschicht 8 aus Zinn-Oxid und das
Grundmaterial der Halbleiterschichten zwischen optisch aktiver Zone
und der TCO-Schicht aus Gallium-Nitrid und/oder Aluminium-Gallium-Nitrid. Die linke
Tabelle der 4 zeigt exemplarisch einige
Schichtdickenkombinationen, bei denen eine besonders hohe Strahlungsintensität erzielt
wird, ähnlich
wie beim zweiten Maximum aus 3 mit konstruktiver
Interferenz. Beispielsweise kann die Schichtdicke der TCO-Zwischenschicht
zwischen 15 und 25 Nanometern gewählt werden, während zugleich
die Schichtdicke der Halbleiterschichten zwischen der TCO-Schicht
und der optisch aktiven Zone zwischen 105 und 95 Nanometern gewählt wird.
Dabei bleibt die Gesamtdicke jeweils konstant und beide Materialien
(TCO beziehungsweise das Halbleitermaterial) werden mit zueinander
gegenläufig
variierter Schichtdicke aufgebracht. Insbesondere ist bevorzugt,
wenn der Abstand zwischen der TCO-Schicht und der optisch aktiven
Zone kleiner als 100 Nanometer, vorzugsweise kleiner als 75 Nanometer
ist, wie auch anhand der in Figur rechts dargestellten tabellarischen Übersicht
enthalten.
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Bei
der rechts in Figur dargestellten tabellarischen Übersicht
wird als TCO-Material Indium-Zinn-Oxid verwendet. Wiederum dient
Gallium-Nitrid als Grundmaterial für die Halbleiterschichten.
Hierbei kann beispielsweise die TCO-Schicht mit einer Schichtdicke
zwischen 25 und 35 Nanometern vorgesehen sein und die Halbleiterschichtenfolge
mit einer Schichtdicke zwischen 85 und 75 Nanometern vorgesehen
sein. Die in der rechten Spalte hinsichtlich ihrer Schichtdicke
spezifizierte Halbleiterschichtenfolge kann eine 13 Nanometer dicke
Aluminium-Gallium-Nitrid-Schicht als zweiter Leuchtdiodenschicht
mit umfassen, die in der angegebenen Schichtdicke für Gallium-Nitrid
enthalten ist. Dementsprechend kann auch in dem links in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
mit Zink-Oxid die
Halbleiterschichtenfolge, die ebenfalls auf Gallium-Nitrid basiert, eine
30 Nanometer dicke Aluminium-Gallium-Nitrid-Schicht als zweiter Leuchtdiodenschicht 4 umfassen.
Die oben angegebenen Schichtdicken in der jeweils rechten Spalte
der linken und rechten Tabelle der 4 geben
somit die Summe der Schichtdicken aus Gallium-Nitrid und Aluminium-Gallium-Nitrid an,
das heißt
die Gesamtschichtdicke der zwischen der optisch aktiven Zone und
der TCO-Zwischenschicht angeordneten Halbleiterschichten. Die geeignete
Wahl der Schichtdicken ermöglicht
somit eine Steigerung der emittierten Lichtintensität der von
dem optoelektronischen Bauelement austrittsseitig emittierten Strahlung.