DE102015108875A1

DE102015108875A1 - Bauelement mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht

Info

Publication number: DE102015108875A1
Application number: DE102015108875.4A
Authority: DE
Inventors: Armin Dadgar; Axel Hoffmann; Christian Nenstiel; Andre Strittmatter
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-05
Also published as: DE102015108875B4; DE112016002458A5; WO2016192704A1; US20180130927A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht, gekennzeichnet durch eine Schicht im System AlGaInN und eine Dotierung mit einem flachen Donator oberhalb einer Konzentration von 5 × 1019 cm–3.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement oder Bauelementmodul mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht.
Transparente leitfähige Schichten sind für eine Vielzahl von Anwendungen in der Mikroelektronik unersetzlich. So wird in großem Maßstab Indium-Zinn-Oxid (ITO) in der Displayherstellung eingesetzt. Aber auch in Solarzellen können sie als stromleitende Deckschicht verwendet werden. Hauptproblem des derzeit eingesetzten ITO ist die limitierte Verfügbarkeit von Indium, weswegen Recycling dieses Materials aus gebrauchten Produkten erforderlich ist, um den Jahresbedarf an diesem Rohstoff sicherzustellen. Ein weiteres Material das alternativ zur Verfügung steht ist ZnO, welches, mit einem Gruppe-III-Element dotiert, sehr hohe Elektronenkonzentrationen bis zu 10²¹ Ladungsträger pro cm^–3 und dadurch hohe elektrische Leitfähigkeiten ermöglicht. ZnO ist jedoch chemisch recht instabil und lässt sich leicht ätzen. Weiterhin verändert es seine stofflichen Eigenschaften unter atmosphärischem Einfluss.
Die Gruppe-III-Nitride werden heutzutage hauptsächlich für LED Anwendungen im blau-grün-weißen Farbraum eingesetzt. Auch für diese Anwendung wird bisher ITO als leitfähiges, transparentes Material eingesetzt, um eine optimale Stromverteilung über dem p-dotierten Bereich der pn-Diodenstruktur zu erreichen. Die p-dotierte Schicht der pn-Struktur weist in Nitrid-Halbleitern generell eine geringe Leifähigkeit auf, die einen Stromtransport über mehrere Mikrometer stark beeinträchtigt. Bisher wird dieses Problem umgangen durch ganzflächige Kontaktierung mit einem im sichtbaren Spektralbereich hochreflektierenden, leitfähigen Metall (in der Regel Silber oder Aluminium) oder durch eine transparent, leitfähige Oxidschicht, in der Regel ITO.
Beide Lösungen sind nachteilig, da im ersten Fall die Wahlmöglichkeit des Kontaktmetalls eingeschränkt wird, wodurch erhöhte Kontaktwiderstände am Übergang Metall/Halbleiter auftreten. Im zweiten Fall kann das ITO nur in einem zweiten Prozessschritt als amorphes oder polykristallines Material abgeschieden werden, wodurch einerseits Kosten entstehen und andererseits nur sub-optimale elektrische und optische Eigenschaften des ITO erreicht werden.
Es gilt nun eine verbesserte Kontaktierungsschicht zu realisieren, die kostengünstiger und chemisch stabiler als bislang verwendete Schichten ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Bauelement nach Anspruch 1 und einem Bauelementemodul nach Anspruch 6 sowie den Ausführungsformen der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird ein Bauelement mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht, gekennzeichnet durch eine Schicht im System AlGaInN und eine Dotierung mit einem flachen Donator oberhalb einer Konzentration von 5 × 10¹⁹ cm^–3.
Unter einem Bauelement wird in der vorliegenden Erfindung folgendes verstanden:

– ein Licht emittierendes Bauelement oder
– ein lichtabsorbierendes Bauelement oder
– ein lichttransmittierendes Bauelement,

Die Dotierung des Bauelements sollte dabei mit einem geeigneten Gruppe-IV oder Gruppe-VI Element erfolgen wie eine Dotierung mit Germanium, Zinn, Blei, Schwefel und/oder Tellur.
Dabei ist zur Erhöhung der Leitfähigkeit ausdrücklich auch die gleichzeitige Dotierung mit mehreren Dotanden möglich, um die jeweiligen Löslichkeitsgrenzen zu umgehen. Dabei ist die Dotierung von 5 × 10¹⁹ cm^–3 als untere Grenze zu sehen, ideal ist eine Dotierung oberhalb von 1 × 10²⁰ cm^–3. Damit lässt sich eine dem ITO ähnliche Schicht in Bezug auf Leitfähigkeit und Transparenz erzielen.
Diese Schicht benötigt zur Kontaktierung in der Regel nur einfache und nicht zwingend flächige, sondern meist nur kleine Metallkontakte, die für einen geringen Kontaktwiderstand zudem nicht legiert sein müssen. Je nach Dotierhöhe kann die Schicht auch ohne Kontaktmetall direkt mit einem geeigneten Bonddraht oder einem anderen leitfähigem Material kontaktiert werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktierung des Bauelements durch eine transparente leitfähige Nitridschicht dabei an mindestens einen elektrischen Anschluss eines Bauelements oder eines Bauelements eines Bauelementmoduls erfolgt.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Schicht chemisch und thermisch sehr stabil und ermöglicht damit auch Anwendungen bei denen die Oberfläche ungeschützt ist und z. B. aggressiven Medien ausgesetzt wird oder, je nach Material, bei Temperaturen von bis zu 700 °C im System Al_xGa_1-xN mit 0 ≤ x ≤ 1 bzw. bei In-haltigen Systemen etwas darunter, aber noch deutlich über 200 °C ausgesetzt ist. Auch ist diese Schicht, bei Verwendung des Systems GaInN biokompatibel, was sie als Kontaktschicht zu Zellen in der biomedizinischen Forschung und für daraus entstehende Anwendungen interessant macht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht ein Bauelement vor, welches gekennzeichnet ist, durch einen Tunnelkontakt zwischen der transparenten leitfähigen Nitridschicht und einer p-leitenden Bauelementschicht.
Bei LEDs ermöglicht sie die Herstellung eines Tunnelkontakts zwischen der transparenten leitfähigen Nitridschicht und einer p-leitenden Bauelementschicht, der somit den Einsatz von ITO oder anderen aufwendigen Kontaktierungsmethoden überflüssig macht und für eine gute Stromverteilung sorgt. Entscheidend für einen niederohmigen Tunnelkontakt ist hierbei eine möglichst hohe Dotierung der p- und der n-leitenden Seite, also der p-Schicht des Bauelements, das kontaktiert werden soll.
Im Fall der Gruppe-III-Nitride mit einer Löcherkonzentration von mindestens 3 × 10¹⁷ cm^–3, besser 5 × 10¹⁷ cm^–3 und idealerweise von 9 × 10¹⁷ cm^–3 oder darüber. Die Dotierung der erfindungsgemäßen Schicht beträgt dabei mindestens 5 × 10¹⁹ cm^–3 und ideal über 1 × 10²⁰ cm^–3.
Das Bauelement kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf eine Gruppe-III-Nitrid Schicht aufgebracht sein.
Da die transparent leitfähigen Nitridschichten prozesskompatibel mit den epitaktischen Verfahren zur Herstellung von LED Strukturen sind, entfallen beim Aufbringen auf eine Gruppe-III-Nitrid Schicht wie bei GaN basierten LEDs zusätzliche Prozessschritte wie z. B: Sputtern von ITO oder ZnO. Zudem ist durch die gute thermische und geringe bis fehlende Gitterfehlanpassung diese Schicht besonders langzeitstabil, da keine oder nur geringe zusätzlichen Spannungen in das Bauelement eingebracht werden.
Zur Abscheidung der transparent leitfähigen Gruppe-III-Nitridschicht kommen grundsätzlich alle geeigneten Abscheideverfahren wie z. B., Plasmaverfahren und Verdampfungsverfahren in Betracht. Epitaktische Methoden sind vorzugsweise zu verwenden, da hierdurch eine defektarme Materialqualität erreicht wird, die vorteilhaft für eine hohe Leitfähigkeit ist.
Mit dem bislang gebräuchlichen Dotanden Silizium ist solch eine hohe elektrisch aktive Dotierung nur mit wenigen Verfahren wie der MBE möglich, insbesondere bildet sich im gebräuchlichsten Verfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie eine raue Oberfläche aus. Mit den erfindungsgemäßen Dotanden wird dort häufig sogar eine leichte Glättung der Oberfläche ermöglicht, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist.
Zudem wird ein Bauelementemodul vorgeschlagen, welches zumindest eines der zuvor genannten Bauelemente aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren dargestellt.
Es zeigen:
1: schematisch eine LED Struktur im Querschnitt,
2: schematisch ein LED-Struktur mit elektrischen Anschlüssen im Querschnitt
In 1 und 2 ist schematisch jeweils eine LED Struktur dargestellt. Eine einfache LED Struktur besteht wie in 1 bzw. 2 gezeigt aus einem Substrat 100, 200, einer optionalen Ankeim- und Pufferschicht 101, 201, einer n-leitenden Schicht 102, 202, die idealerweise hoch leitfähig ist, einer weiteren n-leitenden Schicht, einer oder mehrere lichtemittierender Schichten 104, 204, hier schematisch drei eingezeichnet. Darauf folgt optional eine nicht gezeigte Elektroneninjektionsbarriere, bei Gruppe-III-Nitriden aus AlGaN die mit Mg dotiert ist und typischerweise eine Al-Konzentration zwischen 5–30 % und eine Dicke zwischen 5–25 nm aufweist.
Die p-leitende Schicht 105, 205 wird gefolgt von der erfindungsgemäßen Schicht 106, 206 was zu einem Tunnelübergang 107, 207 an der Grenzfläche der Schichten 105–106 bzw. 205–206 führen kann. Das Bauelement wird dann über Metallisierungen 208 und 210 meist mit Drähten 209, 211 in einen Stromkreis eingebracht. Bei einem Gruppe-III-Nitridbauelement können die Metallisierungen 208 und 210 identisch sein. Bei anderen Materialien ist dies nicht zwingend der Fall.
Der Aufbau der Schichten bzw. des p-n-Übergangs kann auch umgekehrt sein, auch kann die bevorzugte Lichtemission statt nach oben nach unten durch ein Substrat erfolgen. In letzterem Fall spielt die Transparenz der oberen Schicht nur insofern eine Rolle, dass man eine hochreflektierende Schicht dahinter setzen kann und trotzdem eine hervorragende Stromverteilung und Kontaktierung erzielt.
Prinzipiell kann die Schicht 106, 206 auf jeder p-leitenden Schicht einer LED aufgebracht werden, also auch LEDs aus anderen Materialen als einem Gruppe-III-Nitrid, aber auch auf n-leitenden Schichten und generell bei allen Bauelementtypen die kontaktiert werden müssen, auch Solarzellen und Sensoren.
Vorteilhaft ist dies generell bei Schichten die eine optisch transparente hoch leitfähige Deckschicht erfordern. Bei Verwendung von GaN als transparentes leitfähiges Nitrid ist eine optische Transparenz im sichtbaren bis weit über den infraroten Bereich gegeben. Durch Zugabe von Al bis in den UV-Bereich, wobei hier die Leitfähigkeit mit zunehmendem Al-Gehalt in der Regel geringer wird und ein Tunnelkontakt schwerer realisierbar ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel insbesondere für Bauelementmodule sind Displays. Hier müssen elektrische Kontaktierungen aufgebracht werden, die im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent sein müssen. Dazu kann eine entsprechende Schicht aus z. B. GaN und einem erfindungsgemäßen Dotanden in erfindungsgemäßer Dotierhöhe mittels epitaktischer Methoden oder Zerstäubungsverfahren aufgebracht werden. Entweder war vor dem Aufbringen eine Strukturierung mit z. B. einem anschließenden Lift off vorgesehen oder die Schicht wird anschießend strukturiert und naß- oder trockenchemisch in einzelne Leitungen separiert. Ideal ist die Kombination auf einem monolithisch auf einem Substrat wie z. B. Saphir aufgewachsenen LED Display.
Auf der gewachsenen Struktur wird entweder am Ende des Wachstumsprozesses oder, insbesondere bei mehrfarbiger Auslegung, in einem zweiten Schritt die erfindungsgemäße Schicht aufgebracht und strukturiert. Dadurch lassen sich prinzipiell Vollfarb-LED Displays auf Gruppe-III-Nitrid Basis herstellen die durch das gitterangepasste Wachstum der erfindungsgemäßen Schicht und deren hohe Widerstandskraft gegenüber Umwelteinflüssen große Vorteile in Bezug auf die Lebensdauer aufweisen.
Die genannten Beispiele können beliebig kombiniert werden und beziehen sich auf alle Herstellungsverfahren mit denen sich dotierte Gruppe-III-Nitridschichten herstellen lassen und auf alle Bauelementtypen die transparente leitfähige Schichten benötigen bzw. die für deren Eigenschaften vorteilhaft eingesetzt werden können.

Claims

Bauelement mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht, gekennzeichnet durch eine Schicht im System AlGaInN und eine Dotierung mit einem flachen Donator oberhalb einer Konzentration von 5 × 10¹⁹ cm^–3.
Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Dotierung mit Germanium, Zinn, Blei, Schwefel und/oder Tellur.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Kontaktierung mindestens eines elektrischen Anschlusses eines Bauelements oder eines Bauelements eines Bauelementmoduls durch eine transparente leitfähige Nitridschicht.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Aufbringen auf eine Gruppe-III-Nitrid Schicht.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Tunnelkontakt zwischen der transparenten leitfähigen Nitridschicht und einer p-leitenden Bauelementschicht.
Bauelementemodul, umfassend zumindest ein Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.