DE102009019524B4 - Optoelektronischer Halbleiterkörper mit einem reflektierenden Schichtsystem - Google Patents

Optoelektronischer Halbleiterkörper mit einem reflektierenden Schichtsystem Download PDF

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Abstract

Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) mit einer aktiven Halbleiterschichtenfolge (10) und einem reflektierenden Schichtsystem (20), das eine an die Halbleiterschichtenfolge (10) angrenzende erste strahlungsdurchlässige Schicht (21), die ein erstes dielektrisches Material enthält, und eine Metallschicht (23), die an der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht (21) angeordnet ist, aufweist, wobei zwischen der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht (21) und der Metallschicht (23) eine zweite strahlungsdurchlässige Schicht (22) angeordnet ist, die ein haftverbesserndes Material enthält, auf welches die Metallschicht (23) unmittelbar aufgebracht ist, und das haftverbessernde Material von dem ersten dielektrischen Material verschieden ist und derart ausgewählt ist, dass die Haftung der Metallschicht (23) auf dem haftverbessernden Material im Vergleich zur Haftung auf dem ersten dielektrischen Material verbessert ist, wobei- die erste strahlungsdurchlässige Schicht (21) aus SiO2besteht,- das haftverbessernde Material der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht (22) eine stickstoffhaltige Verbindung oder ein transparentes leitfähiges Oxid ist, und- die zweite strahlungsdurchlässige Schicht eine Schichtdicke von 10 nm oder weniger hat.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper mit einem reflektierenden Schichtsystem.
  • Aus dem Dokument JP 2007 - 258 276 A ist ein optoelektronischer Halbleiterkörper mit einem reflektierenden Schichtsystem bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung einen optoelektronischen Halbleiterkörper mit einem reflektierenden Schichtsystem, das eine strahlungsdurchlässige Schicht und eine Metallschicht enthält, anzugeben, bei dem die Gefahr einer Delamination der Metallschicht verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch den optoelektronischen Halbleiterkörper mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterkörpers sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich in die Beschreibung mit aufgenommen wird.
  • Es wird ein optoelektronischer Halbleiterkörper angegeben. Der Halbleiterkörper weist eine aktive Halbleiterschichtenfolge auf. Die aktive Halbleiterschichtenfolge enthält zweckmäßigerweise eine n-leitende Schicht, eine p-leitende Schicht und eine aktive Schicht zwischen der n-leitenden und der p-leitenden Schicht. Die aktive Schicht weist vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Strahlungserzeugung auf. Die aktive Halbleiterschichtenfolge ist vorzugsweise zur Emission elektromagnetischer Strahlung - insbesondere im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich - vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann die aktive Halbleiterschichtenfolge auch zum Empfang elektromagnetischer Strahlung vorgesehen sein. Die aktive Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt eine epitaktische Schichtenfolge, die beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden ist, wobei das Aufwachssubstrat nachfolgend entfernt oder stark gedünnt sein kann.
  • Zusätzlich weist der optoelektronische Halbleiterkörper ein reflektierendes Schichtsystem auf. Das reflektierende Schichtsystem enthält eine erste strahlungsdurchlässige Schicht, die an die aktive Halbleiterschichtenfolge angrenzt. Die erste strahlungsdurchlässige Schicht enthält ein dielektrisches Material, insbesondere Siliziumdioxid (SiO2).
  • Als „strahlungsdurchlässige Schicht“ wird im vorliegenden Zusammenhang eine Schicht bezeichnet, welche aus einer Materialzusammensetzung besteht, die für elektromagnetische Strahlung, zu deren Emission oder Empfang die aktive Halbleiterschichtenfolge vorgesehen ist, zumindest teilweise durchlässig, und insbesondere transparent, ist. Bei einer Ausgestaltung enthält die erste strahlungsdurchlässige Schicht einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR, Distributed Bragg Reflector), der beispielsweise mehrere Schichtpaare mit je einer SiO2-Schicht und einer TiO2-Schicht enthält.
  • Zudem enthält das reflektierende Schichtsystem eine Metallschicht, die der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht in Richtung von der Halbleiterschichtenfolge weg nachfolgt. Anders ausgedrückt ist die Metallschicht an der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht angeordnet.
  • Zwischen der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht und der Metallschicht ist eine zweite strahlungsdurchlässige Schicht angeordnet. Die zweite strahlungsdurchlässige Schicht enthält ein haftverbesserndes Material oder besteht aus dem haftverbessernden Material. Die Metallschicht ist unmittelbar auf das haftverbessernde Material der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht aufgebracht. Das haftverbessernde Material ist von dem ersten dielektrischen Material verschieden. Es ist derart ausgewählt, dass die Haftung der Metallschicht im Vergleich zur Haftung auf dem ersten dielektrischen Material verbessert ist.
  • Eine verbesserte Haftung liegt insbesondere vor, wenn eine Zugkraft und/oder eine Scherkraft, die notwendig ist, um die Metallschicht von dem haftverbessernden Material zu lösen, größer ist als die entsprechende Zugkraft beziehungsweise Scherkraft, die notwendig ist, um eine entsprechende Metallschicht, die unmittelbar auf das erste dielektrische Material aufgebracht ist, von diesem zu lösen.
  • Ein solches reflektierendes Schichtsystem ist vorteilhaft, um eine hohe Reflektivität zu erzielen. Beispielsweise werden Lichtstrahlen, die in der Halbleiterschichtenfolge unter einem flachen Winkel zu dem reflektierenden Schichtsystem hin verlaufen an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht total reflektiert. Lichtstrahlen, welche die Reflexionsbedingungen für die Totalreflexion nicht erfüllen und in die erste strahlungsdurchlässige Schicht eindringen, werden beispielsweise mittels der Metallschicht in Richtung der Halbleiterschichtenfolge zurückreflektiert. Auf diese Weise kann eine hohe Reflektivität über einen großen Winkelbereich erzielt werden.
  • Ist die Haftung der Metallschicht an der transparenten Schicht des reflektierenden Schichtsystems, welche ihr in Richtung zur Halbleiterschichtenfolge hin vorausgeht, unzureichend, besteht die Gefahr, dass - beispielsweise durch eine zumindest stellenweise Delamination der Metallschicht - das Bauteil unbrauchbar wird.
  • Mit der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht, mittels welcher eine besonders gute Haftung der metallischen Schicht erzielt werden kann, ist diese Gefahr reduziert. Insbesondere bei einer Massenproduktion solcher Bauteile kann auf diese Weise der Anteil mangelhafter und/oder unbrauchbarer Bauteile mit Vorteil besonders gering gehalten werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem haftverbessernden Material um ein zweites dielektrisches Material. Das zweite dielektrische Material ist zweckmäßigerweise vom ersten dielektrischen Material verschieden. Insbesondere ist das zweite dielektrische Material von Siliziumdioxid verschieden. Siliziumdioxid ist ein dielektrisches Material mit besonders unvorteilhaften Haftungseigenschaften für die Metallschicht.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem haftverbessernden Material, insbesondere bei dem zweiten dielektrischen Material, um eine stickstoffhaltige Verbindung, beispielsweise um Aluminiumnitrid (AlN), ein Siliziumnitrid (SixNy) wie Si3N4 oder Tantalnitrid (TaN). Die Erfinder haben festgestellt, dass mittels einer zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht, die eine stickstoffhaltige Verbindung als haftverbesserndes Material enthält, eine besonders gute Haftung der Metallschicht erzielt wird. Die Haftung von Metallschichten auf stickstoffhaltigen Verbindungen, insbesondere auf Si3N4, ist insbesondere gegenüber der Haftung auf anderen dielektrischen Materialien, etwa auf Siliziumdioxid, verbessert.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei dem haftverbessernden Material um ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO, Transparent Conducting Oxide). Vorzugsweise ist das transparente leitfähige Oxid Indiumwolframoxid (IWO), Indiumzinkoxid(IZO) oder Zinkoxid (ZnO). Die Erfinder haben festgestellt, dass beispielsweise mittels Zinkoxid eine besonders gute Haftung der Metallschicht erzielt wird. Auch andere transparente leitfähige Oxide wie Indiumzinnoxid (ITO, Indium Tin Oxide) haben eine gegenüber Siliziumdioxid verbesserte Haftung. Die Haftungseigenschaften von Zinkoxid sind jedoch gegenüber diesen anderen transparenten leitfähigen Oxiden mit Vorteil noch weiter verbessert.
  • Die zweite strahlungsdurchlässige Schicht hat bei einer Ausgestaltung eine Schichtdicke von 100 nm oder weniger. Vorzugsweise hat sie eine Schichtdicke von zehn Nanometern oder weniger. Bei einer derartigen Schichtdicke sind die Absorptionsverluste durch die zweite strahlungsdurchlässige Schicht mit Vorteil besonders klein. Eine solch geringe Schichtdicke ist besonders bei transparenten leitfähigen Oxiden als haftverbesserndem Material vorteilhaft, da diese vergleichsweise stark absorbierend sind.
  • Bei einer anderen Ausführungsform weist die zweite strahlungsdurchlässige Schicht ein Schichtsystem aus Schichtpaaren mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex auf. Ein solches Schichtsystem stellt beispielsweise einen verteilten Bragg-Reflektor dar. Solche verteilten Bragg-Reflektoren sind dem Fachmann im Prinzip bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Bei dem vorliegenden verteilten Bragg-Reflektor enthält ein Schichtpaar, eine Mehrzahl von Schichtpaaren oder jedes Schichtpaar eine Schicht, die aus dem haftverbessernden Material, insbesondere aus einem Siliziumnitrid wie Si3N4 oder Zinkoxid, besteht. Die zweite Schicht des Schichtpaars beziehungsweise der Schichtpaare besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid. Wichtig ist dabei, dass der verteilte Bragg-Reflektor an der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite mit einer Schicht aus dem haftverbessernden Material endet, auf welche die Metallschicht dann unmittelbar aufgebracht ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Metallschicht eine Mehrschichtstruktur auf. Die Mehrschichtstruktur hat eine der Halbleiterschichtenfolge zugewandte Haftvermittlungsschicht, die unmittelbar auf das haftverbessernde Material der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht aufgebracht ist. In Richtung von der Halbleiterschichtenfolge weg folgt der Haftvermittlungsschicht eine Reflektorschicht nach.
  • Die Haftvermittlungsschicht enthält mindestens eines der Metalle aus der Gruppe, die gebildet wird von Ti, Ta, Al, Pt, Pd, Cr und Ni. Beispielsweise besteht sie aus einem dieser Metalle oder aus einer Legierung dieser Metalle. Vorzugsweise hat die Haftvermittlungsschicht eine Dicke von 50 Nanometern oder weniger, besonders bevorzugt von einem Nanometer oder weniger.
  • Die Metallschicht enthält vorzugsweise eines der folgenden Metalle oder besteht aus einem dieser Metalle: Al, Ag, Au. Vorzugsweise ist/sind diese(s) Metall(e) in der Reflektorschicht enthalten. Die Reflektorschicht grenzt vorzugsweise auf der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite an die Haftvermittlungsschicht an. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1, einen schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
    • 2, einen schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäße einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • In den Figuren und den Ausführungsbeispielen sind ähnliche oder ähnlich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente - insbesondere Schichten - sind nicht als maßstabsgetreu zu verstehen. Vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis und/oder zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß - zum Beispiel übertrieben dick - dargestellt sein.
  • 1 zeigt einen optoelektronischen Halbleiterkörper 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Halbleiterkörper weist eine aktive Halbleiterschichtenfolge 10 auf. Die aktive Halbleiterschichtenfolge 10 ist beispielsweise auf einem Aufwachssubstrat (in den Figuren nicht gezeigt) epitaktisch aufgewachsen. Das Aufwachssubstrat kann entfernt oder stark gedünnt sein.
  • Die aktive Halbleiterschichtenfolge 10 enthält eine n-leitende Schicht 11, eine aktive Schicht 12, die beispielsweise eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Strahlungserzeugung enthält, und eine p-leitende Schicht 13. Die Reihenfolge der n-leitenden Schicht und der p-leitenden Schicht 11, 13 kann dabei auch vertauscht sein.
    Auf einer ersten Hauptfläche 101 der Halbleiterschichtenfolge 10 ist ein reflektierendes Schichtsystem 20 aufgebracht. Vorliegend besteht das reflektierende Schichtsystem 20 aus einer ersten strahlungsdurchlässigen Schicht 21, einer zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht 22 und einer Metallschicht 23.
  • Auf eine erste Hauptfläche 211 der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht 21 ist die zweite strahlungsdurchlässige Schicht 22 aufgebracht. Mit der zweiten Hauptfläche 212, welche der ersten Hauptfläche 211 gegenüber liegt, grenzt die erste strahlungsdurchlässige Schicht 21 an die erste Hauptfläche 101 der Halbleiterschichtenfolge 10 an. Auf eine erste Hauptfläche 221 der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht 22 ist die Metallschicht 23 aufgebracht. Die der ersten Hauptfläche 221 gegenüberliegende zweite Hauptfläche 222 der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht grenzt an die erste Hauptfläche 211 der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht 21 an.
  • Die erste strahlungsdurchlässige Schicht 21 besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2). Die zweite strahlungsdurchlässige Schicht 22 besteht vorliegend aus dem Siliziumnitrid Si3N4 und hat eine Schichtdicke D von 10 nm oder weniger. Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels besteht die zweite strahlungsdurchlässige Schicht 22 aus dem transparenten leitfähigen Oxid ZnO.
    Vorliegend besteht die Metallschicht 23, die mit einer Hauptfläche 232 an die zweite strahlungsdurchlässige Schicht 22 angrenzt, aus einer Haftvermittlungsschicht 23A und einer Reflektorschicht 23B. Die Haftvermittlungsschicht 23A ist unmittelbar auf das haftverbessernde Material - das heißt vorliegend auf das Siliziumnitrid beziehungsweise bei der Variante dieses Ausführungsbeispiels auf das Zinkoxid der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht 22 - aufgebracht.
  • Die Haftvermittlungsschicht 23A besteht beispielsweise aus Chrom (Cr) und/oder Titan (Ti). Auf die Haftvermittlungsschicht ist direkt die Reflektorschicht 23B aufgebracht, die vorliegend aus Silber (Ag) besteht.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterkörpers. Der optoelektronische Halbleiterkörper 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich darin von demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, dass die zweite strahlungsdurchlässige Schicht 22 als verteilter Bragg-Reflektor (DBR) ausgebildet ist.
  • Die zweite strahlungsdurchlässige Schicht besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus Schichtpaaren 22A, 22B von Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex. Beispielsweise bestehen die ersten Schichten 22A der Schichtpaare aus Siliziumdioxid, das einen Brechungsindex n von etwa n ≈ 1,45 hat und die zweiten Schichten 22B der Schichtpaare bestehen aus Siliziumnitrid, das einen Brechungsindex n von etwa n ≈ 2 hat. Der DBR weist beispielsweise mindestens fünf, insbesondere mindestens zehn solcher Schichtpaare 22A, 22B auf.
  • An der von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten ersten Hauptfläche 221 der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht 22 endet der DBR mit einer Siliziumnitridschicht 22B, auf welche die Metallschicht 23 unmittelbar aufgebracht ist.

Claims (10)

  1. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) mit einer aktiven Halbleiterschichtenfolge (10) und einem reflektierenden Schichtsystem (20), das eine an die Halbleiterschichtenfolge (10) angrenzende erste strahlungsdurchlässige Schicht (21), die ein erstes dielektrisches Material enthält, und eine Metallschicht (23), die an der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht (21) angeordnet ist, aufweist, wobei zwischen der ersten strahlungsdurchlässigen Schicht (21) und der Metallschicht (23) eine zweite strahlungsdurchlässige Schicht (22) angeordnet ist, die ein haftverbesserndes Material enthält, auf welches die Metallschicht (23) unmittelbar aufgebracht ist, und das haftverbessernde Material von dem ersten dielektrischen Material verschieden ist und derart ausgewählt ist, dass die Haftung der Metallschicht (23) auf dem haftverbessernden Material im Vergleich zur Haftung auf dem ersten dielektrischen Material verbessert ist, wobei - die erste strahlungsdurchlässige Schicht (21) aus SiO2 besteht, - das haftverbessernde Material der zweiten strahlungsdurchlässigen Schicht (22) eine stickstoffhaltige Verbindung oder ein transparentes leitfähiges Oxid ist, und - die zweite strahlungsdurchlässige Schicht eine Schichtdicke von 10 nm oder weniger hat.
  2. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß Anspruch 1, wobei die stickstoffhaltige Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus AlN, SixNy, Si3N4, TaN.
  3. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß Anspruch 1, wobei das haftverbessernde Material Indiumwolframoxid, Indiumzinkoxid oder Zinkoxid ist.
  4. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite strahlungsdurchlässige Schicht (22) ein Schichtsystem aus Schichtpaaren (22A, 22B) mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex enthält, wobei eine Schicht (22B) jedes Schichtpaars aus dem haftverbessernden Material besteht.
  5. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste dielektrische Material Siliziumdioxid ist.
  6. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (23) eine Mehrschichtstruktur aufweist, die eine der Halbleiterschichtenfolge (10) zugewandte Haftvermittlungsschicht (23A), die unmittelbar auf das haftverbessernde Material aufgebracht ist, und eine Reflektorschicht (23B) an der von der Halbleiterschichtenfolge (10) abgewandten Seite der Haftvermittlungsschicht (23A) enthält.
  7. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß Anspruch 6, wobei die Haftvermittlungsschicht (23A) mindestens eines der folgenden Metalle enthält oder aus einem dieser Metalle besteht: Ti, Ta, Al, Pt, Pd, Cr, Ni.
  8. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Haftvermittlungsschicht (23A) eine Schichtdicke von 1 nm oder weniger hat.
  9. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht (23) mindestens eines der folgenden Metalle enthält oder aus einem dieser Metalle besteht: Al, Ag, Au.
  10. Optoelektronischer Halbleiterkörper (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Reflektorschicht (23B) mindestens eines der folgenden Metalle enthält oder aus einem dieser Metalle besteht: Al, Ag, Au.
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