DE102011077542B4 - Optoelektronischer halbleiterkörper und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterkörpers - Google Patents

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Abstract

Optoelektronischer Halbleiterkörper (100)- mit einem Substrat (102, 132, 202),- mit einer verspannten Schicht (104, 134, 160), die in einem ersten Epitaxieschritt auf dem Substrat (102, 132, 202) aufgebracht ist, wobei die verspannte Schicht (104, 134, 160) mindestens eine vertikal in der verspannten Schicht gebildete Ausnehmung (106, 110) aufweist und wobei auf die verspannte Schicht (104, 134, 160) in einem zweiten Epitaxieschritt eine weitere Schicht (108, 136, 168) aufgebracht ist, die die mindestens eine Ausnehmung (106, 110) auffüllt und die verspannte Schicht (104, 134, 160) zumindest bereichsweise bedeckt, wobei die Gitterkonstante der verspannten Schicht (104, 134, 160) kleiner ist als die Gitterkonstante des Substrats und zugleich die Gitterkonstante der weiteren Schicht (108, 136, 168) größer ist als die Gitterkonstante des Substrats.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers.
  • Optoelektronische Halbleiterkörper weisen üblicherweise eine Epitaxieschichtenfolge mit einer zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung geeigneten aktiven Schicht auf. Als Epitaxieschichtenfolge wird die Gesamtheit der epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten bezeichnet. Eine derartige Epitaxieschichtenfolge kann mittels Epitaxie auf einem Substrat abgeschieden sein. Dabei können mechanische Verspannungen zwischen der Epitaxieschichtenfolge und dem Substrat auftreten. Derartige Verspannungen können zu Verbiegung des Halbleiterkörpers und/oder zu Rissen in der Epitaxieschichtenfolge führen. Dies kann bei der epitaktischen Abscheidung von nicht-gitterangepassten Verbindungshalbleitern auftreten. Beispielsweise können Verbindungshalbleiter wie Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN) auf einem Substrat aus Galliumnitrid (GaN) abgeschieden werden.
  • US 2003/0092263 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleitern. Eine erste Gruppe III-Nitrid-Verbindungshalbleiterschicht 31 wird geätzt, um dadurch eine inselähnliche Struktur zu bilden, so dass ein Graben/Pfosten entsteht. Auf diese Weise kann eine zweite Gruppe III-Nitrid-Verbindungsschicht vertikal und seitlich von einer oberen Oberfläche des Pfostens und einer Seitenwand/Seitenwänden des Grabens epitaktisch aufgewachsen werden.
  • US 6,835,956 B1 betrifft eine Nitrid-Halbleitervorrichtung, die ein GaN-Substrat mit einer einkristallinen GaN-Schicht zumindest auf seiner Oberfläche und eine Vielzahl von vorrichtungsbildenden Schichten aus Nitrid-Halbleiter enthält.
  • JP 2000-244061 A betrifft ein Verfahren, bei dem ein erster Nitrid-Halbleiter auf einem Substrat aufgewachsen wird, das aus einem anderen Material als ein Nitrid-Halbleiter besteht. Nachdem auf dem ersten Nitrid-Halbleiter teilweise vorstehende und vertiefte Teile gebildet worden sind, werden die Seitenflächen des vertieften Teils freigelegt, um das horizontale Wachstum des Nitrid-Halbleiters darauf zu ermöglichen, und ein zweiter Nitrid-Halbleiter wird auf dem ersten Nitrid-Halbleiter mit den vorstehenden und vertieften Teilen aufgewachsen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen optoelektronischen Halbleiterkörper anzugeben, bei dem die Verspannung zwischen Substrat und Epitaxieschichtenfolge und/oder die Rissbildung in der Epitaxieschichtenfolge reduziert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterkörper gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17 gelöst sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 18 gelöst.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des optoelektronischen Halbleiterkörpers und des optoelektronischen Bauelements sowie des Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterkörpers sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Beispielhafte Ausführungsformen
  • Verschiedene Ausführungsformen eines optoelektronischen Halbleiterkörpers weisen eine verspannte Schicht auf, die in einem ersten Epitaxieschritt auf einem Substrat aufgebracht wurde. Die verspannte Schicht weist mindestens eine vertikal in der verspannten Schicht gebildete Ausnehmung auf. Auf die verspannte Schicht wurde in einem zweiten Epitaxieschritt eine weitere Schicht aufgebracht, die die mindestens eine Ausnehmung auffüllt und die verspannte Schicht zumindest bereichsweise bedeckt. Diese Anordnung gewährleistet, dass die Verspannung zwischen Substrat und Epitaxieschichtenfolge und/oder die Rissbildung in der Epitaxieschichtenfolge reduziert ist.
  • Die Gitterkonstante der verspannten Schicht ist kleiner als die Gitterkonstante des Substrats und zugleich ist die Gitterkonstante der weiteren Schicht größer als die Gitterkonstante des Substrats.
  • Die Verspannung tritt dadurch auf, dass die „natürlichen“ Gitterkonstanten des Substrats und der verspannten Schicht voneinander verschieden sind. „Natürlich“ bedeutet im vorliegenden Dokument, dass der Wert der Gitterkonstante jeweils an einem isolierten System bestimmt wurde. Mit anderen Worten: Die Werte der Gitterkonstanten gelten für Schichten im unverspannten Zustand, für Schichten also, die nicht im Kontakt zueinander sind. Im Folgenden meint der Begriff „Gitterkonstante“ immer „natürliche Gitterkonstante“. Zudem bezeichnet der Begriff Gitterkonstante vorliegend den Wert der Gitterkonstante parallel zur Wachstumsoberfläche der Epitaxieschichten. Je größer die Abweichung der Gitterkonstanten von Schichten, die epitaktisch unmittelbar aufeinander aufgewachsen sind, ist, desto stärker ist im Allgemeinen die Verspannung zwischen diesen Schichten.
  • Zudem können Substrat und verspannte Schicht einen voneinander verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen. Auch dies kann zur Verspannung zwischen der verspannten Schicht und dem Substrat beitragen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abweichung der Gitterkonstante der weiteren Schicht (aw) von der Gitterkonstante des Substrats (as) geringer als die Abweichung der Gitterkonstante der verspannten Schicht (av) von der Gitterkonstante des Substrats (as). Obige Bedingungen für die Gitterkonstanten können wie folgt dargestellt werden: a w < a s  und a v < a s  und a v < a w .
    Figure DE102011077542B4_0001
    Die verspannte Schicht und die weitere Schicht sind gemäß obigen Bedingungen mit dem Substrat tensil verspannt. Die Kristallstruktur der weiteren Schicht ist an die Kristallstruktur des Substrats besser angepasst als die Kristallstruktur der verspannten Schicht. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Verspannung des Systems aus Substrat, verspannter Schicht mit Ausnehmung(en)und weiterer Schicht, die die Ausnehmung(en) auffüllt, geringer ist als die bekannte Verspannung des Systems aus Substrat und verspannter Schicht ohne Ausnehmungen.
  • Falls die verspannte Schicht die Mantelschicht eines kantenemittierenden Halbleiterlasers ist und die weitere Schicht die Wellenleiterschicht dieses kantenemittierenden Halbleiterlasers ist, muss wegen der gewünschten Totalreflexion der Brechungsindex der verspannten Schicht möglichst klein sein. Dies wird erreicht durch einen möglichst hohen Aluminiumgehalt. Je höher der Aluminiumgehalt ist, desto kleiner ist die Gitterkonstante der verspannten Schicht (av) und desto stärker ist die Verspannung zwischen der verspannten Schicht und dem Substrat.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die verspannte Schicht tensil verspannt und die weitere Schicht kompressiv verspannt. Mit anderen Worten werden gegensätzliche Verspannungen kombiniert. Dies wird durch folgenden Zusammenhang zwischen den Gitterkonstanten erreicht: a w > a s  und a v < a s  
    Figure DE102011077542B4_0002
    Die Gitterkonstante der weiteren Schicht (aw) ist größer als die Gitterkonstante des Substrats (as) und zugleich ist die Gitterkonstante der verspannten Schicht (av) kleiner als die Gitterkonstante des Substrats (as). Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Verspannung des Systems aus Substrat, verspannter Schicht mit Ausnehmung(en)und weiterer Schicht reduziert werden kann.
  • Im Spezialfall eines sogenannten pseudomorphen Wachstums der verspannten Schicht auf dem Substrat sind die Gitterkonstanten von verspannter Schicht und Substrat parallel zur Grenzfläche von Substrat und verspannter Schicht in etwa identisch. Die Gitterkonstanten von verspannter Schicht und Substrat senkrecht zur Grenzfläche von Substrat und verspannter Schicht sind jedoch verschieden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die verspannte Schicht in der Ausnehmung gedünnt. Mit anderen Worten wird die verspannte Schicht strukturiert. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Verspannung zwischen dem Substrat und der verspannten Schicht reduziert ist. Die verspannte Schicht kann an der Ausnehmung relaxieren. Die Ausnehmung verläuft senkrecht zum Substrat.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die verspannte Schicht an der Ausnehmung gänzlich unterbrochen sein. Dies reduziert noch mehr die Verspannung in der verspannten Schicht, als wenn die verspannte Schicht in der Ausnehmung nur gedünnt ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Ausnehmung senkrecht zum Substrat sowohl die gesamte verspannte Schicht, als auch einen Teil des Substrats durchqueren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die weitere Schicht die verspannte Schicht vollständig bedecken. Dies ist vorteilhaft, da dadurch eine plane Oberfläche gebildet ist, auf die weitere Epitaxieschichten aufwachsbar sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke der verspannten Schicht zwischen 0,5 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 3 µm, betragen. Diese, im Vergleich zu bekannten Anordnungen, große Dicke ist vorteilhaft, da dadurch die optischen Eigenschaften der Epitaxieschichtenfolge vom Substrat entkoppelt sind. Wird beispielsweise als verspannte Schicht die Mantelschicht eines kantenemittierenden Halbleiterlasers angenommen, können durch die große Dicke störende Substratmoden unterdrückt werden und die Abstrahlcharakteristik verbessert werden. Die störenden Substratmoden können bei transparenten Substraten auftreten. Das Substrat ist dabei für die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung nicht absorbierend. Beispielsweise kann ein GaN aufweisendes Substrat für elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich transparent sein. Ein Teil des in Wellenleiter und Mantelschicht geführten blauen Lichts kann in das GaN aufweisendes Substrat eindringen. Dieser Lichtanteil geht für die Laseremission verloren. Vor allem aber wird die Abstrahlcharakteristik gestört.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann der optoelektronische Halbleiterkörper gemäß Anspruch 1 mindestens eine Ausnehmung eines ersten Typs und/oder mindestens eine Ausnehmung eines zweiten Typs aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine Ausnehmung eines ersten Typs eine Breite von 5 µm bis 100 µm aufweisen. Diese Ausnehmung dient ausschließlich zur Reduktion der mechanischen Spannung in der verspannten Schicht. Die Breite von 5 µm oder mehr ist vorteilhaft, da dadurch der verspannten Schicht an der Ausnehmung genug Raum gegeben ist, um zu relaxieren, ohne Risse zu bilden. Der optoelektronische Halbleiterkörper kann eine Mehrzahl an Ausnehmungen eines ersten Typs aufweisen. Insbesondere kann der optoelektronische Halbleiterkörper ausschließlich Ausnehmungen eines ersten Typs aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine Ausnehmung eines zweiten Typs eine Breite von 0,1 µm bis 5 µm aufweisen. Dies ist besonders vorteilhaft, da durch die Ausnehmung des zweiten Typs eine Strominjektion in Schichten erfolgen kann, die der verspannten Schicht nachgeordnet sind. Durch die Begrenzung der Breite auf maximal 5 µm wird sichergestellt, dass eine elektromagnetische Welle, die sich in einem Bauelement ausbreitet, nicht durch die Ausnehmung des zweiten Typs gestört wird. Zudem wird auch durch die Ausnehmung des zweiten Typs die Verspannung in der verspannten Schicht reduziert. Der optoelektronische Halbleiterkörper kann eine Mehrzahl an Ausnehmungen eines zweiten Typs aufweisen. Insbesondere kann der optoelektronische Halbleiterkörper ausschließlich Ausnehmungen eines zweiten Typs aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat GaN aufweisen. Die verspannte Schicht kann eine Mantelschicht aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1) sein. Der Indiumgehalt x kann zwischen 0% und 10% Atomprozent liegen. Wenn im Folgenden der Einfachheit halber von einer AlGaN-Mantelschicht gesprochen wird, ist damit auch der Fall eines nicht verschwindenden Indiumgehalts umfasst. Der Aluminiumgehalt kann zwischen 0,1% und 100%, vorzugsweise zwischen 4% und 30%, Atomprozent variieren. Je höher der Aluminiumgehalt der Mantelschicht, desto kleiner ist der Brechungsindex der Mantelschicht. Je kleiner der Brechungsindex der Mantelschicht, desto mehr Licht kann an der Grenzfläche von Mantelschicht zu einem darauf angeordneten Wellenleiter mit einem höheren Brechungsindex total reflektiert werden. Jedoch nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit steigendem Aluminiumgehalt ab. Wenn über die AlGaN-Mantelschicht die nachfolgenden Epitaxieschichten bestromt werden sollen, ist die Obergrenze des Aluminiumgehalts in der AlGaN-Mantelschicht bei etwa 30% Atomprozent. Die AlGaN-Mantelschicht kann eine n-Leitfähigkeit aufweisen. Die AlGaN-Mantelschicht ist hierzu mit Silizium, Sauerstoff oder Germanium dotiert.
  • Die Verspannung in der AlGaN-Mantelschicht und die Verbiegung des Substrats steigen mit steigender Dicke der AlGaN-Mantelschicht und mit steigendem Aluminiumgehalt in der AlGaN-Mantelschicht.
  • Alternativ kann das Substrat Silizium oder Saphir aufweisen, deren Gitterkonstante stark von der Gitterkonstante von GaN abweicht. Um darauf eine AlGaN-Mantelschicht epitaktisch aufzuwachsen, kann auf das Substrat zunächst eine dünne GaN-Schicht als Seedlayer aufgebracht sein. Dies wird als Quasisubstrat oder engineered substrat bezeichnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der AlGaN-Mantelschicht und dem GaN aufweisenden Substrat eine Zwischenschicht, insbesondere aus InxGa1-xN (0≤x≤0,5), aufgebracht sein. Die Zwischenschicht kann kompressiv verspannt sein. Die Verbindung von tensil verspannter AlGaN-Mantelschicht und kompressiv verspannter InGaN-Zwischenschicht reduziert die Verbiegung des Substrats und die Gefahr von Rissbildung in der AlGaN-Mantelschicht. Die Zwischenschicht kann elektrisch leitend sein. Die Zwischenschicht kann zugleich kompressiv verspannt und elektrisch leitend sein.
  • Die Anordnung einer elektrisch leitenden Zwischenschicht ist besonders vorteilhaft, wenn das Substrat ein schlechter elektrischer Leiter oder gar ein Nichtleiter, wie Saphir, ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die weitere Schicht ein Wellenleiter mit einer ersten Leitfähigkeit, insbesondere einer n-Leitfähigkeit. In Wachstumsrichtung folgen eine aktive Zone, eine Wellenleiterschicht mit einer zweiten Leitfähigkeit, insbesondere mit einer p-Leitfähigkeit, und eine Mantelschicht mit einer zweiten Leitfähigkeit, insbesondere mit einer p-Leitfähigkeit. Obige Epitaxieschichten können eine kantenemittierende Laserdiode bilden.
  • Die aktive Zone kann ein pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) oder eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim), Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat GaN aufweisen und die verspannte Schicht ein Braggspiegel aus alternierenden Schichten von InGaN und AlGaN, mit der Zusammensetzung InxGa1-xN (0≤x≤0,2) und AlyGa1-yN (0≤y≤1) sein. Der Braggspiegel kann n-leitend sein. Auf den n-leitenden Braggspiegel kann eine aktive Zone und auf die aktive Zone ein p-leitender Braggspiegel folgen. Die Gesamtheit der Schichten ergibt einen vertikal emittierenden Laser (VCSEL).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die im zweiten Epitaxieschritt aufgewachsene weitere Schicht eine erste Leitfähigkeit, insbesondere eine n-Leitfähigkeit, aufweisen. Beispielsweise kann bei einem kantenemittierenden Halbleiterlaser die weitere Schicht die Funktion eines n-leitenden Wellenleiters aufweisen. Die Wellenleiterschicht ist dadurch definiert, dass ihr Brechungsindex größer ist, als der Brechungsindex der Mantelschicht. Die Zusammensetzung des n-Wellenleiters kann InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤0,3) aufweisen. Der n-Wellenleiter aus InAlGaN kann über seine Erstreckung senkrecht zur Wachstumsoberfläche einen einheitlichen Indiumgehalt (x) und einen einheitlichen Aluminiumgehalt (y) aufweisen. Alternativ kann über die Erstreckung senkrecht zur Wachstumsoberfläche eine Variation des Indiumsgehalts (x) und des Aluminiumgehalts (y) stattfinden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann aus den oben dargestellten optoelektronischen Halbleiterkörpern ein optoelektronisches Bauelement vereinzelt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die verspannte AlGaN-Mantelschicht seitlich von einer leitfähigen, insbesondere n-leitfähigen, Schicht überwachsen sein.
  • Dies ist vorteilhaft, um die auf die der verspannten Schicht folgende weitere Schicht mit Strom zu versorgen. Bei GaN basierten Bauelementen ist dies besonders relevant bei einer sehr dicken verspannten Schicht, insbesondere dicker als 1 µm, und/oder bei einer verspannten Schicht mit einem hohen Aluminiumgehalt, insbesondere von mehr als 30% Atomprozent. Eine so ausgebildete verspannte Schicht weist nur mehr eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Das seitliche Überwachsen der verspannten Schicht mit einer n-leitfähigen Schicht ist dann zwingend notwendig.
  • Anspruch 17 betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper
    • - mit einem Substrat,
    • - mit einer verspannten Schicht, die in einem ersten Epitaxieschritt auf dem Substrat aufgebracht ist,
    wobei die verspannte Schicht mindestens eine vertikal in der verspannten Schicht gebildete Ausnehmung aufweist und wobei auf die verspannte Schicht in einem zweiten Epitaxieschritt eine weitere Schicht aufgebracht ist, die die mindestens eine Ausnehmung auffüllt und die verspannte Schicht zumindest bereichsweise bedeckt, wobei
    • - die mindestens eine Ausnehmung eine Ausnehmung eines ersten Typs und eine Ausnehmung eines zweiten Typs umfasst,
    • - die Ausnehmung eines ersten Typs eine Breite von 5 µm bis 100 µm aufweist, und
    • - die Ausnehmung eines zweiten Typs eine Breite von 0,1 µm bis 5 µm aufweist, wobei die Breite der Ausnehmung des zweiten Typs kleiner ist als die Breite der Ausnehmung des ersten Typs.
  • Verschiedene Ausführungsformen weisen ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers auf. Zunächst wird ein Substrat bereitgestellt. Auf das Substrat wird epitaktisch eine verspannte Schicht aufgewachsen. Die verspannte Schicht wird strukturiert, um mindestens eine vertikale Ausnehmung in der verspannten Schicht zu erzeugen. Im Anschluss an die Strukturierung wird eine weitere Schicht epitaktisch aufgewachsen. Diese weitere Schicht füllt die mindestens eine Ausnehmung auf und bedeckt die verspannte Schicht zumindest bereichsweise, sodass die Gitterkonstante der verspannten Schicht kleiner ist als die Gitterkonstante des Substrats und zugleich die Gitterkonstante der weiteren Schicht größer ist als die Gitterkonstante des Substrats.
  • Aus dem optoelektronischen Halbleiterkörper können z.B. durch Lasersägen optoelektronische Bauelemente vereinzelt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Aufwachsen der verspannten Schicht aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1) auf ein GaN aufweisendes Substrat eine Zwischenschicht, insbesondere aus InxGa1-xN (0≤x≤0,5), epitaktisch aufgebracht. Die InGaN-Zwischenschicht kann kompressiv verspannt und/oder elektrisch leitfähig sein. Die kompressive Verspannung ist vorteilhaft, da dadurch die tensile Verspannung in der verspannten AlGaN-Mantelschicht zumindest teilweise kompensiert wird.
  • Figurenliste
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
    • 1a zeigt in Schnittansicht einen bekannten optoelektronischen Halbleiterkörper mit einer Verbiegung;
    • 1b zeigt in Draufsicht den bekannten optoelektronischen Halbleiterkörper aus 1a;
    • 1c zeigt in Draufsicht Risse in der Epitaxieschicht des bekannten optoelektronischen Halbleiterkörpers aus 1b;
    • 2a zeigt in 3-dimensionaler Ansicht einen Ausschnitt eines bekannten optoelektronischen Halbleiterkörpers;
    • 2b zeigt schematisch die Fehlanpassung der Gitterstruktur zwischen Substrat und verspannter Schicht;
    • 2c zeigt in 3-dimensionaler Ansicht einen Ausschnitt eines optoelektronischen Halbleiterkörpers nach der Strukturierung;
    • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterkörpers;
    • 3a, 3a.1, 3a.2, 3a.3, 3b, 3c und 3d zeigen Ausschnitte in Schnittansicht von Zwischenprodukten des Herstellungsverfahrens eines optoelektronischen Halbleiterkörpers;
    • 4a, 4b, 4c und 4d zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers;
    • 5a, 5b und 5c zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers mit einer Zwischenschicht;
    • 6a, 6b und 6c zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers mit einer Bufferschicht;
    • 7a, 7b und 7c zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers mit einer Bufferschicht und einer Zwischenschicht;
    • 8a, 8b und 8c zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers mit einem Quasisubstrat und einem Seedlayer;
    • 9 zeigt in Draufsicht einen Halbleiterkörper nach der Strukturierung der verspannten Schicht;
    • 10a und 10b zeigen in Schnittansicht Ausschnitte eines Halbleiterkörpers nach dem Aufbringen weiterer Schichten;
    • 11 zeigt ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere einen indexgeführten GaN-Laser-Kantenemitter;
    • 12 zeigt ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere einen gewinngeführten GaN-Laser-Kantenemitter;
    • 13a zeigt ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere einen indexgeführten GaN-Laser-Kantenemitter mit einer überwachsenen AlGaN-Mantelschicht;
    • 13b zeigt ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere einen indexgeführten GaN-Laser-Kantenemitter mit einer überwachsenen AlGaN-Mantelschicht;
    • 14a zeigt in Draufsicht einen Halbleiterkörper nach der Strukturierung der verspannten Schicht;
    • 14b zeigt in Schnittansicht den Halbleiterkörper aus 14a;
    • 15 zeigt in Schnittansicht einen Ausschnitt des Halbleiterkörpers aus 14b mit einer weiteren Schicht;
    • 16 zeigt ein optoelektronisches Bauelement in Schnittansicht, insbesondere einen VCSEL-GaN-Laser.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1a zeigt in Schnittansicht einen bekannten optoelektronischen Halbleiterkörper 100 mit einer Verbiegung. Auf dem Substrat 102 ist eine verspannte Schicht 104 aufgewachsen. Die Verspannung zwischen dem Substrat 102 und der verspannten Schicht 104 ist die Ursache der Verbiegung. Der Halbleiterkörper 100 ist auf einem Träger 400 in einer nicht gezeigten Epitaxieanlage angeordnet. Aufgrund der Durchbiegung des Halbleiterkörpers 100 liegt der Halbleiterkörper 100 nicht vollständig auf dem Träger 400 auf. Somit entsteht ein inhomogenes Temperaturprofil über die Erstreckung des Halbleiterkörpers 100 parallel zum Träger 400. Der Halbleiterkörper 100 weist in der Mitte eine Temperatur T0 auf, die höher als eine Temperatur T1 am Rand ist.
  • 1b zeigt in Draufsicht einen bekannten optoelektronischen Halbleiterkörper 100. Der Halbleiterkörper weist eine Scheibenform auf. Der Halbleiterkörper ist fertig prozessiert, d.h. sämtliche Epitaxieschichten sind auf das Substrat 102 aufgewachsen. Die Gesamtheit der Epitaxieschichten wird mit dem Bezugszeichen 500 versehen. Das inhomogene Temperaturprofil beim Aufwachsen der Epitaxieschichten 500 kann zu ungleichmäßig dicken Schichten und somit zu Inhomogenitäten in der Wellenlänge λ der Licht emittierenden optoelektronischen Bauelemente, die aus dem Halbleiterkörper vereinzelt wurden, führen. Beispielsweise kann eine Wellenlänge λ0 eines optoelektronischen Bauelements, das vom Zentrum des optoelektronischen Halbleiterkörpers 100 stammt, kleiner sein als eine Wellenlänge λ1 eines optoelektronischen Bauelements, das vom Rand des optoelektronischen Halbleiterkörpers 100 stammt.
  • 1c zeigt in Draufsicht einen bekannten optoelektronischen Halbleiterkörper 100. Der Halbleiterkörper ist fertig prozessiert, d.h. sämtliche Epitaxieschichten sind aufgewachsen. Die Gesamtheit der Epitaxieschichten ist mit dem Bezugszeichen 500 versehen. Auf Grund der großen Verspannung können Risse 502 in den Epitaxieschichten 500 entstehen. Die Risse 502 verlaufen vorzugsweise parallel zur kristallographischen Achse der Epitaxieschichten 500. Die Risse 502 können den optoelektronischen Halbleiterkörper 100 unbrauchbar machen.
  • 2a zeigt einen bekannten Halbleiterkörper 100. Als Substrat 102 ist ein GaN-Substrat 132 dargestellt. Die verspannte Schicht 104 ist in Form einer Mantelschicht 134 aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1) aufgewachsen. Die Mantelschicht 134 hat einen kleineren Atomabstand als das Substrat 132. Deshalb wird die Mantelschicht 134 beim Aufwachsen tensil verspannt. Dies führt zu einer Ausweichbewegung der Mantelschicht 134 im Bezug zum Substrat 132. Diese Ausweichbewegung ist in der 2a durch zwei Pfeile angedeutet. Diese Ausgleichsbewegung kann zu Rissen in der Mantelschicht 134 oder in Epitaxieschichten, die auf die Mantelschicht 134 folgen, führen.
  • 2b zeigt schematisch die Fehlanpassung der Gitterstruktur zwischen GaN-Substrat 132 und verspannter Mantelschicht 134. Das GaN-Substrat 132 weist in Richtung parallel zur Grenzfläche von GaN-Substrat 132 und Mantelschicht 134 einen größeren Atomabstand auf als in der Mantelschicht 134. Dadurch kommt es insbesondere an der Grenzfläche von GaN-Substrat 132 und Mantelschicht 134 zu Verspannungen. Die Mantelschicht 134 wird tensil verspannt.
  • 2c zeigt in 3-dimensionaler Ansicht einen Ausschnitt eines optoelektronischen Halbleiterkörpers 100 nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der optoelektronische Halbleiterkörper 100 ist strukturiert. Bei der Strukturierung werden Ausnehmungen eines ersten Typs 106 in der Mantelschicht 134 erzeugt. An den Ausnehmungen 106 kann sich die Mantelschicht 134 ausdehnen, die Verspannung und damit die Gefahr einer Rissbildung nehmen ab. Bei dem optoelektronischen Halbleiterkörper 100 nach dem vorgeschlagenen Prinzip sind die Verbiegung des Halbleiterkörpers 100 und die Rissbildung in den Epitaxieschichten reduziert.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen optoelektronischen Halbleiterkörper 100. Der Herstellungsprozess lässt sich in die Schritte S1 bis S6 aufgliedern. Die Schritte S2.1 und S2.2 und der Schritt S6 sind optional.
  • Im Schritt S1 wird ein Substrat 102 bereitgestellt. 3a zeigt in Schnittansicht das Ergebnis von Schritt S1. Das Substrat 102 kann als GaN-Substrat 132 ausgebildet sein.
  • Im Schritt S2.1 wird eine Bufferschicht 112 aus InGaN auf das GaN-Substrat 132 aufgewachsen. Im Schritt S2.2 wird eine Zwischenschicht 114, die kompressiv verspannt und/oder elektrisch leitfähig ist, aufgewachsen. Die Zwischenschicht 114 kann die Zusammensetzung InxGa1-xN (0≤x≤0,5) aufweisen. Die Zwischenschicht 114 kann unmittelbar auf das GaN-Substrat 132 oder unmittelbar auf die Bufferschicht 112 aufgewachsen werden. Das Ergebnis des optionalen Schrittes S2.1 ist dargestellt in 3a.1. Die Bufferschicht 112 ist unmittelbar auf das GaN-Substrat 132 aufgewachsen. Das Ergebnis des optionalen Schrittes S2.2 ist dargestellt in den 3a.2 und 3a.3. In 3a.2 ist die Zwischenschicht 114 auf die Bufferschicht 112 aufgewachsen. In 3a.3 fehlt die Bufferschicht 112 und die Zwischenschicht 114 ist unmittelbar auf das GaN-Substrat 132 aufgewachsen.
  • In Schritt S3 wird durch Epitaxie eine verspannte Schicht 104 aufgewachsen. Die verspannte Schicht 104 kann in direktem Anschluss an Schritt 1 auf das Substrat 102 aufgewachsen werden. 3b zeigt in Schnittansicht das Ergebnis von Schritt S3. Die verspannte Schicht 104 kann eine Mantelschicht 134 aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0<y≤1) sein. Der Indiumgehalt x kann zwischen 0% und 10% Atomprozent variieren. Der Aluminiumgehalt y kann zwischen 0,1% und 100% Atomprozent variieren. Vorzugsweise liegt der Aluminiumgehalt y zwischen 4% und 30% Atomprozent. Die AlGaN-Mantelschicht 134 weist eine Dicke zwischen 1 µm und 3 µm auf. Alternativ kann die verspannte Mantelschicht 134 unmittelbar auf die Bufferschicht 112 im Anschluss an Schritt S2.1 aufgewachsen werden. Alternativ kann die verspannte Mantelschicht 134 unmittelbar auf die Zwischenschicht 114 im Anschluss an Schritt S2.2 aufgewachsen werden. Die Ergebnisse des Aufwachsens der verspannten Mantelschicht 134 auf die Bufferschicht 112 oder auf die Zwischenschicht 114 sind nicht in den Figuren dargestellt.
  • In Schritt S4 wird die die Mantelschicht 134 strukturiert. Dabei werden vertikale Ausnehmungen 106 in der Mantelschicht 134 erzeugt. Die Ausnehmungen 106 können durch einen Ätzprozess erzeugt werden. 3c zeigt in Schnittansicht das Ergebnis von Schritt S4.
  • Im Schritt S5 wird eine weitere Schicht 108 aufgewachsen. Die weitere Schicht 108 füllt die Ausnehmungen 106 auf und bedeckt die Mantelschicht 134 vollständig. Die weitere Schicht 108 kann eine n-Wellenleiterschicht 136 sein, die GaN aufweist. 3d zeigt in Schnittansicht das Ergebnis von Schritt S5. Die weitere Schicht 108 bildet eine ebene Oberfläche auf die weitere Schichten epitaktisch aufgewachsen werden können. Dieses weitere Aufwachsen epitaktischer Schichten ist bekannt und wird vorliegend nicht weiter ausgeführt.
  • Im optionalen Schritt S6 werden aus dem optoelektronischen Halbleiterkörper 100 optoelektronische Bauelemente 101 vereinzelt. Das Vereinzeln kann durch Lasersägen erfolgen. Die Ergebnisse des Schrittes S6 sind beispielsweise gezeigt in 11, 12, 13a, 13b und 16.
  • 4a bis 4d zeigen Ausschnitte von strukturierten optoelektronischen Halbleiterkörpern 100. Die verspannte Mantelschicht 134 ist unmittelbar auf das GaN-Substrat 132 aufgewachsen. In 4a ist in der Ausnehmung 106 die Mantelschicht 134 nur gedünnt. In 4b durchschneidet die Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134 vollständig. In 4c ist in der Ausnehmung 106 zusätzlich noch das GaN-Substrat 132 gedünnt. Die Ausnehmungen eines ersten Typs 106 können eine Breite von 5 µm bis 100 µm aufweisen. Die Varianten der Ausnehmung aus den 4a, 4b und 4c können beim Erzeugen der Ausnehmung 106 auftreten, da ein exaktes Einstellen der Ätztiefe schwierig ist. In den Ausführungsbeispielen 9, 10a und 10b wird zur Vereinfachung die Ausnehmung 106 nur gemäß der Variante in 4b dargestellt. In 4d sind sowohl die Ausnehmung eines ersten Typs 106, als auch die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 gezeigt. Die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 weist eine Breite von 0,1 µm bis 5 µm auf. Die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 dient zur Reduktion von Spannung und zugleich zur Strominjektion in Schichten, die der verspannten Mantelschicht 134 nachgeordnet sind. Diese nachgeordneten Schichten sind in 4d nicht gezeigt.
  • 5a zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100 mit einer Zwischenschicht 114. Die Zwischenschicht 114 weist InGaN auf und ist kompressiv verspannt. Die InGaN-Zwischenschicht 114 ist auf das GaN-Substrat 132 aufgewachsen. Da die AlGaN-Mantelschicht 134 tensil verspannt ist, kann durch Einführung einer InGaN-Zwischenschicht 114 die Verspannung des Gesamtsystems reduziert werden. Die Zwischenschicht 114 muss im Ausführungsbeispiel von 5a elektrisch leitend sein, da die nachfolgenden Schichten über die Zwischenschicht 114 bestromt werden. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch Dotierung mit Silizium, Sauerstoff oder Germanium beeinflusst. Im Falle von Silizium als Dotierstoff kann das Silizium in einer Konzentration von bis zu 5 × 1018 Atome pro cm3 vorliegen. Dies ist elektrisch leitend, aber nicht elektrisch hoch leitend. Die Ausnehmung 106 durchschneidet die verspannte Mantelschicht 134 vollständig.
  • 5b zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100 bei dem die Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134 und die Zwischenschicht 114 vollständig durchschneidet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel in 5b dem Ausführungsbeispiel in 5a.
  • 5c zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100 bei dem die Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134 und die Zwischenschicht 114 vollständig durchschneidet. Zudem wird an der Stelle der Ausnehmung 106 das GaN-Substrat 132 gedünnt. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel in 5c dem Ausführungsbeispiel in 5a.
  • 6a zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. 6a zeigt im Unterschied zu 4a bis 4d eine Bufferschicht 112 zwischen dem GaN-Substrat 132 und der AlGaN-Mantelschicht 134. Die Bufferschicht 112 aus InGaN dient als Anwachsschicht für die AlGaN-Mantelschicht 134. Die Indiumkonzentration in der Bufferschicht 112 kann 0 sein. Die Bufferschicht 112 dient dazu, eine glatte Oberfläche mit wenigen Versetzungen zur Verfügung zu stellen. 6a weist eine Ausnehmung 106 auf, die die verspannte Mantelschicht 134 vollständig durchschneidet. Die Bufferschicht 112 ist nicht gedünnt.
  • 6b zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 6a ist an der Ausnehmung 106 sowohl die verspannte Mantelschicht 134, als auch die Bufferschicht 112 vollständig durchschnitten.
  • 6c zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 6b ist an der Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134 und die Bufferschicht 112 vollständig durchschnitten und zudem das GaN-Substrat 132 gedünnt.
  • 7a zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. 7a zeigt im Unterschied zu 5a zusätzlich eine Bufferschicht 112, vorzugsweise aus InGaN. Die Bufferschicht 112 ist zwischen dem GaN-Substrat 132 und der InGaN-Zwischenschicht 114 angeordnet. Die Ausnehmung 106 durchschneidet die verspannte Mantelschicht 134 vollständig. Die Zwischenschicht 114, die Bufferschicht 112 und das GaN-Substrat 132 sind an der Ausnehmung 106 nicht gedünnt. Um nachfolgende Schichten mit Strom zu versorgen, muss die InGaN-Zwischenschicht 114 elektrisch leitend sein. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch Dotieren der InGaN-Zwischenschicht 114 mit Silizium in einer Konzentration von weniger als 5 × 1018 pro cm3 erreicht.
  • 7b zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 7a ist in 7b an der Ausnehmung 106 sowohl die verspannte Mantelschicht 104 als auch die Zwischenschicht 114 vollständig durchschnitten.
  • 7c zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 7b ist in 7c an der Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134, die Zwischenschicht 114 und die Bufferschicht 112 vollständig durchschnitten.
  • 8a zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. 8a zeigt als Substrat 102 ein sogenanntes Quasisubstrat 202, auf dem ein sogenannter Seedlayer 204 aufgewachsen ist. Das Quasisubstrat 202 kann Silizium oder Saphir aufweisen, deren Gitterkonstanten stark von der von GaN abweichen. Der Seedlayer 204 kann GaN aufweisen und dient als Anwachsschicht für die Mantelschicht 134 aus AlGaN. Die Ausnehmung 106 durchschneidet die Mantelschicht 134 vollständig.
  • 8b zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 8a durchschneidet die Ausnehmung 106 sowohl die verspannte Mantelschicht 134 als auch den Seedlayer 204 vollständig.
  • 8c zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Im Gegensatz zu 8a durchschneidet die Ausnehmung 106 die verspannte Mantelschicht 134 und den Seedlayer 304 vollständig und dünnt zudem das Quasisubstrat 202 am Ort der Ausnehmung 106.
  • 9 zeigt in Draufsicht einen Halbleiterkörper 100 nach der Strukturierung der verspannten Schicht 104. Die Ausnehmungen 106 und die dazwischen liegende verspannte Schicht 104 weisen jeweils Streifenform auf. Ein derart strukturierter Halbleiterkörper 100 als Basis für ein weiteres Wachsen von Epitaxieschichten, ist geeignet, um optoelektronische Bauelemente mit einer asymmetrischen Bauform zu erzeugen. Asymmetrische Bauform bedeutet, dass die Erstreckung des Bauelements in senkrecht zueinander stehenden Richtungen, also Länge zu Breite, deutlich verschieden ist. So können beispielsweise aus dem fertig prozessierten Halbleiterkörper 100 durch Vereinzeln GaN-Laser-Kantenmitter erzeugt werden.
  • 10a zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. Auf das Substrat 102 ist eine verspannte Schicht 104 mit Ausnehmungen eines ersten Typs 106 aufgewachsen. Eine weitere Schicht 108, vorzugsweise n-leitend, füllt die Ausnehmungen 106 auf und bedeckt die verspannte Schicht 104. Auf die n-leitende weitere Schicht 108 folgt in Wachstumsrichtung eine aktive Zone 118 und eine p-leitende Schicht 120.
  • 10b zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100. In 10b ist im Unterschied zu 10a zusätzlich zu den Ausnehmungen eines ersten Typs 106 eine Ausnehmung eines zweiten Typs 110 dargestellt. Die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 dient nach dem Vereinzeln des Halbleiterkörpers 110 zu optoelektronischen Bauelementen 101 zur besseren Injektion von Strom in Schichten, die auf die verspannte Schicht 104 folgen.
  • In den folgenden 11, 12, 13a und 13b sind Ausführungsbeispiele für optoelektronische Bauelemente 101 gezeigt. Die optoelektronischen Bauelemente 101 werden erzeugt durch Vereinzeln aus einem optoelektronischen Halbleiterkörper 100. Die optoelektronischen Bauelemente 101 sind Kanten emittierende Laserdioden, die auf einem GaN-Materialsystem beruhen. Die optoelektronischen Bauelemente 101 werden so vereinzelt, dass keine Ausnehmung eines ersten Typs 106 in der verspannten Schicht 104 des optoelektronischen Bauelements 101 verbleibt.
  • 11 zeigt einen indexgeführten GaN-Laser Kantenemitter. Die Indexführung wird durch eine seitliche Ätzung erreicht. Die Breite des gesamten Kantenemitters kann bei etwa 100 µm liegen, die Länge des Kantenemitters und damit die Resonatorlänge, kann bei etwa 600 µm liegen. In Wachstumsrichtung der Epitaxieschichtenfolge folgt auf die n-Kontaktmetallisierung 130 das GaN-Substrat 132, die n-Mantelschicht 134 als verspannte Schicht 104, der n-Wellenleiter 136 als weitere Schicht 108, die aktive Zone 118, der p-Wellenleiter 138, die p-Mantelschicht 140 und die p-Kontaktschicht 142. Auf diese Epitaxieschichten ist eine Passivierung und eine p-Kontaktmetallisierung aufgebracht. Die Größe der Laserfacette 147 wird durch die Breite des Lasersteges 149(engl.:RWG ridge wave guide) bestimmt. Der Indexsprung findet statt beim Übergang vom Halbleitermaterial zu Luft und beim Übergang von den Wellenleitern 136, 138 zu den Mantelschichten 134, 140. Vorteilhaft ist eine n-Mantelschichten 134 mit einer Dicke von mehr als 1 µm und mit einem möglichst geringen Brechungsindex. Der geringe Brechungsindex kann durch einen hohen Aluminiumgehalt erzeugt werden. Optoelektronische Bauelemente 101 mit einer dicken n-Mantelschicht 134 und einem hohen Aluminiumgehalt in der n-Mantelschicht 134 können nur dann mit einer hinreichenden Qualität hergestellt werden, wenn beim Epitaxieprozess Ausnehmungen 106 in der n-Mantelschicht 134 vorgesehen sind. Dieser Kanten emittierende Halbleiterlaser kann abhängig von der Materialzusammensetzung elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 200 nm und etwa 600 nm, also zwischen dem ultravioletten Spektralbereich und dem gelben Spektralbereich, vorzugsweise im blauen Spektralbereich, emittieren.
  • 12 zeigt einen rein gewinngeführten GaN-Laser Kantenemitter. Die Größe der Laserfacette 147 wird bestimmt durch die Breite der Öffnung 148 der Passivierung 144 über der p-Kontaktschicht 142.
  • 13a zeigt einen indexgeführten GaN-Laser-Kantenemitter mit einer vollständig überwachsenen n-Mantelschicht 134. Auf das GaN-Substrat 132 folgt die n-Mantelschicht 134 aus AlGaN. Die Zusammensetzung der n-Mantelschicht 134 ist InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1) . Auf die n-Mantelschicht 134 ist ein n-Wellenleiter 136 aufgewachsen. Die Zusammensetzung des n-Wellenleiters 136 ist InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤0,3). Der n-Wellenleiter 136 bedeckt zudem seitlich die AlGaN-Mantelschicht 134. Auf dem n-Wellenleiter 136 ist seitlich ein Kontaktpad 150 angeordnet, das über einen Bonddraht 152 bestromt wird. Das Kontaktpad 150 stellt den n-Kontakt dar. Das seitliche Überwachsen der AlGaN-Mantelschicht 134 durch den InAlGaN-Wellenleiter 136 führt zu einer deutlichen Verbesserung der elektrischen Injektion in Schichten die der AlGaN-Mantelschicht 134 nachgeordnet sind. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer AlGaN-Mantelschicht 134 mit einer Dicke von mehr als 1 µm und einem Aluminiumgehalt von mehr als 30 % Atomprozent. Eine derart ausgebildete AlGaN-Mantelschicht 134 weist eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Auf die n-Wellenleiterschicht 136 folgt eine aktive Zone 118, ein p-Wellenleiter 138, eine p-Mantelschicht 140 und eine p-Kontaktschicht 142. Zudem ist eine Passivierung 144 vorgesehen. Die p-Kontaktmetallisierung 146 liefert den p-Kontakt. Der Lasersteg 149 wird durch seitliches Ätzen der Epitaxieschichten p-Wellenleiter 138, p-Mantelschicht 140 und p-Kontaktschicht 142 erzeugt. In anderen Worten: Werden die n-leitenden Schichten, wie die n-Wellenleiterschicht 136 durch Umgehen der AlGaN-Mantelschicht 134 bestromt, können Substrate mit geringer elektrischen Leitfähigkeit wie Saphir und Silizium und AlGaN-Mantelschichten 134 mit einem Aluminiumgehalt von mehr als 30% Atomprozent verwendet werden.
  • 13b zeigt einen indexgeführten GaN-Laser-Kantenemitter mit einer vollständig überwachsenen n-Mantelschicht 134. Eine Zwischenschicht 114 ist auf dem GaN-Substrat 132 aufgebracht. Der Einfluss der Zwischenschicht 114 auf die optischen Eigenschaften des GaN-Laser-Kantenemitter ist vernachlässigbar. Die Zwischenschicht ist elektrisch leitend. Die elektrisch leitende Zwischenschicht 114 dient vorrangig der Stromaufweitung. Die elektrisch leitende Zwischenschicht 114 weist hoch n-dotiertes InxGa1-xN mit 0≤x≤0,2. Als Dotiermaterial kommt Silizium, Sauerstoff oder Germanium zum Einsatz. Im Falle von Silizium als Dotiermaterial ist die Konzentration des Siliziums größer als 5 × 1018 Atome pro cm3. Die elektrisch leitende Schicht 114 kann kompressiv verspannt sein. Die AlGaN-Mantelschicht 134 weist eine Ausnehmung eines zweiten Typs 110 auf. Die Anordnung der elektrisch leitenden Zwischenschicht 114 in Verbindung mit der Ausnehmung eines zweiten Typs 110 ist notwendig, wenn die AlGaN-Mantelschicht 134 wegen ihres hohen Aluminiumgehalts eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Durch die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 ist eine Strominjektion direkt unter dem Lasersteg 149 möglich. Die Ausnehmung eines zweiten Typs 110 ist mit maximal 5 µm Breite so schmal, dass die im Laserresonator unter dem Lasersteg 149 oszillierende Lichtwelle nicht gestört wird. Ansonsten entspricht das in 13b dargestellte optoelektronische Bauelement 101 dem in 13a dargestellten optoelektronischen Bauelement 101.
  • 14a zeigt in Draufsicht einen Halbleiterkörper nach der Strukturierung der verspannten Schicht 104. Die verspannte Schicht 104 ist vorliegend ein n-Typ GaN-Braggspiegel 160 ausgebildet. Der n-Typ Braggspiegel 160 ist durch die Ausnehmungen 106 gänzlich unterbrochen.
  • 14b zeigt in Schnittansicht den Halbleiterkörper 100 aus 14a. Auf das GaN-Substrat 132 sind die n-Typ Braggspiegel 160 aufgewachsen. Die n-Typ Braggspiegel 160 weisen alternierende Schichten aus InxGa1-xN (0≤x≤0,2) und AlyGa1-yN (0≤y≤1) auf.
  • 15 zeigt in Schnittansicht einen Ausschnitt des Halbleiterkörpers aus 14b mit der n-Anschlussschicht 168 als der weiteren Schicht 108. Die n-Anschlussschicht 168 füllt die Ausnehmung 106 auf und stellt eine ebene Oberfläche für das nachfolgende Wachstum weiterer Epitaxieschichten zur Verfügung. Die elektrisch leitfähige n-Anschlussschicht 168 ist n-leitend. Die n-Anschlussschicht 168 weist AlyInxGa1-x-yN auf, mit 0≤x≤0,15 und 0≤y≤0,2. Für die elektrische Leitfähigkeit wird die n-Anschlussschicht 168 mit Silizium, Sauerstoff oder Germanium dotiert. Im Falle von Silizium als Dotierstoff ist die Konzentration kleiner als 5 × 1018 Atome pro cm3. Die Konzentration des Dotierstoffs soll so gering wie möglich sein, um die Absorption von elektromagnetischer Strahlung und die Dichte an Defekten so gering wie möglich zu halten. Andererseits muss die Konzentration des Dotierstoffes hoch genug sein, um eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit in der n-Anschlussschicht 168 zu gewährleisten.
  • 16 zeigt als optoelektronisches Bauelement 101 einen VCSEL-GaN-Laser. Dieser vertikal emittierende Laser kann aus einem Halbleiterkörper 100 gemäß 14a und 14b mit zusätzlich aufgewachsenen Epitaxieschichten vereinzelt werden. Der Halbleiterkörper 100 wurde dabei so weiterverarbeitet, dass im n-seitigen Braggspiegel 160 des VCSEL-GaN-Lasers seitliche Ausnehmungen 106 vorhanden ist. Beim VCSEL-GaN-Laser folgt auf die n-Kontaktmetallisierung 130 das GaN-Substrat 132, der n-seitige Braggspiegel 160, die n-Anschlussschicht 168, die aktive Zone 118, der p-seitige Braggspiegel 162 und der p-Kontakt 164. Der n-seitige Braggspiegel 160 weist alternierende Schichten aus InxGa1-xN (0≤x≤0,2) und AlyGa1-yN (0≤y≤1) auf. Der p-seitige Braggspiegel 162 kann epitaktisch gewachsen sein und alternierende Schichten aus InxGa1-xN (0≤x≤0,2) und AlyGa1-yN (0≤y≤1) aufweisen. Alternativ kann der p-seitige Braggspiegel 162 dielektrische Oxidschichten aufweisen. Als Materialien können Titandioxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Tantaloxid zum Einsatz kommen. Die p-Anschlussschicht 166 weist AlyInxGa1-x-yN mit 0≤x≤0,15 und mit 0≤y≤0,2 auf. In obigem Wertebereich für x und y ist die p-Anschlussschicht 166 elektrisch leitend und stabil. Die p-Anschlussschicht 166 weist eine Dotierung mit Magnesiumatomen auf. Die Konzentration der Magnesiumatome beträgt weniger als 1020 Atome pro cm3. Die zwischen dem n-seitigen Braggspiegel 160 und der aktiven Zone 118 angeordnete n-Anschlussschicht 168 und die p-Anschlussschicht 166 dienen zur Bestromung der aktiven Zone.
  • Der VCSEL-GaN-Laser kann abhängig von der Materialzusammensetzung elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 200 nm und etwa 600 nm, also zwischen dem ultravioletten Spektralbereich und dem gelben Spektralbereich, vorzugsweise im blauen Spektralbereich, emittieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Optoelektronischer Halbleiterkörper
    101
    Optoelektronisches Bauelement
    102
    Substrat
    104
    verspannte Schicht
    106
    Ausnehmung eines ersten Typs
    108
    weitere Schicht
    110
    Ausnehmung eines zweiten Typs
    112
    Bufferschicht
    114
    Zwischenschicht
    118
    aktive Zone
    120
    p-leitende Schicht
    130
    n-Kontaktmetallisierung
    132
    GaN-Substrat
    134
    n-Mantelschicht
    136
    n-Wellenleiter
    138
    p-Wellenleiter
    140
    p-Mantelschicht
    142
    p-Kontaktschicht
    144
    Passivierung
    146
    p-Kontaktmetallisierung
    147
    Laserfacette
    148
    Öffnung in der Passivierung
    149
    Lasersteg
    150
    Kontaktpad auf n-Wellenleiter 136
    152
    Bonddraht
    160
    n-seitiger Braggspiegel
    162
    p-seitiger Braggspiegel
    164
    p-Kontakt
    166
    p-Anschlussschicht
    168
    n-Anschlussschicht
    202
    Quasisubstrat
    204
    Seedlayer
    400
    Träger
    500
    fertig prozessierter Halbleiterkörper
    502
    Risse in der Epitaxieschichtenfolge

Claims (19)

  1. Optoelektronischer Halbleiterkörper (100) - mit einem Substrat (102, 132, 202), - mit einer verspannten Schicht (104, 134, 160), die in einem ersten Epitaxieschritt auf dem Substrat (102, 132, 202) aufgebracht ist, wobei die verspannte Schicht (104, 134, 160) mindestens eine vertikal in der verspannten Schicht gebildete Ausnehmung (106, 110) aufweist und wobei auf die verspannte Schicht (104, 134, 160) in einem zweiten Epitaxieschritt eine weitere Schicht (108, 136, 168) aufgebracht ist, die die mindestens eine Ausnehmung (106, 110) auffüllt und die verspannte Schicht (104, 134, 160) zumindest bereichsweise bedeckt, wobei die Gitterkonstante der verspannten Schicht (104, 134, 160) kleiner ist als die Gitterkonstante des Substrats und zugleich die Gitterkonstante der weiteren Schicht (108, 136, 168) größer ist als die Gitterkonstante des Substrats.
  2. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 1, wobei die Abweichung der Gitterkonstante der weiteren Schicht (108, 136, 168) von der Gitterkonstante des Substrats (102, 132, 202) geringer ist als die Abweichung der Gitterkonstante der verspannten Schicht (104, 134, 160) von der Gitterkonstante des Substrats (102, 132, 202).
  3. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die verspannte Schicht (104, 134, 160) in der Ausnehmung (106) gedünnt ist.
  4. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die verspannte Schicht (104, 134, 160) in der Ausnehmung (106) gänzlich unterbrochen ist.
  5. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die weitere Schicht (108, 136, 168) die verspannte Schicht (104, 134, 160) vollständig bedeckt.
  6. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Dicke der verspannten Schicht (104, 134, 160) zwischen 0,5 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 3 µm, beträgt.
  7. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ausnehmung eines ersten Typs (106) eine Breite von 5 µm bis 100 µm aufweist.
  8. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Ausnehmung eines zweiten Typs (110) eine Breite von 0,1 µm bis 5 µm aufweist.
  9. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Substrat (132) GaN aufweist und die verspannte Schicht eine Mantelschicht (134) aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1) ist.
  10. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 9, wobei zwischen der InAlGaN- Mantelschicht (134) und dem GaN aufweisenden Substrat (132), eine Zwischenschicht (114), insbesondere aus InxGa1-xN (0≤x≤0,5), aufgebracht ist.
  11. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht (114) elektrisch leitend und/oder kompressiv verspannt ist.
  12. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat (132) GaN aufweist und die verspannte Schicht ein Braggspiegel (160) aus alternierenden Schichten von InxGa1-xN (0≤x≤0,2) und AlyGa1-yN (0≤y≤1) ist.
  13. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die im zweiten Epitaxieschritt aufgewachsene weitere Schicht (108, 136, 168) eine erste Leitfähigkeit, insbesondere eine n-Leitfähigkeit, aufweist.
  14. Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 13, wobei auf die im zweiten Epitaxieschritt aufgewachsene weitere Schicht (108, 136, 168) in Wachstumsrichtung nacheinander folgende Schichten folgen: - eine aktive Zone (118), - eine Schicht mit einer zweiten Leitfähigkeit (120, 138, 162), insbesondere mit einer p-Leitfähigkeit.
  15. Optoelektronisches Bauelement (101), das aus einem optoelektronischen Halbleiterkörper (100) gemäß Anspruch 14 vereinzelt wurde.
  16. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei die verspannte Schicht (134, 160) seitlich von einer leitfähigen, insbesondere n-leitfähigen, Schicht (136, 168) überwachsen ist.
  17. Optoelektronischer Halbleiterkörper (100) - mit einem Substrat (102, 132, 202), - mit einer verspannten Schicht (104, 134, 160), die in einem ersten Epitaxieschritt auf dem Substrat (102, 132, 202) aufgebracht ist, wobei die verspannte Schicht (104, 134, 160) mindestens eine vertikal in der verspannten Schicht gebildete Ausnehmung (106, 110) aufweist und wobei auf die verspannte Schicht (104, 134, 160) in einem zweiten Epitaxieschritt eine weitere Schicht (108, 136, 168) aufgebracht ist, die die mindestens eine Ausnehmung (106, 110) auffüllt und die verspannte Schicht (104, 134, 160) zumindest bereichsweise bedeckt, wobei - die mindestens eine Ausnehmung (106, 110) eine Ausnehmung eines ersten Typs (106) und eine Ausnehmung eines zweiten Typs (110) umfasst, - die Ausnehmung eines ersten Typs (106) eine Breite von 5 µm bis 100 µm aufweist, und - die Ausnehmung eines zweiten Typs (110) eine Breite von 0,1 µm bis 5 µm aufweist, wobei die Breite der Ausnehmung des zweiten Typs (110) kleiner ist als die Breite der Ausnehmung des ersten Typs (106).
  18. Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterkörpers (100) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Substrats (102, 132, 202); - Epitaktisches Aufbringen einer verspannten Schicht (104, 134, 160) auf das Substrat (102, 132, 202); - Strukturieren der verspannten Schicht (104, 134, 160) zur Erzeugung mindestens einer vertikalen Ausnehmung (106, 110) in der verspannten Schicht (104, 134, 160); - Epitaktisches Aufbringen einer weiteren Schicht (108, 136, 168), die die mindestens eine Ausnehmung (106, 110) auffüllt und die verspannte Schicht (104, 134, 160) zumindest bereichsweise bedeckt, sodass die Gitterkonstante der verspannten Schicht (104, 134, 160) kleiner ist als die Gitterkonstante des Substrats und zugleich die Gitterkonstante der weiteren Schicht (108, 136, 168) größer ist als die Gitterkonstante des Substrats.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei vor dem Aufbringen der verspannten Schicht, insbesondere einer Mantelschicht (134) aus InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤0,1 und 0≤y≤1), auf ein GaN aufweisendes Substrat (132) eine Zwischenschicht (114), insbesondere aus InxGa1-xN (0≤x≤0,5), epitaktisch aufgebracht wird.
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