DE102015112879A1

DE102015112879A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102015112879A1
Application number: DE102015112879.9A
Authority: DE
Inventors: Julian Ikonomov; Martin Lemberger; Björn Muermann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09
Also published as: WO2017021455A1; US20180219132A1; US10374131B2

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das Bauelement umfasst – eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren, – zumindest eine Stromaufweitungsschicht an einer Strahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge, wobei die Stromaufweitungsschicht über eine Haftschicht mit einer Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden ist. Die Haftschicht umfasst ein Titanoxid, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe WO mit WO = –2 und das Titan die Oxidationsstufe WT mit 0 < WT < +4 aufweist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements.
In optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise lichtemittierenden Dioden (LED), werden häufig transparente Stromaufweitungsschichten, beispielsweise aus ITO, eingesetzt, auf der metallische Kontaktstrukturen aufgebracht sind oder die auf metallischen Kontaktstrukturen aufgebracht ist. Durch die Stromaufweitungsschicht kann der benötigte Strom in die Halbleiterschichtenfolge eingeprägt werden. Um die metallischen Kontaktstrukturen und die Stromaufweitungsschicht miteinander zu fixieren, wird eine Haftschicht benötigt, die elektrisch leitfähig ist. Bislang wird häufig eine metallische Schicht als Haftschicht eingesetzt. Allerdings wird die Strahlung, die auf eine solche metallische Haftschicht trifft, teilweise absorbiert, sodass diese Strahlung nicht nach außen abgestrahlt wird und deshalb die gesamte Effizienz des optoelektronischen Bauelements herabgesetzt wird.
Es ist bekannt metallische Kontaktstrukturen mit einer Haftschicht aus Titan auf der Stromaufweitungsschicht zu fixieren. Dabei wird die Titanhaftschicht so dünn wie möglich abgeschieden, um zum einen eine ausreichende Adhäsion der metallischen Kontaktstrukturen zur Stromaufweitungsschicht zu gewährleisten und zum anderen die Absorption von Strahlung durch die Haftschicht in Verbindung mit den metallischen Kontaktstrukturen gering zu halten. Allerdings zeigen auch Strukturen mit Haftschichten aus Titan einer Schichtdicke von 2 nm eine Herabsenkung der Reflektivität um circa 5 % auf im Vergleich zu metallischen Kontaktstrukturen ohne eine Haftschicht aus Titan.
Eine Aufgabe ist es, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das sich durch verringerte Absorptionsverluste bei gleichzeitig guter Haftung der Kontaktstrukturen auf der Stromaufweitungsschicht auszeichnet. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungen sowie Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Unter "Halbleiterschichtenfolge" ist in diesem Zusammenhang eine mehr als eine Schicht umfassende Schichtenfolge zu verstehen, beispielsweise eine Folge einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht, wobei die Schichten übereinander angeordnet sind und wobei zumindest eine aktive Schicht enthalten ist, die elektromagnetische Strahlung emittiert.
Die Schichtenfolge kann als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit einer Epitaxieschichtenfolge, also als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein. Dabei kann die Schichtenfolge beispielsweise auf der Basis von InGaAlN ausgeführt sein. InGaAlN-basierte Halbleiterchips und Halbleiterschichtenfolgen sind insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, die mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlN aufweisen, können beispielsweise elektromagnetische Strahlung in einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweisen kann, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Halbleiterschichtenfolgen oder Halbleiterchips, die zumindest eine aktive Schicht auf Basis von InGaAlP aufweisen, können beispielsweise bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einen grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge oder der Halbleiterchip auch andere III-V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen. Insbesondere kann eine aktive Schicht, die ein AlGaAs-basiertes Material aufweist, geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich zu emittieren.
Die Halbleiterschichtenfolge kann neben der aktiven Schicht weitere funktionale Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus.
Die Halbleiterschichtenfolge kann weiterhin ein Substrat aufweisen, auf dem die oben genannten III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterialsystem abgeschieden sind. Das Substrat kann dabei ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein oben genanntes Verbindungshalbleitermaterialsystem umfassen. Insbesondere kann das Substrat Saphir, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si und/oder Ge umfassen oder aus einem solchen Material sein. Insbesondere kann das Substrat dabei transparent für die von der aktiven Schicht emittierte elektromagnetische Strahlung sein. Bevorzugt ist das Substrat aus Saphir, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen ist.
Unter "transparent" wird vorliegend verstanden, dass ein Material eine Schicht oder ein Element für das gesamte sichtbare elektromagnetische Spektrum oder eines Teilspektrums davon zumindest teilweise durchlässig ist. Die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung kann beispielsweise im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf einer Strahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge zumindest eine Stromaufweitungsschicht angeordnet. Die Stromaufweitungsschicht dient dazu, den benötigten Strom in die Halbleiterschichtenfolge einzuprägen.
Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Die Strahlungsaustrittsfläche ist dabei eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlungsaustrittsfläche erstreckt sich insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise tritt mindestens 20 % oder 75 % oder 90 % der die Halbleiterschichtenfolge verlassenden Strahlung über die Strahlungsaustrittsfläche aus der Halbleiterschichtenfolge heraus. Insbesondere ist die Strahlungsaustrittsfläche eine Begrenzungsfläche der Halbleiterschichtenfolge, die an die Stromaufweitungsschicht grenzt.
In einer Ausführungsform ist die Stromaufweitungsschicht über eine Haftschicht mit einer Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden. Die Haftschicht umfasst ein Titanoxid, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist. Bevorzugt besteht die Haftschicht aus einem Titanoxid, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.
Mit solchen Titanoxiden ist es möglich, eine sehr gute Adhäsion zwischen der Stromaufweitungsschicht und der Kontaktstruktur zu schaffen. Zudem weisen diese Titanoxide eine elektrische Leitfähigkeit auf, wodurch die notwendige elektrische Kontaktierung der Stromaufweitungsschicht mit der Kontaktstruktur erreicht wird. Zudem weisen die Titanoxide eine geringe Absorption und dadurch eine erhöhte effektive Reflektivität der Kontaktstruktur, insbesondere einer metallischen Kontaktstruktur auf, so dass nur wenig von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung durch Absorption verloren geht. Damit kann die Lichtausbeute, also die Effizienz des Bauelements gesteigert werden.
Im Vergleich zu den Titanoxiden in denen der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist, zeigt TiO₂ mit Titan in der Oxidationsstufe W_T = +4 keine elektrische Leitfähigkeit, ist also elektrisch isolierend.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Haftschicht kein TiO₂. Damit sind aber herstellungsbedingte Verunreinigungen der Haftschicht mit TiO₂ nicht ausgeschlossen. Bevorzugt kann die Haftschicht nicht aus TiO₂ bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement damit mindestens eine Kontaktstruktur, insbesondere eine elektrische Kontaktstruktur, auf. Die Kontaktstruktur dient der externen elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Die Kontaktstruktur ist elektrisch leitend mit der Stromaufweitungsschicht verbunden. Insbesondere ist die Kontaktstruktur über die Haftschicht elektrisch leitend mit der Stromaufweitungsschicht verbunden.
In einer Ausführungsform ist die Haftschicht elektrisch leitfähig ausgebildet. Dadurch ist es möglich, die Stromaufweitungsschicht mit der Kontaktstruktur elektrisch leitend über die Haftschicht zu verbinden.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Haftschicht aus einem Titanoxid, welches elektrisch leitfähig ist.
In einer Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement eine weitere Kontaktstruktur für die externe elektrische Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge auf. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktstrukturen können Ladungsträger von unterschiedlichen Seiten in die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge eingebracht werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
Die elektrische Kontaktstruktur ist in einer Ausführungsform aus einem oder aus mehreren Metallen geformt. Es handelt sich also bevorzugt um eine metallische Kontaktstruktur mit metallischen Eigenschaften. Beispielsweise umfasst oder besteht die metallische Kontaktstruktur aus einer Gold- und einer Rhodiumschicht. Durch die Rhodiumschicht wird die Reflektivität der metallischen Kontaktstruktur erhöht. Insbesondere ist die Kontaktstruktur so in dem Bauelement angeordnet, dass die Rhodiumschicht an die Haftschicht angrenzt. Insbesondere besteht ein direkter Kontakt zwischen der Rhodiumschicht und der Haftschicht.
In einer Ausführungsform ist das Metall der Kontaktstruktur aus einer Gruppe ausgewählt, die Pt, Pd, Ag, Al, Ti, Ni, Cr, Rh, Au und Kombinationen daraus umfasst. Die Kontaktstruktur kann als Metallstapel aus mindestens zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, wie beispielsweise einer Gold- und einer Rhodiumschicht gebildet sein.
In einer Ausführungsform ist die Kontaktstruktur vollflächig auf der Haftschicht angeordnet. Das bedeutet insbesondere, dass die Kontaktstruktur keinen direkten mechanischen Kontakt zu der Stromaufweitungsschicht aufweist, sondern durch die Haftschicht von dieser getrennt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder ist die Kontaktstruktur in Draufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche gesehen ein Steg. Der Begriff "Steg" kann bedeuten, dass eine Länge die Breite um mindestens einen Faktor 2 oder 4 oder 8 übersteigt. Beispielsweise liegt der Faktor bei 100.
In einer Ausführungsform ist das Titanoxid aus einer Gruppe ausgewählt, die Titanoxide mit Titan in der Oxidationsstufe W_T = +3 oder +2, Titansuboxide und Kombinationen daraus umfasst.
Mit solchen Titanoxiden kann eine sehr gute Haftung zwischen der Stromaufweitungsschicht und der Kontaktstruktur erzielt werden. Gleichzeitig kann durch die elektrische Leitfähigkeit dieser Titanoxide die Stromaufweitungsschicht mit der Kontaktstruktur elektrisch leitend verbunden werden. Durch den niedrigen Extinktionskoeffizienten der Titanoxide können Absorptionsverluste verringert werden und so die Effizienz des Bauelements erhöht werden.
In einer Ausführungsform weisen die Titansuboxide die Formel TiO_m mit 0 < m < 2 oder Ti_nO_2n-1 mit n = 3–10 auf.
In einer Ausführungsform werden Ti₂O, Ti₃O und/oder Ti₆O als Titansuboxide der Formel TiO_m mit 0 < m < 2 eingesetzt.
In einer Ausführungsform werden Ti₃O₅, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₇O₁₃, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇ und/oder Ti₁₀O₁₉ als Titansuboxide der Formel Ti_nO_2n-1 mit n = 3–10 eingesetzt.
In einer Ausführungsform ist das Titanoxid aus einer Gruppe ausgewählt, die TiO, Ti₂O₃, Ti₂O, Ti₃O, Ti₆O, Ti₃O₅, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₇O₁₃, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉ und Kombinationen daraus umfasst.
In einer Ausführungsform weist die Haftschicht eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 1 nm und 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 1 nm und 20 nm, beispielsweise 4 nm auf. In diesen Bereichen der Schichtdicken kann sowohl eine optimale Haftung zwischen der Kontaktstruktur und der Stromaufweitungsschicht als auch eine hohe Reflektivität der von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung erzielt werden ohne eine signifikante Erhöhung des Kontaktwiderstands. Die Strahlung, die durch Haftschicht auf die Kontaktstruktur trifft, wird überwiegend zurück reflektiert und kann dann noch nach außen an die Umgebung ausgekoppelt werden. Damit können Absorptionsverluste gering gehalten werden und die Effizienz des Bauelements erhöht werden.
In einer Ausführungsform besteht zwischen der Haftschicht und der Stromaufweitungsschicht sowie zwischen der Stromaufweitungsschicht und der Haftschicht ein direkter Kontakt, insbesondere besteht ein direkter mechanischer und elektrischer Kontakt.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Stromaufweitungsschicht aus einem transparenten, elektrisch leitenden Oxid.
Transparente, elektrisch leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO“) sind transparente, elektrisch leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise dotiertes Zinkoxid, dotiertes Zinnoxid, dotiertes Cadmiumoxid, dotiertes Titanoxid, dotiertes Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin kann es möglich sein, dass die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechen und auch p- oder n-dotiert sein können.
In einer Ausführungsform weist die Stromaufweitungsschicht eine Dicke von mindestens 30 nm oder 50 nm oder 70 nm, beispielsweise 115 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Stromaufweitungsschicht bei höchstens 200 nm oder 250 nm oder 180 nm.
Weiterhin können beispielsweise auf einer der Stromaufweitungsschicht abgewandten Fläche der Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere Reflexionsschichten aufgebracht sein. Bevorzugt ist die eine oder mehrere Reflexionsschicht auf der zu der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Solche Reflexionsschichten sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau und Struktur bekannt und werden deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert. Durch die Reflexionsschicht kann die von der aktiven Schicht der Halbleiterschichtenfolge emittierte Strahlung zurück reflektiert werden und so über die Strahlungsaustrittsfläche nach außen an die Umgebung ausgekoppelt werden.
In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Stromaufweitungsschicht über der Halbleiterschichtenfolge, die Haftschicht über der zumindest einen Stromaufweitungsschicht und die Kontaktstruktur über der Haftschicht angeordnet.
In einer Ausführungsform ist die Kontaktstruktur über der Halbleiterschichtenfolge, die Haftschicht über der Kontaktstruktur und die zumindest eine Stromaufweitungsschicht über der Haftschicht angeordnet.
In einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement eine lichtemittierende Diode (LED).
Die angegebenen Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements können gemäß nachfolgend genanntem Verfahren hergestellt werden. Alle unter dem Verfahren genannten Merkmale des optoelektronischen Bauelements können auch Merkmale der oben ausgeführten Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Bauelements sein und umgekehrt.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren,
B) Aufbringen einer Stromaufweitungsschicht auf eine Strahlungsaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge,
C) Aufbringen einer Haftschicht auf die Stromaufweitungsschicht,
D) Aufbringen einer Kontaktstruktur auf der Stromaufweitungsschicht.

Insbesondere werden die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Dies schließt nicht das Vorhandensein von Zwischenschritten aus.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst Verfahrensschritt C) folgende Verfahrensschritte:

C1) Verdampfen eines Titanoxids, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < + 4 aufweist,
C3) Abscheiden eines Titanoxids zur Bildung der Haftschicht, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.

Alternativ zu Verfahrensschritt C1) kann ein Verfahrensschritt C1‘) durchgeführt werden:

C1‘) Verdampfen von Titan unter Sauerstoffzuführung. Bei dem Sauerstoff handelt es sich um elementaren Sauerstoff.

In einer Ausführungsform erfolgt in Verfahrensschritt C1‘) nach der Verdampfung des Titans eine Oxidation des Titans mit dem zugeführten Sauerstoff. Dadurch entsteht ein Titanoxid, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.
In einer Ausführungsform erfolgt die Sauerstoffzuführung in Verfahrensschritt C1‘) kontrolliert. Kontrollierte Sauerstoffzuführung bedeutet, dass die Menge an zugeführten Sauerstoff entsprechend der Menge an verdampften Titan und je nach gewünschten Oxidationsgrad des Titans in dem entstehenden Titanoxid variiert beziehungsweise eingestellt wird.
In einer Ausführungsform erfolgt das Verdampfen in Verfahrensschritt C1) oder C1‘) im Vakuum.
In einer Ausführungsform erfolgt das Verdampfen in Verfahrensschritt C1) oder C1‘) durch eine Kathodenzerstäubung, was auch als Sputtern bezeichnet werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst Verfahrensschritt C) einen weiteren Verfahrensschritt C2):

C2) Oxidation des Titanoxids. Die Oxidation kann teilweise oder vollständig erfolgen.

Dass die Oxidation teilweise oder vollständig erfolgt, bedeutet, dass nur ein Teil der Moleküle des Titanoxids oxidiert werden oder alle beziehungsweise nahezu alle Moleküle des Titanoxids. Insbesondere werden die Bedingungen bei der Oxidation so gewählt, dass das Titan nicht bis zur Oxidationsstufe +4 oxidiert wird. Dies kann durch eine kontrollierte Zugabe von elementarem Sauerstoff erfolgen. Der Oxidationsgrad des Titans hängt von dem Partialdruck des Sauerstoffs ab.
Gemäß einer Ausführungsform wird Verfahrensschritt C) im Vakuum durchgeführt.
In einer Ausführungsform wird das Titanoxid in Verfahrensschritt C1) im Vakuum bei im Vergleich zu Raumtemperatur erhöhter Temperatur durchgeführt. Das Aufheizen kann mittels eines Elektronenstrahls erfolgen.
Es ist möglich, dass das Titanoxid in Verfahrensschritt C1) zumindest teilweise oxidiert wird.
In einer Ausführungsform erfolgt die Oxidation in Verfahrensschritt C2) unter Zugabe von elementarem Sauerstoff. Bevorzugt erfolgt die Zugabe von Sauerstoff kontrolliert, so dass das Titan nicht bis zur Oxidationsstufe +4 oxidiert wird und das entstehende Titanoxid den gewünschten Oxidationsgrad aufweist.
Durch die Oxidation in Verfahrensschritt C2) kann sich das in Verfahrensschritt C1) verdampfte oder in Verfahrensschritt C1‘) entstehende und das in Verfahrensschritt C3) abgeschiedene Titanoxid unterscheiden. Beispielsweise wird in Verfahrensschritt C1) TiO, bevorzugt Ti₃O₅ eingesetzt. Dieses wird zumindest teilweise oxidiert, so dass das abgeschiedene Titanoxid eine Kombination unterschiedlicher Titanoxide mit Sauerstoff in der Oxidationsstufe W_O = –2 und Titan in der Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 bis 2 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Bauelementen,
2 die Reflektivität verschiedener Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
3 Extinktionskoeffizienten verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
In 1A ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements 1 gezeigt. Das optoelektronische Bauelement 1 ist insbesondere eine lichtemittierende Diode und umfasst ein Substrat 7, bei dem es sich bevorzugt um ein Saphirsubstrat und um ein Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge 2 handelt. Die auf dem Substrat 7 aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst eine n-Seite, eine p-Seite und eine dazwischen liegende aktive Schicht (hier nicht gezeigt). Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf GaN. An einer dem Substrat 7 abgewandten Strahlungsaustrittsfläche 5 der Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich eine Stromaufweitungsschicht 3, beispielsweise aus ITO. Die Stromaufweitungsschicht 3 weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50 und 150 nm auf. Die Stromaufweitungsschicht grenzt bevorzugt an die p-Seite der Halbleiterschichtenfolge 2 an. Über der Stromaufweitungsschicht 3 ist eine Kontaktstruktur 6 angeordnet. Die Kontaktstruktur 6 ist bevorzugt zur elektrischen Kontaktierung der p-Seite der Halbleiterschichtenfolge 2 eingerichtet. Die Kontaktstruktur 6 besteht aus einer Schicht 6a und einer Schicht 6b. Die Schicht 6a ist beispielsweise aus Gold gebildet und die Schicht 6b, die näher an der Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet ist, aus Rhodium. Insbesondere dient die Schicht 6b dazu die Reflektivität der Kontaktstruktur 6 zu erhöhen. Die Schicht 6b aus Rhodium weist dafür eine sehr hohe Reflektivität auf. Zwischen der Kontaktstruktur 6 und der Stromaufweitungsschicht 3 ist eine Haftschicht 4 angeordnet. Die Haftschicht 4 weist einen direkten Kontakt zu der Stromaufweitungsschicht 3 und der Schicht 6b der Kontaktstruktur 6 auf. Insbesondere ist die Haftschicht 4 so zwischen der Kontaktstruktur 6 und der Stromaufweitungsschicht 3 ausgebildet, dass zwischen der Kontaktstruktur 6 und der Stromaufweitungsschicht 3 kein direkter mechanischer Kontakt besteht. Insbesondere ragt die Haftschicht 4 nicht über die Kontaktstruktur 6 hinaus. In einer Draufsicht auf das Bauelement 1 ist die Haftschicht 4 somit vollständig von der Kontaktstruktur 6 verdeckt. Die Haftschicht 4 ist aus einem Titanoxid gebildet. Das Titanoxid ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Ti₃O₅, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₇O₁₃, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉ und Kombinationen daraus umfasst. Beispielsweise ist die Haftschicht durch ein Verdampfen von Ti₃O₅ im Vakuum, teilweise Oxidation des Ti₃O₅ und Abscheiden des teilweise oxidierten Ti₃O₅ hergestellt. Durch die elektrische Leitfähigkeit des Titanoxids und damit der Haftschicht 4, wird die Kontaktstruktur 6 mit der Stromaufweitungsschicht 3 elektrisch leitend über die Haftschicht 4 verbunden. Die Haftschicht 4 weist eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 100 nm auf. In diesen Bereichen der Schichtdicken kann sowohl eine optimale Haftung zwischen der Kontaktstruktur 6 und der Stromaufweitungsschicht 3 als auch eine hohe Reflektivität der von der Halbleiterschichtenfolge 2 emittierten Strahlung S erzielt werden. Tritt die Strahlung S über die Strahlungsaustrittsfläche 5 hindurch und trifft durch die Haftschicht 4 auf die Kontaktstruktur 6, wird sie zu einem überwiegenden Teil zurück reflektiert. An einer Reflexionsschicht 8, die an der der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Fläche des Substrats 7 angeordnet ist, wird die Strahlung S zurück reflektiert und kann so noch nach außen über die Strahlungsaustrittsfläche 5 und die Stromaufweitungsschicht 3 abgestrahlt werden. Die Reflexionsschicht 8 kann beispielsweise ein Silberspiegel sein oder es kann sich um einen Schichtstapel aus abwechselnden Schichten aus SiO₂ und TiO₂ handeln. Die gewählte Schichtdicke der Reflexionsschicht 8 hängt von der Wellenlänge der von der Halbleiterschichtfolge 2 emittierten Strahlung S ab. Die einzelnen optischen Schichtdicken im Schichtstapel betragen beispielsweise etwa ¼ der Wellenlänge der von der Halbleiterschichtenfolge 2 emittierten Strahlung S, wenn es sich um eine Strahlung im blauen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums handelt. Insgesamt kann damit auch ein Hauptteil der Strahlung S, die zunächst auf die Haftschicht 4 trifft noch nach außen an die Umgebung ausgekoppelt werden. Damit entstehen nur geringe Absorptionsverluste und die Effizienz des Bauelements 1 kann damit erhöht werden. Insbesondere ist das Bauelement 1 effizienter im Vergleich zu einem Bauelement in dem die Haftschicht aus Titan gebildet ist, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In 1B ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Beispiel eines optoelektronischen Bauelements 1 aus dem Stand der Technik gezeigt. Das Bauelement 1 zeigt denselben Aufbau wie das in 1A dargestellte erfindungsgemäße Bauelement. Die Materialien der Schichten und Elemente können wie in 1A beschrieben, gewählt sein. Der einzige Unterschied besteht in der Haftschicht 4. Die Haftschicht 4 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus Titan gebildet und weist eine Schichtdicke von 2 nm auf. Zwar kann eine gute Adhäsion der Kontaktstruktur 6 auf der Stromaufweitungsschicht 3 gewährleistet werden und die Kontaktstruktur 6 elektrisch leitend über die Haftschicht 4 mit der Stromaufweitungsschicht 3 verbunden werden, allerdings weist die Haftschicht 4 aus Titan auch bei einer Schichtdicke von nur 2 nm eine hohe Absorption der von der Halbleiterschichtenfolge 2 emittierten Strahlung S auf. Im Vergleich zu dem in 1A dargestellten Bauelement wird die Strahlung S von der Haftschicht 4 stark absorbiert und nur zu einem geringen Teil zurück reflektiert, so dass die absorbierte Strahlung S nicht mehr nach außen an die Umgebung abgestrahlt werden kann und so die Effizienz dieses Bauelement erheblich geringer ist als die des erfindungsgemäßen Bauelements. Eine Titanschicht mit einer Schichtdicke von 2 nm reduziert die Reflektivität der Kontaktstruktur 6 um etwa 5 % im Vergleich zu einer Kontaktstruktur 6, die ohne Haftschicht 4 direkt auf der Stromaufweitungsschicht 3 angeordnet ist.
In 2 ist die Reflektivität R in % gegen die Wellenlänge λ in nm aufgetragen. Die mit dem Bezugszeichen A versehene Kurve zeigt die Reflektivität einer Schicht aus Rhodium, die mit dem Bezugszeichen B versehene Kurve zeigt die Reflektivität einer Schichtenfolge aus einer Schicht aus Titanoxid und einer Schicht aus Rhodium, die mit dem Bezugszeichen C versehene Kurve zeigt die Reflektivität einer Schichtenfolge aus einer Schicht aus Titan und einer Schicht aus Rhodium. Die dargestellte Reflektivität der Kurven B und C bezieht sich darauf, dass die Strahlung auf die Titanoxidschicht beziehungsweise auf die Titanschicht trifft. Die Titanoxidschicht wurde durch ein Verdampfen von Ti₃O₅ im Vakuum, teilweise Oxidation des Ti₃O₅ und Abscheiden des teilweise oxidierten Ti₃O₅ hergestellt. Alle Schichten aus Rhodium weisen dieselbe Schichtdicke auf. Die Schicht aus Titan und die Schicht aus Titanoxid weisen jeweils eine Schichtdicke von 2 nm auf. Wie ersichtlich, zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung einer Schicht aus Titan in Verbindung mit einer Schicht aus Rhodium beispielsweise einer Kontaktstruktur eine vergleichsweise geringe Reflektivität und damit eine erhöhte Absorption von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 850 nm. Die erfindungsgemäße Haftschicht aus Titanoxid in Verbindung mit einer Schicht aus Rhodium weist vergleichsweise dieselbe Reflektivität auf wie eine Rhodium Schicht alleine. Vorteilhafterweise kann mit der erfindungsgemäßen Haftschicht auch eine sehr gute Verklebung einer Schicht aus einem transparenten leitenden Oxid, wie ITO mit der Schicht aus Rhodium erzielt werden. Zudem ist die Haftschicht elektrisch leitend, so dass eine nötige elektrische Verbindung einer Stromaufweitungsschicht beispielsweise aus ITO und einer Kontaktstruktur in einem optoelektronischen Bauelement gewährleistet werden kann. Die Reflektivität der erfindungsgemäßen Haftschicht aus Titanoxid ist wesentlich höher als die einer aus dem Stand der Technik bekannten, gleich dicken Schicht aus Titan. Damit zeigt die erfindungsgemäße Haftschicht aus Titanoxid in Verbindung mit einer Kontaktstruktur aus Rhodium und gegebenenfalls einem weiteren Metall eine erhöhte Reflektivität und somit eine verminderte Absorption der von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Strahlung, sodass mit Vorteil die Lichtausbeute eines optoelektronischen Bauelements erhöht werden kann.
In 3 sind Extinktionskoeffizienten k verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in nm gezeigt. Die mit dem Bezugszeichen D versehene Kurve zeigt den Extinktionskoeffizienten einer Schicht aus Titan, die mit dem Bezugsziechen E versehene Kurve zeigt den Extinktionskoeffizienten einer Schicht aus Titandioxid und die mit dem Bezugsziechen F versehene Kurve zeigt den Extinktionskoeffizienten von einer erfindungsgemäßen Schicht aus Titanoxid mit Sauerstoff in der Oxidationsstufe W_O = –2 und Titan in der Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4. Je höher der Extinktionskoeffizient, desto stärker wird die auf die Schicht auftreffende elektromagnetische Strahlung von dem Material absorbiert. Wie ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Haftschicht aus Titanoxid mit dem Bezugszeichen F im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums einen sehr geringen Extinktionskoeffizienten im Vergleich zu einer Titanschicht auf. Noch geringere Werte finden sich für eine Schicht aus Titandioxid, die jedoch aufgrund fehlender elektrischer Leitfähigkeit nicht als Haftschicht eingesetzt werden kann, um die Stromaufweitungsschicht elektrisch leitend mit der Kontaktstruktur zu verbinden.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Bauelement
2: Halbleiterschichtenfolge
3: Stromaufweitungsschicht
4: Haftschicht
5: Strahlungsaustrittsfläche
6: Kontaktstruktur
7: Substrat
8: Reflexionsschicht
S: Strahlung

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1) umfassend – eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren, – zumindest eine Stromaufweitungsschicht (3) an einer Strahlungsaustrittsfläche (5) der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Stromaufweitungsschicht (3) über eine Haftschicht (4) mit einer Kontaktstruktur (6) elektrisch leitend verbunden ist und die Haftschicht (4) ein Titanoxid umfasst, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.
Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Haftschicht (4) elektrisch leitfähig ist.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Titanoxid aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Titanoxide mit Titan in der Oxidationsstufe W_T = +3 oder +2, Titansuboxide und Kombinationen daraus umfasst.
Bauelement (1) nach Anspruch 3, wobei die Titansuboxide die Formel TiO_m mit 0 < m < 2 oder Ti_nO_2n-1 mit n = 3–10 aufweisen.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Titanoxid aus einer Gruppe ausgewählt ist, die TiO, Ti₂O₃, Ti₂O, Ti₃O, Ti₆O, Ti₃O5, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₇O₁₃, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉ und Kombinationen daraus umfasst.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Haftschicht (4) aus dem Titanoxid besteht.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Haftschicht (4) eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 100 nm aufweist.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Haftschicht (4) in direktem Kontakt zu der Stromaufweitungsschicht (3) und der Kontaktstruktur (6) steht.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (3) ein transparentes leitfähiges Oxid umfasst.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Kontaktstruktur (6) um eine metallische Kontaktstruktur handelt.
Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Substrat (7) aus Saphir umfasst, auf den die Halbleiterschichtenfolge (2) epitaktisch aufgewachsen ist.
Bauelement nach Anspruch 11, das eine Reflexionsschicht (8) umfasst, die auf der von der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Fläche des Substrats (7) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1) umfassend die Verfahrensschritte: A) Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Schicht, die dazu eingerichtet ist im Betrieb des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren; B) Aufbringen einer Stromaufweitungsschicht (3) auf eine Strahlungsaustrittsfläche (5) der Halbleiterschichtenfolge (2): C) Aufbringen einer Haftschicht (4) auf die Stromaufweitungsschicht (3); D) Aufbringen einer Kontaktstruktur (6) auf der Stromaufweitungsschicht (3); wobei Verfahrensschritt C) folgende Verfahrensschritte umfasst: C1) Verdampfen eines Titanoxids, wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist oder C1‘) Verdampfen von Titan unter Sauerstoffzuführung; C3) Abscheiden eines Titanoxids zur Bildung der Haftschicht (4), wobei in dem Titanoxid der Sauerstoff die Oxidationsstufe W_O mit W_O = –2 und das Titan die Oxidationsstufe W_T mit 0 < W_T < +4 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, das einen weiteren Verfahrensschritt C2) umfasst: C2) Oxidation des Titanoxids.