DE102014208456A1 - Light-emitting diode and method for producing a light-emitting diode - Google Patents

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Patrick Sonstroem
Richard Fix
Markus Weyers
Michael Kneissl
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich, mit einer auf einem Substrat (10) ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), Ätzen der Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) und Entfernen der Maske strukturiert ist, einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche auf die strukturierte erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) aufgewachsen ist, und n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode.The invention relates to a light emitting diode for the UVC spectral region, with a formed on a substrate (10) first aluminum (gallium) nitride layer (11), which using epitaxial lateral overgrowth by applying a mask on the aluminum (gallium) nitride layer (11), etching the aluminum (gallium) nitride layer (11) and removing the mask is patterned, a second aluminum (gallium) nitride layer (14), which on the structured first aluminum (gallium) nitride layer (11 ), and n-ohmic contacts on the second aluminum (gallium) nitride layer (14), which are formed of vanadium / aluminum or titanium / aluminum. The invention further relates to a corresponding method for producing a light-emitting diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode und ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode.The invention relates to a light emitting diode and a method for producing a light emitting diode.

Stand der TechnikState of the art

Für die optische Spektroskopie bieten LED-basierte Lichtquellen großes Potenzial. Für eine Umsetzung von Sensorsystemen ist es vorteilhaft, Lichtquellen mit hoher optischer Leistung und auf die zu detektierenden Spezies angepasster Emissionscharakteristik zur Verfügung zu haben. Hierdurch können die Sensoreigenschaften, wie z.B. Sensitivität, Auflösungsvermögen, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und/oder Leistungsaufnahme verbessert sowie der Aufwand für die Signalverarbeitung verringert werden.For optical spectroscopy, LED-based light sources offer great potential. For an implementation of sensor systems, it is advantageous to have light sources with high optical power and adapted to the species to be detected emission characteristics. This allows the sensor properties, such as Sensitivity, resolving power, signal-to-noise ratio and / or power consumption are improved, and signal processing complexity is reduced.

Basierend auf Halbleitermaterialien mit geeigneter Dotierung können LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen, im Wesentlichen den infraroten und sichtbaren Bereich, aber auch den UV-Bereich bis ca. 250 nm abdeckend, realisiert werden. Im Hinblick auf die jeweilige Emissionswellenlänge, Absorptionseigenschaften und Transparenz spielt die Bandlücke dieser Materialien eine entscheidende Rolle. Grundsätzliche Prozesse zur Erzeugung von pn-Halbleiterdioden gelten als bekannt. Verfahren zum Aufwachsen der Halbleitermaterialien auf geeignete Substrate gelten ebenfalls als bekannt.Based on semiconductor materials with suitable doping, LEDs with different wavelengths, essentially the infrared and visible range, but also covering the UV range up to approximately 250 nm, can be realized. With regard to the respective emission wavelength, absorption properties and transparency, the band gap of these materials plays a decisive role. Basic processes for the production of pn-semiconductor diodes are known. Methods for growing the semiconductor materials on suitable substrates are also known.

Die DE 2009 034 359 A1 offenbart einen p-dotierten Kontakt für die Verwendung in einer Leuchtdiode für den ultravioletten Spektralbereich, umfassend eine p-Kontaktschicht mit einer ersten Oberfläche zur Kontaktierung einer Strahlungszone und einer zweiten Oberfläche, die auf der der ersten Oberfläche abgewandten Seite eine Beschichtung aufweist, die einen Anteil der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht direkt kontaktiert und die ein Material enthält oder daraus besteht, welches für Licht im UV-Bereich mit einer Wellenlänge von 200 nm bis 400 nm eine maximale Reflektivität von zumindest 60 % und eine Mehrzahl von p-Injektoren aufweist, die direkt auf der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht angeordnet sind.The DE 2009 034 359 A1 discloses a p-doped contact for use in an ultraviolet spectral light emitting diode, comprising a p-contact layer having a first surface for contacting a radiation zone and a second surface having on the side facing away from the first surface a coating comprising a portion directly contacting the second surface of the p-contact layer and containing or consisting of a material which has a maximum reflectivity of at least 60% and a plurality of p-injectors for light in the UV range having a wavelength of 200 nm to 400 nm, which are arranged directly on the second surface of the p-contact layer.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden. 1 shows a schematic representation of a known method, deposited on a flat substrate, such as alumina, directly aluminum (gallium) nitride.

Auf einem Substrat 1, welches aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird eine Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 2 abgeschieden. Die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht weist beispielsweise eine Dicke von 500 nm auf. On a substrate 1 formed of alumina, becomes an aluminum (gallium) nitride layer 2 deposited. The aluminum (gallium) nitride layer has, for example, a thickness of 500 nm.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich mit einer auf einem Substrat ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske aus Siliziumnitrid auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, Ätzen der Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und Entfernen der Maske strukturiert ist, einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche auf die strukturierte erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht aufgewachsen ist und n-Ohmkontakten bzw. n-ohmschen Kontakten auf einer Aluminiumgalliumnitrid-Schicht, welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.The present invention provides a light emitting diode for the UVC spectral region having a first aluminum (gallium) nitride layer formed on a substrate formed by using epitaxial lateral overgrowth by applying a mask of silicon nitride to the aluminum (gallium) nitride layer, etching the aluminum (Gallium) nitride layer and removing the mask is structured, a second aluminum (gallium) nitride layer, which is grown on the structured first aluminum (gallium) nitride layer and n-ohmic contacts or n-ohmic contacts on a Aluminiumgalliumnitrid Layer, which are formed of vanadium / aluminum or titanium / aluminum.

Gemäß eines weiteren Aspektes schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung, mit den folgenden Schritten: 1.) Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat, 2.) Auftragen einer Maske auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 3.) Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht zum Ausbilden einer strukturierten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 4.) Entfernen der Maske, 5.) Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und 6.) Ausbilden von n-Ohmkontakten bzw. n-ohmschen Kontakten auf einer Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.In another aspect, the present invention provides a method of fabricating a light emitting diode for the UVC spectral region using epitaxial lateral overgrowth, comprising the steps of: 1.) growing a first aluminum (gallium) nitride layer on a substrate, 2.) applying 3.) etching the first aluminum (gallium) nitride layer to form a patterned aluminum (gallium) nitride layer, 4.) removing the mask, 5.) overgrowing the first aluminum (gallium) nitride layer structured first aluminum (gallium) nitride layer with a second aluminum (gallium) nitride layer and 6.) forming n-ohmic contacts or n-ohmic contacts on an aluminum (gallium) nitride layer, which consists of vanadium / aluminum or Titanium / aluminum are formed.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steigerung der Lichtemission von Leuchtdioden für den ultravioletten Spektralbereich, insbesondere dem UV-C Bereich zu erreichen.The aim of the present invention is to achieve an increase in the light emission of light-emitting diodes for the ultraviolet spectral range, in particular the UV-C range.

Eine nicht strahlende Rekombination von Elektron-Loch-Paaren wird durch eine Strukturierung und der damit verbundenen Stressreduktion innerhalb der Schichten realisiert. Angepasste Kontakte reduzieren den über den ohmschen Kontakt entstehenden Spannungsabfall und erhöhen hierdurch die Lichtausbeute bei gleicher Spannung. Die Kombination der vorstehend genannten Merkmale führt zu einer Erhöhung der Gesamteffizienz der Leuchtdiode.A non-radiative recombination of electron-hole pairs is realized by a structuring and the associated stress reduction within the layers. Customized contacts reduce the voltage drop across the ohmic contact and thereby increase the light output at the same voltage. The combination of the above features leads to an increase in the overall efficiency of the light emitting diode.

Insbesondere soll eine Kombination von AlGaN-basierten Materialien mit geeignetem Al-Gehalt für eine Lichtemission im UV-C Bereich mit einer Substratstrukturierung zur Minimierung von Wachstumsdefekten bei der Herstellung sowie die Verwendung angepasster Materialien und Prozesse für n-Kontakte, d. h. für n-seitige Kontakte, zu AlGaN-Schichten mit hohem Al-Gehalt vorgesehen werden. Somit kann eine erhöhte Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht werden, da durch die Substratstrukturierung die interne Quanteneffizienz wesentlich erhöht wird und durch die angepassten Kontakte der Übergangswiderstand Metall-Halbleiter minimiert und somit bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme eine hohe Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht wird.In particular, a combination of AlGaN-based materials with suitable Al content for a light emission in the UV-C range with a substrate structuring to minimize growth defects in the production as well as the use of adapted materials and processes for n-contacts, ie for n-side contacts , be provided to AlGaN layers with a high Al content. Consequently an increased light efficiency of the light-emitting diode can be achieved because the internal quantum efficiency is substantially increased by the substrate structuring and the contact resistance of the matched metal contacts minimizes metal semiconductors and thus a high light efficiency of the light emitting diode is achieved with low electrical power consumption.

Somit wird eine Steigerung der Lichtemission der Leuchtdiode bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme erreicht. Dies ist notwendig, um beispielsweise in Sensorikanwendungen im relevanten Wellenlängenbereich, insbesondere 200 nm bis 250 nm, ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Für das Wachstum auf dem Substrat wird die Strukturierung des Substrats vorgesehen, um eine möglichst stressfreie, defektarme und damit effiziente Leuchtdiode auszubilden.Thus, an increase in the light emission of the light emitting diode is achieved with low power consumption. This is necessary in order to achieve a high signal-to-noise ratio, for example, in sensor applications in the relevant wavelength range, in particular 200 nm to 250 nm. For the growth on the substrate, the structuring of the substrate is provided in order to form a stress-free, low-defect and therefore efficient light-emitting diode.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, welche bei einer Einlegierung ausgebildete Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen aufweisen. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche.According to one embodiment of the invention, it is provided that the n-ohm contacts are multilayer alloy contacts which have titanium or vanadium compounds and nitrogen defects formed in an alloy. This leads to a high electron concentration at the interface.

Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid oder Vanadiumnitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid oder Vanadiumgalliumnitrit-Komponenten ausgebildet ist, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN oder VN-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.According to the exemplary embodiment of the invention, it is contemplated that a contact system of a binary component titanium nitride or vanadium nitride is formed along with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride or vanadium gallium nitrite components, resulting in a workfunction lower than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride is. Thus, there is an ideal ohmic contact. Moreover, TiN or VN formation increases tunneling probability due to high interfacial doping by donor-like nitrogen vacancies.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht ausgebildet ist, welche mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugbar ist. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.Furthermore, it is provided that a tetragonal titanium aluminum layer is formed, which can be produced by depositing an aluminum layer on a titanium layer or vice versa and subsequent heat treatment. As a result, outgassing of gallium and indiffusion of overlying metallization can be avoided at high alloy temperatures. The tetragonal titanium aluminum represents a temperature-stable diffusion barrier. In addition, it is believed that aluminum partially diffuses through the resulting titanium nitride layer according to the embodiment and thus lowers the contact resistance, for example by formation of aluminum (gallium) nitride.

Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet ist. Dadurch können sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren.It is further provided that a diffusion barrier of nickel, molybdenum, titanium, tungsten silicide or platinum is formed. As a result, both the titanium and the aluminum and their compounds can be protected from oxidation and are stable to contact.

Darüber hinaus ist eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet ist. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %.In addition, a contact layer is provided, which is formed of gold. Thus, both the titanium and the aluminum and their compounds are stably contacted. The diffusion barrier further prevents in addition to a diffusion of oxygen back diffusion of the gold in the contact interface. For molybdenum speaks the high melting point of 2623 ° C, which is almost 1200 ° C above that of nickel. In addition, the solubility of gold in molybdenum at an RTA (Rapid Thermal Annealing) temperature of 850 ° C is less than 1%.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, wobei bei einer Einlegierung Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen ausgebildet werden. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche.According to one embodiment of the invention it is provided that the n-ohmic contacts are multi-layered alloy contacts, titanium or vanadium compounds and nitrogen imperfections being formed during alloying. This leads to a high electron concentration at the interface.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der Aluminium(Gallium)nitridschicht eine Titanschicht ausgebildet wird, wobei bei einem RTA-Schritt ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten ausgebildet wird, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.According to a further embodiment it is provided that on the aluminum (gallium) nitride layer, a titanium layer is formed, wherein in a RTA step, a contact system of a binary component titanium nitride is formed together with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride components, whereby a work function results which is less than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride. Thus, there is an ideal ohmic contact. In addition, TiN formation increases tunneling probability due to high interfacial doping by donor-like nitrogen vacancies.

Überdies ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugt wird. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.Moreover, it is envisaged that a tetragonal titanium aluminum layer is produced by depositing an aluminum layer on a titanium layer or vice versa and subsequent tempering. As a result, outgassing of gallium and indiffusion of overlying metallization can be avoided at high alloy temperatures. The tetragonal titanium aluminum represents a temperature-stable diffusion barrier. In addition, it is believed that aluminum partially diffuses through the resulting titanium nitride layer according to the embodiment and thus lowers the contact resistance, for example by formation of aluminum (gallium) nitride.

Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet wird. Dadurch können sowohl das Titan- als auch das Aluminium-Verbindungen sowie deren vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren. It is further provided that a diffusion barrier of nickel, molybdenum, titanium, tungsten silicide or platinum is formed. This can both the titanium as well as the aluminum compounds as well as their oxidation are protected and are stable to contact.

Darüber hinaus wird eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet wird. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %.In addition, a contact layer is provided, which is formed of gold. Thus, both the titanium and the aluminum and their compounds are stably contacted. The diffusion barrier further prevents in addition to a diffusion of oxygen back diffusion of the gold in the contact interface. For molybdenum speaks the high melting point of 2623 ° C, which is almost 1200 ° C above that of nickel. In addition, the solubility of gold in molybdenum at an RTA (Rapid Thermal Annealing) temperature of 850 ° C is less than 1%.

Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.The described embodiments and developments can be combined with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include unspecified combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention.

Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The illustrated elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden. 1 a schematic representation of a known method, deposited on a flat substrate, such as alumina, directly aluminum (gallium) nitride.

2 eine schematische Darstellung des Abscheidens von Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO-Verfahrens (Epitaxiallateralüberwachsung) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 2 a schematic representation of the deposition of aluminum (gallium) nitride on a prestructured substrate by means of the ELO (epitaxial lateral overgrowth) method according to an embodiment of the invention;

3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und 3 a schematic representation of the structure of an ohmic contact before and after structural changes by an RTA step according to another embodiment of the invention; and

4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 a schematic representation of a method for producing a light-emitting diode according to an embodiment of the invention.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures of the drawing, like reference numerals designate the same or functionally identical elements, components, components or method steps, unless indicated otherwise.

In der vorliegenden Erfindung sind mit Aluminium(Gallium)Nitrid-Schichten Schichten gemeint, die ein definiertes Al:Ga Verhältnis aufweisen: Alx(Ga1-x)N, wobei x eine reele Zahl zwischen 0 und 1 sein kann. Ferner können die Schichten Dotierungen aufweisen, wobei die Dotierstoffkonzentration üblicherweise viel kleiner ist als die Gallium- und Aluminiumkonzentration.In the present invention, by aluminum (gallium) nitride layers is meant layers having a defined Al: Ga ratio: Al x (Ga 1-x ) N, where x may be a real number between 0 and 1. Furthermore, the layers may have dopants, the dopant concentration usually being much smaller than the gallium and aluminum concentration.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante, insbesondere für UVC-LEDs, ist eine im Rahmen der technischen Möglichkeiten möglichst Ga-freie Aluminiumnitrid-Schicht, d.h. Alx(Ga1-x)N mit x > 0,99.A particularly advantageous embodiment variant, in particular for UVC LEDs, is an as far as possible Ga-free aluminum nitride layer within the framework of the technical possibilities, ie Al x (Ga 1-x ) N with x> 0.99.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich mit einer Wellenlänge < 250 nm.The present invention relates in particular to a light-emitting diode for the UVC spectral range with a wavelength <250 nm.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Abscheiden von Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO-Verfahrens (Epitoxial-Lateral-Over-growth) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.The 2 shows a schematic representation of a method for depositing aluminum (gallium) nitride on a prestructured substrate by means of the ELO method (epitoxial lateral over-growth) according to an embodiment of the invention.

Auf einem Substrat 10, welches beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird in einem ersten Schritt eine Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 11 gewachsen. Auf diese wird anschließend eine Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, aufgetragen. Beim folgenden Ätzprozess wird das Material an den nicht von der Maske bedeckten Stellen entfernt. Nach Entfernung der Maske kann die strukturierte Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 11 mit einer weiteren Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 überwachsen werden. Die zu Beginn des Überwachsens durch Hohlräume 12 oberhalb von Ätzgräben unterbrochene Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 wächst mit zunehmender Schichtdicke zusammen. Durch eine auf diesem Wege erreichte Koaleszenz kann eine Defektdichte, welche durch ein gitterfehlangepasstes Wachstum von Aluminium(Gallium)nitrid auf beispielsweise einem Saphir-Wafer hervorgerufen wird, auf einen Bruchteil reduziert werden.On a substrate 10 , which is formed for example of aluminum oxide, in a first step, an aluminum (gallium) nitride layer 11 grown. On this, a mask, for example made of silicon nitride, is then applied. During the following etching process, the material is removed at the locations not covered by the mask. After removal of the mask, the structured aluminum (gallium) nitride layer 11 with another aluminum (gallium) nitride layer 14 overgrown. The at the beginning of overgrowth by cavities 12 above aluminum trenches broken aluminum (gallium) nitride layer 14 grows together with increasing layer thickness. By a coalescence achieved in this way, a defect density, which is caused by a lattice mismatched growth of aluminum (gallium) nitride on, for example, a sapphire wafer can be reduced to a fraction.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die 3 zeigt linker Hand einen Aufbau eines Ohmkontaktes vor dem RTA-Schritt S7 sowie rechter Hand einen Aufbau des Ohmkontaktes nach dem RTA-Schritt S7.The 3 shows a schematic representation of the structure of an ohmic contact before and after structural changes by an RTA step according to another embodiment of the invention. The 3 shows left hand a construction of a Ohmkontaktes before the RTA step S7 and right hand a structure of the ohmic contact after the RTA step S7.

Ein n-Ohmkontakt wird auf der zweiten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 aus 2 ausgebildet, wobei der n-Ohmkontakt in vorliegendem Ausführungsbeispiel aus Titan/Aluminium ausgebildet ist. Alternativ kann der n-Ohmkontakt auch aus anderen Materialien wie z.B. Vanadium/Aluminium-basiert ausgebildet sein. Auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 ist eine Titan-Schicht 21 ausgebildet. Auf der Titan-Schicht 21 ist eine Aluminium-Schicht 22 ausgebildet. Auf der Aluminium-Schicht 22 ist eine Molybdän-Schicht 23 ausgebildet. Auf der Molybdän-Schicht 23 ist eine Gold-Schicht 24 ausgebildet.An n-ohmic contact is made on the second aluminum gallium nitride layer 14 out 2 formed, wherein the n-ohmic contact is formed in the present embodiment of titanium / aluminum. Alternatively, the n-ohm contact may be formed of other materials such as vanadium / aluminum-based. On the aluminum gallium nitride layer 14 is a titanium layer 21 educated. On the titanium layer 21 is an aluminum layer 22 educated. On the aluminum layer 22 is a molybdenum layer 23 educated. On the molybdenum layer 23 is a gold layer 24 educated.

Der n-Ohmkontakt auf Aluminiumgalliumnitrid ist somit ein mehrlagiger Legierungskontakt, bei dem der RTA-Schritt S7 zu einer deutlichen Eindiffusion eines Kontaktmetalls führt. Infolgedessen kann auf eine Kontaktimplantation zur Erhöhung einer Dotierstoffkonzentration in Source- und Draingebieten verzichtet werden. Die Temperatur, bei der die Einlegierung erfolgt, ist durch die Zersetzungstemperatur von Galliumnitrid begrenzt. Bei dem Materialsystem Galliumnitrid wird aufgrund von EFM-Messungen sowie einem Vergleich von Schottky-Barrierenhöhen das Ferminiveau nicht an die Galliumnitrid-Oberfläche gepinnt. Demzufolge können Metalle mit einer Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Elektronenaffinität von Galliumnitrid (ca. 4,1 eV) einen idealen ohmschen Kontakt mit einer Elektronenanreicherung an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bilden. The n-ohm contact on aluminum gallium nitride is thus a multilayer alloy contact in which the RTA step S7 leads to a significant diffusion of a contact metal. As a result, a contact implantation for increasing a dopant concentration in source and drain regions can be dispensed with. The temperature at which the alloying occurs is limited by the decomposition temperature of gallium nitride. In the gallium nitride material system, the Fermi level is not pinned to the gallium nitride surface due to EFM measurements and comparison of Schottky barrier heights. As a result, metals with a work function less than or equal to the electron affinity of gallium nitride (about 4.1 eV) can form an ideal ohmic contact with an electron accumulation at the metal-semiconductor interface.

Bei der Einlegierung werden Titannitrid-Verbindungen sowie Stickstofffehlstellen ausgebildet, die zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche führen. Aufgrund der möglichen Phasenbildungen entsteht somit bei Titan auf Galliumnitrid ein n-GaN/TiN/Ti2GaN/Ti3GaN Kontaktsystem 25. Die binäre Komponente Titannitrid bildet zusammen mit den ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten in Summe eine Austrittsarbeit, die niedriger liegt als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die Titannitrid-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen. Um bei hohen Legierungstemperaturen die Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen zu vermeiden, wird die Aluminiumschicht 22 abgeschieden. Diese bildet mit der Titan-Schicht 21 nach dem RTA-Schritt S7 tetragonales Titanaluminium 26, welches eine temperaturstabile Diffusionsbarriere darstellt. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die entsprechende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch die Bildung von Aluminiumnitrid.In alloying titanium nitride compounds and nitrogen imperfections are formed, which lead to a high electron concentration at the interface. Due to the possible phase formations, an n-GaN / TiN / Ti 2 GaN / Ti 3 GaN contact system is formed on gallium nitride 25 , The binary component titanium nitride forms together with the ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride components in sum a work function, which is lower than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride. Thus, there is an ideal ohmic contact. In addition, titanium nitride formation increases tunneling probability due to high interfacial doping by donor-like nitrogen vacancies. In order to avoid the diffusion of gallium and a diffusion of overlying metallization at high alloying temperatures, the aluminum layer 22 deposited. This forms with the titanium layer 21 after the RTA step S7 tetragonal titanium aluminum 26 , which represents a temperature-stable diffusion barrier. In addition, it is believed that aluminum partially diffuses through the corresponding titanium nitride layer and thus lowers the contact resistance, for example, through the formation of aluminum nitride.

Sowohl die Titan- als auch die Aluminium-Verbindungen müssen vor Oxidation geschützt werden und stabil zu kontaktieren sein. Üblich ist hierfür die Abscheidung der Kontaktschicht 24 aus Gold zusammen mit der Diffusionsbarriere 23 aus Molybdän. Both the titanium and the aluminum compounds must be protected against oxidation and stable to contact. Usual for this is the deposition of the contact layer 24 made of gold together with the diffusion barrier 23 made of molybdenum.

Alternativ kann die Diffusionsbarriere ebenfalls aus Nickel, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet sein. Die Diffusionsbarriere soll neben der Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche verhindern.Alternatively, the diffusion barrier may also be formed of nickel, titanium, tungsten silicide or platinum. In addition to the diffusion of oxygen, the diffusion barrier should prevent back diffusion of the gold into the contact interface.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 shows a schematic representation of a method for producing a light emitting diode according to an embodiment of the invention.

In Schritt S1 erfolgt ein Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat. In Schritt S2 erfolgt ein Auftragen einer Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S3 erfolgt ein Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht zum Ausbilden einer strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S4 erfolgt ein Entfernen der Maske. In Schritt S5 erfolgt ein Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S6 erfolgt ein Ausbilden von n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche beispielsweise aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind. In Schritt S7 erfolgt ein RTA-Schritt zur schnellen thermischen Ausheilung der Kristallstruktur des Substrats. Der RTA-Schritt dient ebenfalls der Ausbildung der vorstehend beschriebenen Mischphasen.In step S1, a first aluminum (gallium) nitride layer is grown on a substrate. In step S2, a mask, for example of silicon nitride, is applied to the first aluminum (gallium) nitride layer. In step S3, the first aluminum (gallium) nitride layer is etched to form a patterned first aluminum (gallium) nitride layer. In step S4, the mask is removed. In step S5, the structured first aluminum (gallium) nitride layer is overgrown with a second aluminum (gallium) nitride layer. In step S6, forming n-ohmic contacts on the second aluminum (gallium) nitride layer, which are formed for example of vanadium / aluminum or titanium / aluminum. In step S7, an RTA step is performed for rapid thermal annealing of the crystal structure of the substrate. The RTA step also serves to form the above-described mixed phases.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2009034359 A1 [0004] DE 2009034359 A1 [0004]

Claims (12)

Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich, mit einer auf einem Substrat (10) ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11), Ätzen der Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) und Entfernen der Maske strukturiert ist; einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche auf die strukturierte erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) aufgewachsen ist; und n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.Light-emitting diode for the UVC spectral range, with one on a substrate ( 10 ) formed first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 using epitaxial lateral overgrowth by applying a mask to the aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ), Etching the aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ) and removing the mask is structured; a second aluminum (gallium) nitride layer ( 14 ) deposited on the structured first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ) grew up; and n-ohmic contacts on the second aluminum (gallium) nitride layer ( 14 ), which are formed of vanadium / aluminum or titanium / aluminum. Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, welche bei einer Einlegierung ausgebildete Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen aufweisen.Light-emitting diode according to claim 1, characterized in that the n-ohmic contacts are multi-layered alloy contacts, which have formed in an alloy titanium or vanadium compounds and nitrogen vacancies. Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktsystem (25) aus einer binären Komponente Titannitrid oder Vanadiumnitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid oder Vanadiumgalliumnitrit-Komponenten ausgebildet ist, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist.Light-emitting diode according to Claim 1 or 2, characterized in that a contact system ( 25 ) is formed of a binary component titanium nitride or vanadium nitride together with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride or vanadium gallium nitrite components, resulting in a work function that is less than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht (26) ausgebildet ist, welche mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht (22) auf einer Titanschicht (21) oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugbar ist.Light-emitting diode according to one of the preceding claims, characterized in that a tetragonal titanium aluminum layer ( 26 ) is formed, which by means of depositing an aluminum layer ( 22 ) on a titanium layer ( 21 ) or vice versa and subsequent annealing can be generated. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsbarriere (23) aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet ist.Light-emitting diode according to one of the preceding claims, characterized in that a diffusion barrier ( 23 ) is formed of nickel, molybdenum, titanium, tungsten silicide or platinum. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktschicht (24) aus Gold ausgebildet ist. Light-emitting diode according to one of the preceding claims, characterized in that a contact layer ( 24 ) is formed of gold. Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung, mit den Schritten: Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat (10); Auftragen einer Maske auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11); Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) zum Ausbilden einer strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11); Entfernen der Maske; Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (11) mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14); und Ausbilden von n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht (14), welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.A process for producing a light emitting diode for the UVC spectral region using epitaxial lateral overgrowth, comprising the steps of: growing a first aluminum (gallium) nitride layer on a substrate ( 10 ); Applying a mask to the first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ); Etching the first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ) for forming a structured first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ); Removing the mask; Overgrowing the structured first aluminum (gallium) nitride layer ( 11 ) with a second aluminum (gallium) nitride layer ( 14 ); and forming n-ohmic contacts on the second aluminum (gallium) nitride layer ( 14 ), which are formed of vanadium / aluminum or titanium / aluminum. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, wobei bei einer Einlegierung Titan- oder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen ausgebildet werden.A method according to claim 7, characterized in that the n-ohmic contacts are multi-layered alloy contacts, wherein in an alloy titanium or vanadium compounds and nitrogen imperfections are formed. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Aluminium(Gallium)nitridschicht eine Titanschicht ausgebildet wird, wobei bei einem RTA-Schritt ein Kontaktsystem (25) aus einer binären Komponente Titannitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten ausgebildet wird, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist.A method according to claim 7 or 8, characterized in that on the aluminum (gallium) nitride layer, a titanium layer is formed, wherein in a RTA step, a contact system ( 25 ) is formed of a binary component titanium nitride together with ternary, gallium-enriched titanium gallium nitride components, resulting in a work function that is less than the electron affinity of aluminum (gallium) nitride. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht (26) mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht (22) auf einer Titanschicht (21) oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugt wird.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that a tetragonal titanium aluminum layer ( 26 ) by depositing an aluminum layer ( 22 ) on a titanium layer ( 21 ) or vice versa and subsequent annealing is generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsbarriere (23) aus Nickel, Molybdän, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet wird.Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that a diffusion barrier ( 23 ) is formed of nickel, molybdenum, titanium, tungsten silicide or platinum. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktschicht (24) aus Gold ausgebildet wird.Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that a contact layer ( 24 ) is formed of gold.
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