DE102016113274A1

DE102016113274A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102016113274A1
Application number: DE102016113274.8A
Authority: DE
Inventors: Werner Bergbauer; Joachim Hertkorn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: US10475961B2; US20190081211A1; WO2018015391A1; DE102016113274B4

Abstract

In einer Ausführungsform weist der optoelektronische Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2, 4, 5) aus AlInGaN auf. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet einen n-leitenden n-Bereich (2), einen p-leitenden p-Bereich (5) und eine dazwischenliegende aktive Zone (4) mit mindestens einem Quantentrog zur Erzeugung einer Strahlung. Der p-Bereich (5) umfasst eine Elektronenbarriereschicht (56), eine Kontaktschicht (58) und eine dazwischenliegende Zersetzungsstoppschicht (50). Die Kontaktschicht (58) grenzt direkt an eine Kontaktmetallisierung (8), insbesondere eine Anode, des Halbleiterchips (1). In der Zersetzungsstoppschicht (50) liegt stellenweise ein Aluminiumgehalt (C) von mindestens 5 % und höchstens 30 % vor. Der Aluminiumgehalt (C) ist in der Zersetzungsstoppschicht (50) variiert.

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der nahultraviolette Strahlung emittiert und der eine lange Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge, die aus einem Halbleitermaterial bestehen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge einen n-leitenden n-Bereich auf. Der n-Bereich ist durchgehend oder zumindest überwiegend n-dotiert, beispielsweise mit Silizium und/oder Germanium. Es ist möglich, dass sich in dem n-Bereich dünne, undotierte Schichten befinden. Dünn bezeichnet in diesem Fall insbesondere eine Dicke von höchstens 12 nm oder 8 nm oder 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge einen p-leitenden p-Bereich. Eine p-Dotierung ist insbesondere durch Magnesium oder Beryllium erzeugt. Wie es auch für den n-Bereich gilt, kann der p-Bereich durchgehend p-dotiert sein oder dünne, undotierte Schichten umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Zone. Die aktive Zone befindet sich zwischen dem n-Bereich und dem p-Bereich und kann unmittelbar an den n-Bereich und/oder an den p-Bereich angrenzen. In der aktiven Zone befinden sich ein oder mehrere Quantentröge und/oder mindestens ein pn-Übergang. Bevorzugt handelt es sich bei der aktiven Zone um eine Multi-Quantentopfstruktur mit mehreren Quantentrögen und mit dazwischenliegenden Barriereschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die aktive Zone zur Erzeugung einer Strahlung eingerichtet. Bei der Strahlung handelt es sich insbesondere um UVA-Strahlung. Eine Wellenlänge maximaler Intensität der im bestimmungsgemäßen Betrieb der aktiven Zone erzeugten Strahlung liegt insbesondere bei mindestens 365 nm oder 385 nm und/oder bei höchstens 480 nm oder 415 nm oder 405 nm oder 400 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktive Zone und die Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung einer inkohärenten Strahlung eingerichtet. Mit anderen Worten wird keine Laserstrahlung erzeugt. Dies bedeutet, dass die Halbleiterschichtenfolge für eine Leuchtdiode, kurz LED, eingerichtet ist. Die Halbleiterschichtenfolge befindet sich somit bestimmungsgemäß innerhalb einer Leuchtdiode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterial Al_nIn_1-n-mGa_mN, kurz AlInGaN, hergestellt und basiert auf diesem Material, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Wird im Folgenden als Material GaN angegeben, so gilt n = 0 und m = 1, im Falle von AlGaN gilt n + m = 1 und für InGaN gilt n = 0. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, Ga, In und N, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Stoffe mit einer Konzentration von höchstens 5 × 10¹⁶ 1/cm³ oder 2 × 10¹⁷ 1/cm³ werden vorliegend vernachlässigt und/oder lediglich als Verunreinigungen betrachtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der p-Bereich bevorzugt eine Elektronenbarriereschicht. Die optionale Elektronenbarriereschicht ist dazu eingerichtet, von dem n-Bereich kommende Elektronen aufzuhalten und/oder in Richtung hin zur aktiven Zone zurückzuwerfen oder zurück zu reflektieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der p-Bereich eine Kontaktschicht. Die Kontaktschicht ist bevorzugt hoch dotiert. Weiterhin grenzt die Kontaktschicht direkt an eine Kontaktmetallisierung, die zur Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge vorgesehen ist. Der Begriff Kontaktmetallisierung kann nichtmetallische Materialien mit einschließen, die eine ohmsche Leitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise ist die Kontaktmetallisierung zum Teil durch transparente leitfähige Oxide, kurz TCOs, wie ITO gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Elektronenbarriereschicht und der Kontaktschicht eine Zersetzungsstoppschicht. Die Zersetzungsstoppschicht grenzt bevorzugt direkt an die Kontaktschicht und kann an die Elektronenbarriereschicht angrenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt in der Zersetzungsstoppschicht stellenweise ein Aluminiumgehalt von mindestens 5 % oder 10 % vor. Alternativ oder zusätzlich liegt der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht, insbesondere für jede Teilschicht, bei höchstens 50 % oder 30 % oder 20 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht variiert, das heißt, der Aluminiumgehalt ändert sich über die Zersetzungsstoppschicht hinweg. Insbesondere liegt eine Änderung des Aluminiumgehalts über die Zersetzungsstoppschicht hinweg bei mindestens 20 % oder 50 % oder 80 %, bezogen auf einen maximalen Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht. Beträgt zum Beispiel der maximale Aluminiumgehalt 25 % und liegt die Änderung des Aluminiumgehalts bei 50 %, so liegt der Aluminiumgehalt stellenweise bei höchstens 12,5 %.
In mindestens einer Ausführungsform weist der optoelektronische Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge aus AlInGaN auf. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet einen n-leitenden n-Bereich, einen p-leitenden p-Bereich und eine dazwischenliegende aktive Zone mit mindestens einem Quantentrog zur Erzeugung einer Strahlung. Der p-Bereich umfasst eine Elektronenbarriereschicht, eine Kontaktschicht und eine dazwischenliegende Zersetzungsstoppschicht. Die Kontaktschicht grenzt direkt an eine Kontaktmetallisierung, insbesondere eine Anode, des Halbleiterchips. In der Zersetzungsstoppschicht liegt stellenweise ein Aluminiumgehalt von mindestens 5 % und höchstens 30 % vor. Der Aluminiumgehalt ist in der Zersetzungsstoppschicht variiert.
Bei optoelektronischen Bauelementen auf der Basis von nitridischen Verbindungshalbleitern kommt es unter bestimmten Voraussetzungen zu einer Zersetzung von p-dotiertem Galliumnitrid. Ein solcher Zersetzungsprozess kann beispielsweise bei in Vorwärtsrichtung angelegtem elektrischem Feld in Wechselwirkung mit einem reaktiven Metall wie Gold beobachtet werden. Ein solcher Zersetzungsprozess findet zudem verstärkt in Anwesenheit von ultravioletter Strahlung und bei erhöhten Temperaturen statt. Die Anwesenheit von Sauerstoff kann zur Bildung von GaO führen und somit zu einer Schädigung von GaN. Ebenso sind schädliche Einflüsse auf Silber durch die Bildung von AgO möglich.
Eine Möglichkeit, die Zersetzung des p-GaN zu vermeiden oder zumindest zu verzögern, besteht darin, eine Kontaktmetallisierung möglichst weit von der aktiven Zone entfernt anzubringen, sodass eine Grenzfläche zwischen dem Metall der Kontaktmetallisierung und der Kontaktschicht weit von den Quantentrögen entfernt ist. Insbesondere bei parasitären Spuren von Gold oder von anderen katalytisch wirkenden Elementen an der Kontaktmetallisierung ist jedoch kein hinreichender Schutz vor solchen Zersetzungen gegeben.
Durch die hier beschriebene Zersetzungsstoppschicht, die Aluminium enthält, ist eine Barriereschicht für die Migration von reaktiven Metallionen, insbesondere Gold, erreicht. Somit lässt sich die Lebensdauer des Halbleiterchips erhöhen, was insbesondere bei der Erzeugung von nah-ultravioletter Strahlung in der aktiven Zone und bei erhöhten Betriebstemperaturen von beispielsweise mindestens 100 °C, bezogen auf die aktive Zone, gilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht in Richtung hin zur Kontaktschicht im Mittel zu. Dies schließt nicht aus, dass der Aluminiumgehalt moduliert ist. Jedoch hin zur Kontaktschicht ist eine ansteigende Tendenz des Aluminiumgehalts, etwa gemittelt über größere Bereiche, gegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Zersetzungsstoppschicht mehrere erste Teilschichten auf. Die ersten Teilschichten sind aus AlGaN gebildet. Es ist möglich, dass in allen ersten Teilschichten ein gleicher Aluminiumgehalt vorliegt oder dass unterschiedliche erste Teilschichten voneinander abweichende Aluminiumgehalte aufweisen. Die ersten Teilschichten sind bevorzugt dotiert, können aber auch undotiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Zersetzungsstoppschicht mehrere zweite Teilschichten. Die zweiten Teilschichten sind bevorzugt aus GaN hergestellt und sind bevorzugt p-dotiert. Die ersten Teilschichten und die zweiten Teilschichten sind einander abwechselnd in der Zersetzungsstoppschicht angeordnet. Dabei folgen die ersten und die zweiten Teilschichten bevorzugt direkt aufeinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt innerhalb von jeder der ersten Teilschichten konstant. Das heißt, innerhalb der ersten Teilschichten erfolgt keine Variation des Aluminiumgehalts.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt innerhalb der ersten Teilschichten variiert. Das heißt, innerhalb jeder der ersten Teilschichten oder innerhalb von zumindest einigen der ersten Teilschichten ändert sich der Aluminiumgehalt gezielt. Insbesondere nimmt der Aluminiumgehalt bereichsweise oder über die gesamte entsprechende erste Teilschicht hinweg in Richtung hin zur Kontaktschicht zu, insbesondere streng monoton oder monoton.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht über mehrere erste Teilschichten hinweg gesehen in Richtung hin zur Kontaktschicht zu. Dies geht insbesondere damit einher, dass die betreffenden ersten Teilschichten unterschiedliche Aluminiumgehalte oder mittlere Aluminiumgehalte aufweisen. Innerhalb der jeweiligen ersten Teilschicht kann dabei der Aluminiumgehalt konstant sein oder auch zusätzlich noch variiert sein. Damit ist es möglich, dass eine doppelte Variation des Aluminiumgehalts vorliegt, einerseits innerhalb der jeweiligen ersten Teilschicht und andererseits über mehrere der ersten Teilschichten hinweg gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle ersten Teilschichten gleich gestaltet, im Rahmen der Herstellungstoleranzen. Dies gilt bevorzugt auch für die zweiten Teilschichten aus p-GaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens drei oder vier und/oder höchstens zwölf oder acht oder sechs der ersten Teilschichten vorhanden. Mit anderen Worten liegt eine vergleichsweise geringe Anzahl der ersten Teilschichten vor. Es wird insbesondere kein Übergitter, englisch super lattice, gebildet. Die Anzahl der zweiten Teilschichten entspricht bevorzugt der Anzahl der ersten Teilschichten oder ist um eins gegenüber der Anzahl der ersten Teilschichten erniedrigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht in Richtung hin zur Kontaktschicht monoton oder streng monoton zu. Mit anderen Worten nimmt dann der Aluminiumgehalt in Richtung hin zur Kontaktschicht an keiner Stelle ab. Beispielsweise verläuft der Aluminiumgehalt rampenförmig und/oder linear ansteigend hin zur Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt in der Zersetzungsstoppschicht in einem Übergangsbereich in Richtung hin zur Kontaktschicht stellenweise abnehmend gestaltet. Insbesondere kann eine graduelle, also stetige und/oder kontinuierliche Abnahme oder auch eine stufenförmige Abnahme des Aluminiumgehalts vorliegen. Dabei grenzt der Übergangsbereich bevorzugt direkt an die Kontaktschicht. Sind mehrere der ersten Teilschichten in der Zersetzungsstoppschicht vorhanden, so ist es möglich, dass jede der ersten Teilschichten oder mehrere der ersten Teilschichten mit einem solchen Übergangsbereich versehen sind. Besonders bevorzugt ist ein solcher Übergangsbereich jedoch nur an der der Kontaktschicht nächstgelegenen ersten Teilschicht vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Elektronenbarriereschicht und der Zersetzungsstoppschicht ein Zwischenbereich. Bei dem Zwischenbereich handelt es sich bevorzugt um p-dotiertes GaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Zersetzungsstoppschicht eine Dicke von mindestens 2 nm oder 5 nm oder 15 nm oder 30 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Zersetzungsstoppschicht bei höchstens 70 nm oder 60 nm oder 30 nm oder 15 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Zwischenbereich frei von Aluminium. Bei der Zersetzungsstoppschicht handelt es sich somit insbesondere um einen Bereich, in dem von der Elektronenbarriereschicht ausgehend in Richtung hin zur Kontaktschicht erstmalig Aluminium vorliegt, wobei die Zersetzungsstoppschicht bis dahin reicht, wo letztmalig vor der Kontaktschicht noch Aluminium vorhanden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Zersetzungsstoppschicht insgesamt und/oder eine Dicke der Zersetzungsstoppschicht zusammen mit dem Zwischenbereich bei mindestens 30 nm oder 50 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 150 nm oder 120 nm oder 90 nm. Durch eine solche Dicke ist es möglich, dass die aktive Zone in Resonanz mit der Kontaktmetallisierung betreibbar ist, bevorzugt unter Ausnutzung des Purcell-Effekts.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kontaktmetallisierung zu einem geringen Anteil Verunreinigungen, etwa metallische Verunreinigungen wie Gold, auf. Beispielsweise liegt ein Gewichtsanteil der Verunreinigungen, speziell von Metallen und insbesondere von Gold, an der Kontaktmetallisierung bei mindestens 10^–9 oder 10^–7 oder 10^–5. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil der Verunreinigungen, insbesondere von Gold, an der Kontaktmetallisierung bei höchstens 10^–3 oder 10^–4.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Kontaktmetallisierung eines oder mehrere der nachfolgend genannten Materialien auf oder besteht aus einem oder mehreren dieser Materialien, unter Vernachlässigung von Verunreinigungen: Ag, Al, ITO, Pt, Rh, Ti, ZnO.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Kontaktschicht um eine GaN-Schicht, die hoch dotiert ist. Eine Dotierstoffkonzentration, insbesondere mit Magnesium oder Beryllium, liegt bevorzugt bei mindestens 1 × 10²⁰ 1/cm³ und/oder bei höchstens 1 × 10²¹ 1/cm³.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Kontaktschicht bei mindestens 3 nm oder 5 nm oder 7 nm. Alternativ oder zusätzlich weist die Kontaktschicht eine Dicke von höchstens 40 nm oder 25 nm oder 15 nm auf. Die Kontaktschicht ist bevorzugt aus keinen Teilschichten zusammengesetzt, sondern bestimmungsgemäß durch eine einzige Schicht gebildet. Zusätzlich zu Gallium und Stickstoff ist es möglich, dass die Kontaktschicht geringe Mengen von Sauerstoff enthält. Anstelle einer GaN-Kontaktschicht kann auch eine InGaN-Kontaktschicht oder eine InN-Kontaktschicht verwendet werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
7 schematische Schnittdarstellungen von Übergangsbereichen zwischen hier beschriebenen Zersetzungsstoppschichten und Kontaktschichten,
8 und 10 schematische Schnittdarstellungen von Abwandlungen von Halbleiterchips, und
9 eine FIB-Abbildung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt. Der Halbleiterchip 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, die einen n-leitenden n-Bereich 2, einen p-leitenden p-Bereich 5 und eine dazwischenliegende aktive Zone 4 beinhaltet. Bei der aktiven Zone 4 handelt es sich bevorzugt um eine Multi-Quantentopfstruktur. Die Halbleiterschichtenfolge 2, 4, 5 befindet sich insbesondere an einem Träger 7, bei dem es sich um ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge handeln kann.
Entlang einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 2, 4, 5 ist an einer der aktiven Zone 4 abgewandten Seite des p-Bereichs 5 eine Kontaktmetallisierung 8 angebracht. Die Kontaktmetallisierung 8 kann aus einer TCO-Schicht 82 direkt an dem p-Bereich 5 und aus einer Metallschicht 81 oder einem Metallschichtenstapel zusammengesetzt sein. Hierbei ist die TCO-Schicht 82 optional. Bevorzugt ist die Kontaktmetallisierung 8 als Spiegel für im Betrieb in der aktiven Zone 4 erzeugte Strahlung gestaltet. Eine Auskopplung von Strahlung erfolgt bevorzugt durch den optionalen Träger 7 hindurch. Eine elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips 1 erfolgt über zwei Anschlussflächen 9 an dem n-Bereich 2 sowie an der Kontaktmetallisierung 8.
In den 2 bis 7 ist die Halbleiterschichtenfolge näher erläutert, insbesondere der p-Bereich 5, der sich direkt zwischen der aktiven Zone 4 und der Kontaktmetallisierung 8 befindet. Nachfolgend ist die Kontaktmetallisierung 8 lediglich einschichtig gezeichnet, kann aber jeweils wie in 1 illustriert aufgebaut sein.
Gemäß 2 weist der p-Bereich 5 entlang der Wachstumsrichtung G eine Abstandsschicht 55, eine Elektronenbarriereschicht 56, einen Zwischenbereich 59, eine Zersetzungsstoppschicht 50 und eine Kontaktschicht 58 auf. Die genannten Schichten folgen bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge unmittelbar aufeinander. Die Elektronenbarriereschicht 56 ist, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, optional.
Bei der Abstandsschicht 55 handelt es sich bevorzugt um eine GaN-Schicht, zum Beispiel mit einer Dicke von 5 nm bis 10 nm, insbesondere ungefähr 7 nm. Die Elektronenbarriereschicht 56 ist bevorzugt aus AlGaN gebildet mit einem Aluminiumanteil beispielsweise zwischen 20 % und 30 %, optional kann die Elektronenbarriereschicht 56 auch Indium enthalten und somit aus AlInGaN sein, bevorzugt dann mit einem Indium-Anteil von höchstens 2 %. Eine Dicke der Elektronenbarriereschicht 56 liegt bevorzugt bei mindestens 2 nm oder 5 nm und/oder bei höchstens 14 nm oder 10 nm. Anders als dargestellt, kann die Elektronenbarriereschicht 56 auch aus mehreren, insbesondere aus drei Teilschichten zusammengesetzt sein. Die Elektronenbarriereschicht 56 ist bevorzugt in Gänze oder zumindest bereichsweise p-dotiert, kann insbesondere in Richtung aktiver Zone undotiert beginnen und/oder in Richtung hin zur p-Kontaktschicht 58 zunehmend dotiert sein. Alternativ ist die Elektronenbarriereschicht 56 undotiert.
Die Zwischenschicht 59 ist aus GaN gebildet und bevorzugt undotiert. Dabei kann die Zwischenschicht 59 höher dotiert sein als die Zersetzungsstoppschicht 50, etwa mit einer Dotierstoffkonzentration von ungefähr 10¹⁸ 1/cm³ bis 10²⁰ 1/cm³.
Die Zersetzungsstoppschicht 50 ist aus AlGaN gebildet. In Richtung hin zur Kontaktmetallisierung 8 und somit entlang der Wachstumsrichtung G nimmt ein Aluminiumgehalt C, der in 2 schematisch in Prozent gegenüber der Wachstumsrichtung G aufgetragen ist, kontinuierlich zu. Der Aluminiumgehalt C ist somit in Form einer dreieckigen Rampe in der Zersetzungsstoppschicht 50 variiert. Beispielsweise kann der Aluminiumgehalt C von 0 % auf einen Endwert, zum Beispiel 10 %, über eine Strecke von mindestens 10 nm oder 20 nm oder 30 nm und/oder höchstens 55 nm oder 35 nm oder 15 nm ansteigen, insbesondere linear ansteigen.
Ein maximaler Aluminiumgehalt der Zersetzungsstoppschicht 50 liegt bevorzugt unter einem maximalen Aluminiumgehalt der Elektronenbarriereschicht 56, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der Fall sein kann.
Hin zur Kontaktschicht 58 geht der Aluminiumgehalt C der Zersetzungsstoppschicht 50 bevorzugt sprungartig und direkt auf Null zurück. Hin zur Kontaktschicht 58 erfolgt also eine schlagartige Reduzierung des Aluminiumgehalts C. In der Darstellung der 2 sind hierbei negative Aluminiumgehalte C als Bereiche mit Indium interpretierbar.
Die Kontaktschicht 58 ist aus hoch p-dotiertem GaN gebildet, eine Dotierstoffkonzentration mit Magnesium liegt bevorzugt zwischen 1 × 10²⁰ 1/cm³ und 2 × 10²⁰ 1/cm³. Die Kontaktschicht 58 weist eine relativ geringe Dicke von mindestens 5 nm bis höchstens 30 nm, insbesondere ungefähr 20 nm, auf.
Durch Wärmeentwicklung im Betrieb des Halbleiterchips 1, durch die in der aktiven Zone 4 erzeugte ultraviolette Strahlung und durch die Einwirkung von Metallionen aus der Kontaktmetallisierung 8 können in dem p-Bereich 5 Schäden 54 entstehen. Die Schäden 54 können sich über die Betriebsdauer des Halbleiterchips 1 hinweg in Richtung hin zur aktiven Zone 4 fortsetzen. Durch die Zersetzungsstoppschicht 50 ist erreicht, dass sich diese Schäden 54 nicht weiter in Richtung hin zur aktiven Zone 4 bewegen. Damit ist eine weitere Schädigung und damit ein Ausfall des Halbleiterchips 1 durch die Zersetzungsstoppschicht 50 verhindert.
Eine Gesamtdicke des p-Bereichs 5 liegt bevorzugt im Bereich um 90 nm. Hierdurch ist erzielbar, dass die aktive Zone unter Ausnutzung des Purcell-Effekts in einem Intensitätsmaximum der erzeugten Strahlung liegt. Die aktive Zone 4 ist dann also resonant zur Kontaktmetallisierung 8 angeordnet, eingestellt durch die Dicken insbesondere des Zwischenbereichs 59 und der Zersetzungsstoppschicht 50.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Zersetzungsstoppschicht 50 aus ersten Teilschichten 51 aus AlGaN und aus zweiten Teilschichten 52 aus GaN zusammengesetzt. Die ersten Teilschichten 51 sind bevorzugt undotiert, die zweiten Teilschichten 52 sind bevorzugt dotiert. Alternativ ist die Dotierung mindestens moduliert, sodass in den zweiten Teilschichten 52 eine geringere Dotierstoffkonzentration vorliegt als in den ersten Teilschichten 51, zum Beispiel im Mittel um mindestens einen Faktor 2 oder 5 kleiner.
Innerhalb der jeweiligen Teilschichten 51, 52 ist eine Materialzusammensetzung konstant oder näherungsweise konstant. Von erster Teilschicht 51 zu erster Teilschicht 51 hin nimmt in Richtung zur Kontaktschicht 58 der Aluminiumgehalt C zu. Dabei können die ersten Teilschichten 51 jeweils eine gleiche Dicke aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass zentral gelegene erste Teilschichten 51 eine größere Dicke aufweisen als randständige erste Teilschichten 51. Die zweiten Teilschichten 52 sind bevorzugt alle gleich dick. Somit ist durch die beispielsweise fünf ersten Teilschichten 51 eine graduelle Zunahme des Aluminiumgehalts C realisiert.
Die ersten Teilschichten 51 weisen bevorzugt jeweils eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2 nm oder 4 nm und/oder von höchstens 12 nm oder 8 nm oder 6 nm oder 5 nm auf. Eine Dicke der zweiten Teilschichten 52 liegt bevorzugt bei mindestens 2 nm oder 4 nm und/oder bei höchstens 8 nm oder 6 nm. Weiterhin bevorzugt liegt die Dicke des Zwischenbereichs 59 bei mindestens einer Dicke von Quantentöpfen in der aktiven Zone 4. Insbesondere weist der Zwischenbereich 59 eine Dicke von mindestens 3 nm oder 5 nm auf. Dies gilt bevorzugt auch für alle anderen Ausführungsbeispiele.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 3 dem der 2.
Gemäß 4 nimmt in jeder der ersten Teilschichten 51 der Aluminiumgehalt C in Richtung hin zur Kontaktschicht 58 zu. Innerhalb der ersten Teilschichten 51 liegt somit ein Dreieckprofil hinsichtlich des Aluminiumgehalts C vor. Dabei fällt an einer der Kontaktschicht 58 zugewandten Seite der ersten Teilschichten 51 der Aluminiumgehalt C bevorzugt rapide ab, sodass der Aluminiumgehalt C in der Zeichnung senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur Wachstumsrichtung verläuft.
Wie auch in 3 nimmt der Aluminiumgehalt C über mehrere der ersten Teilschichten 51 hinweg gesehen in Richtung hin zur Kontaktschicht 58 zu. Im Übrigen gilt das zur 2 Beschriebene bevorzugt entsprechend.
Im Ausführungsbeispiel der 5 sind vier erste Teilschichten 51 vorhanden. In jeder der ersten Teilschichten 51 liegt ein dreieckförmig gleichmäßig in Richtung hin zur Kontaktschicht 58 ansteigender Aluminiumgehalt C vor. Die ersten Teilschichten 51 sind je gleich gestaltet.
Anders als in den 3 bis 5 dargestellt, ist es alternativ möglich, dass eine Dicke der zweiten Teilschichten 52 verschwindet, sodass die zweiten Teilschichten 52 weggelassen werden können. Außerdem ist es abweichend von den Darstellungen insbesondere der 2, 4 und 5 möglich, dass die Variation des Aluminiumgehalts C nicht graduell, sondern stufenförmig erfolgt, beispielsweise in mindestens zwei oder vier oder sechs einzelnen Stufen.
Gemäß der 2 bis 5 weist der Zwischenbereich 59 eine relativ große Dicke auf. Beispielsweise beträgt die Dicke des Zwischenbereichs 59 in diesen Ausführungsbeispielen jeweils mindestens 40 % oder 60 % und/oder höchstens 70 % oder 50 % oder 30 % der Dicke der Zersetzungsstoppschicht 50.
Demgegenüber ist in 6 kein Zwischenbereich vorhanden. Die Zersetzungsstoppschicht 50 beginnt direkt an der Elektronenbarriereschicht 56 mit einem relativ geringen Aluminiumgehalt C. Ausgehend von der Elektronenbarriereschicht 56 steigt der Aluminiumgehalt C in der Zersetzungsstoppschicht 50 kontinuierlich oder, anders als dargestellt, auch stufenförmig langsam an. Jedoch wird bevorzugt der Aluminiumgehalt C der Elektronenbarriereschicht 56 in der Zersetzungsstoppschicht 50 nicht erreicht. Ein Anstieg des Aluminiumgehalts C beträgt zum Beispiel mindestens 0,5 Prozentpunkte pro 10 nm und/oder höchstens 3 Prozentpunkte pro 10 nm.
In 7 ist dargestellt, dass direkt zwischen der Zersetzungsstoppschicht 50 und der Kontaktschicht 58 ein Übergangsbereich 53 vorhanden ist. In dem Übergangsbereich 53 nimmt der Aluminiumgehalt C graduell ab, wobei alternativ abweichend von der Darstellung auch eine stufenförmige Abnahme möglich ist. Dabei erfolgt die Abnahme gemäß 7A linear und gemäß 7B sinusoidal.
Ein solcher Übergangsbereich 53 kann auch bei den Zersetzungsstoppschichten 50 der 2 bis 6 vorhanden sein. Ist ein solcher Übergangsbereich 53 in den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 vorhanden, so ist dies bevorzugt lediglich für die sich am nächsten an der Kontaktschicht 58 befindlichen ersten Teilschicht 51 der Fall oder, weniger bevorzugt, auch bei allen ersten Teilschichten 51.
Bei der Abwandlung 10 gemäß 8 ist keine Zersetzungsstoppschicht vorhanden. Damit können nicht gezeichnete Schäden von der Kontaktmetallisierung 8 ausgehend bis hin zur Elektronenbarriereschicht 56 und aufgrund der geringen Dicke der Elektronenbarriereschicht 56 auch bis in die nahegelegene aktive Zone 4 propagieren. Somit besteht bei der Abwandlung 10 der 8 ein erhöhtes Zerstörungsrisiko und/oder eine verkürzte Lebensdauer.
In 9 ist eine FIB-Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Halbleiterchips 1 illustriert. FIB steht hierbei für Focused Ion Beam oder Fokussierter Ionenstrahl.
In der rechten Bildhälfte der 9 ist zu sehen, dass ausgehend von der Kontaktmetallisierung 8 ein Schaden 54 hin zur aktiven Zone 4 propagiert. Dieser Schaden 54 tritt zufällig lokal an der Kontaktmetallisierung 8 auf. Wie in 9 zu erkennen ist, endet eine Propagation des Schadens 54 an der Zersetzungsstoppschicht 50.
Bei der alternativen Gestaltung der 10 ist zwischen der Elektronenbarriereschicht 56 und der Kontaktschicht 58 ein breiter Bereich mit einem relativ geringen, konstanten Aluminiumgehalt C von höchstens 10²⁰ 1/cm³ vorhanden.
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: Optoelektronischer Halbleiterchip
2: n-leitender n-Bereich
4: aktive Zone
5: p-leitender p-Bereich
50: Zersetzungsstoppschicht
51: erste Teilschichten aus AlGaN
52: zweite Teilschichten aus GaN
53: Übergangsbereich
54: Schaden
55: Abstandsschicht
56: Elektronenbarriereschicht
58: Kontaktschicht
59: Zwischenbereich
7: Träger
8: Kontaktmetallisierung
81: Metallschicht
82: TCO-Schicht
9: Anschlussfläche
10: Abwandlung
C: Aluminiumgehalt in Prozent
G: Wachstumsrichtung

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer Halbleiterschichtenfolge aus AlInGaN, wobei – die Halbleiterschichtenfolge einen n-leitenden n-Bereich (2), einen p-leitenden p-Bereich (5) und eine dazwischenliegende aktive Zone (4) mit mindestens einem Quantentrog zur Erzeugung einer Strahlung umfasst, – der p-Bereich (5) eine Elektronenbarriereschicht (56), eine Kontaktschicht (58) und eine dazwischenliegende Zersetzungsstoppschicht (50) umfasst, – die Kontaktschicht (58) direkt an eine Kontaktmetallisierung (8) grenzt, – in der Zersetzungsstoppschicht (50) stellenweise ein Aluminiumgehalt (C) von mindestens 5 % und höchstens 30 % vorliegt, und – der Aluminiumgehalt (C) in der Zersetzungsstoppschicht (50) variiert ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Aluminiumgehalt (C) in der Zersetzungsstoppschicht (50) in Richtung hin zur Kontaktschicht (58) im Mittel zunimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zersetzungsstoppschicht (50) mehrere erste Teilschichten (51) aus AlGaN und mehrere zweite Teilschichten (52) aus GaN aufweist, die einander abwechseln.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem innerhalb der ersten Teilschichten (51) der Aluminiumgehalt (C) konstant ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 3, bei dem innerhalb der ersten Teilschichten (51) der Aluminiumgehalt (C) variiert ist und mindestens bereichsweise in Richtung hin zur Kontaktschicht (58) zunimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Aluminiumgehalt (C) in der Zersetzungsstoppschicht (50) über mehrere der ersten Teilschichten (51) hinweg gesehen in Richtung hin zur Kontaktschicht (58) zunimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem alle ersten Teilschichten (51) gleich gestaltet sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem mindestens drei und höchstens acht der ersten Teilschichten (51) vorhanden sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 2, bei dem der Aluminiumgehalt (C) in der Zersetzungsstoppschicht (50) in Richtung hin zur Kontaktschicht (58) monoton oder streng monoton zunimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Zersetzungsstoppschicht (50) der Aluminiumgehalt (C) in einem Übergangsbereich (53) in Richtung hin zur Kontaktschicht (58) stellenweise graduell oder stufenförmig abnimmt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Zwischenbereich (59) zwischen der Elektronenbarriereschicht (56) und der Zersetzungsstoppschicht (50) eine Dicke zwischen einschließlich 2 nm und 15 nm liegt, wobei der Zwischenbereich (59) frei von Aluminium ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke der Zersetzungsstoppschicht (50) insgesamt zwischen einschließlich 30 nm und 120 nm liegt, sodass die aktive Zone (4) in Resonanz mit der Kontaktmetallisierung (8) betreibbar ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktmetallisierung (8) mit einem Gewichtsanteil von mindestens 10^–7 Gold umfasst und im Übrigen eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist oder hieraus besteht: Ag, Al, ITO, Pt, ZnO.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Zone (4) zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge (L) maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 405 nm eingerichtet ist, wobei es sich bei der Strahlung um inkohärente Strahlung handelt und der Halbleiterchip (1) eine Leuchtdiode ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktschicht (58) aus GaN ist, eine Dicke zwischen einschließlich 3 nm und 25 nm aufweist und mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1 × 10²⁰ 1/cm³ und 1 × 10²¹ 1/cm³ mit Magnesium dotiert ist.