DE102016208717A1 - Bauelement mit erhöhter Effizienz und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements - Google Patents

Bauelement mit erhöhter Effizienz und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements Download PDF

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Abstract

Es wird ein Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3), wobei – im Bereich der aktiven Zone (3) seitens der p-leitenden Halbleiterschicht (1) Vertiefungen (4) gebildet sind, die jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen, wobei sich die p-leitende Halbleiterschicht (1) in die Vertiefungen (4) hinein erstreckt, – das Bauelement eine Barrierestruktur (5) aufweist, wobei die aktive Zone (3) zwischen der Barrierestruktur (5) und der n-leitenden Halbleiterschicht (2) angeordnet ist, und – das Bauelement (10) hinsichtlich der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und der Barrierestruktur (5) derart ausgeführt ist, dass im Betrieb des Bauelements (10) eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (30) in die aktive Zone (3) gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) in die aktive Zone (3) begünstigt ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements angegeben.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Bauelement mit gleichmäßiger Stromeinprägung und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
  • Bei optoelektronischen Bauelementen, die auf einem Halbleitermaterial basieren und eine aktive Zone insbesondere mit einer Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen, zeigt sich das Problem, dass Ladungsträger in der aktiven Zone nicht gleichmäßig über die gesamte aktive Zone verteilt sind, wodurch Effizienzverluste solcher optoelektronischer Bauelemente auftreten.
  • Eine Aufgabe ist es, ein Bauelement mit erhöhter Effizienz anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines Bauelements anzugeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Bauelements weist dieses eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf. Die aktive Zone ist insbesondere zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Zum Beispiel weist die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von Quantenbarriereschichten und dazwischenliegenden Quantentopfschichten auf. Die aktive Zone ist zwischen einer p-Seite und einer n-Seite des Bauelements, etwa zwischen einer p-leitenden Halbleiterschicht und einer n-leitenden Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolge basiert insbesondere auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Es ist auch möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge auf einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Zum Beispiel ist das Bauelement ein optoelektronisches Bauelement, etwa eine Licht emittierende Diode (LED).
  • Zur Erzielung hoher Effizienz des Bauelements ist es wünschenswert, positiv geladene Ladungsträger (Löcher) von der p-Seite und negative geladene Ladungsträger (Elektronen) von der n-Seite möglichst homogen in die aktive Zone einzuprägen. Auch ist es besonders wünschenswert, ein Gleichgewicht, etwa im Hinblick auf die Ladungsträgerdichte, zwischen den vergleichsweise schlechter beweglichen Löchern und den besser beweglichen Elektronen in den Quantenfilmen der aktiven Zone zu realisieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist im Bereich der aktiven Zone seitens der p-leitenden Halbleiterschicht zumindest eine oder eine Mehrzahl von Vertiefungen gebildet. In Richtung von der p-Seite zur n-Seite des Bauelements hin weist die Vertiefung insbesondere einen kleiner werdenden Querschnitt auf. In Schnittansicht ist die Vertiefung etwa V-förmig ausgestaltet. Zum Beispiel weist die Vertiefung die Form einer inversen Pyramide, beispielsweise mit hexagonalem Querschnitt und etwa sechs Facetten, einer inversen Stumpfpyramide, eines inversen Kegels oder eines Stumpfkegels auf. Die Vertiefung oder die Mehrzahl von Vertiefungen kann durch einen oder eine Mehrzahl von V-Defekten (englisch: V-Pits) gebildet sein. Ein solcher V-Defekt in der Halbleiterschichtenfolge kann durch Einstellen von geeigneten Wachstumsparametern wie Wachstumsrate bei einem Epitaxieprozess, Temperatur oder Druck in einem Epitaxie-Reaktor und/oder Art sowie Konzentration der Dotierung und/oder Materialzusammensetzung etwa hinsichtlich des III-V- oder II-VI-Materialverhältnisses in den einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge erzeugt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die Vertiefung eine Mantelfläche etwa in Form von Facetten auf, die insbesondere Innenwände der Vertiefung bilden. Die Facetten sind zueinander etwa schräg angeordnet. Zwei benachbarte Facetten können also zueinander abgewinkelt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass benachbarte Facetten zumindest teilweise oder gar ganz stetig ineinander übergehen, sodass die Facetten insgesamt eine im Wesentlichen stetig differenzierbare Innenfläche der Vertiefung bilden, etwa wenn die Vertiefung die Form eines inversen Kegels oder eines Stumpfkegels hat.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die aktive Zone eine Hauptfläche auf, die im Wesentlichen parallel zu einer c-Fläche der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Insbesondere ist die Hauptfläche der aktiven Zone eine c-Fläche. Als c-Fläche, also (0001)-Fläche, wird eine Kristallfläche mit einer c-Richtung, also mit einer <0001>-Kristallorientierung, bezeichnet. Unter einer Hauptfläche einer Schicht wird allgemein eine Haupterstreckungsfläche der Schicht verstanden, wobei die Hauptfläche die korrespondierende Schicht in einer vertikalen Richtung zumindest teilweise abschließt. Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere senkrecht zu der Hauptfläche der aktiven Zone bzw. der Halbleiterschichtenfolge gerichtet ist. Insbesondere ist die vertikale Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der etwa epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge des Bauelements. Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere parallel zu der Hauptfläche der aktiven Zone bzw. der Halbleiterschichtenfolge verläuft.
  • Zum Beispiel kann die Halbleiterschichtenfolge auf eine Hauptfläche eines Substrats, etwa eines Aufwachssubstrats epitaktisch aufgebracht sein. Das Substrat kann ein Saphirsubstrat sein. Bevorzugt ist die Hauptfläche des Saphirsubstrats im Wesentlichen eine c-Fläche. Werden Schichten der Halbleiterschichtenfolge auf die Hauptfläche des Substrats epitaktisch abgeschieden, weisen die jeweiligen Schichten der Halbleiterschichtenfolge in der Regel entsprechend eine <0001>-Orientierung auf. Die Schichten der Halbleiterschichtenfolge können somit eine c-Fläche, also eine (0001)-Fläche, als Hauptfläche aufweisen. Zum Beispiel ist die Hauptfläche der aktiven Zone eine c-Fläche. Bevorzugt ist die Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge senkrecht zu der Hauptfläche des Substrats beziehungsweise zu der c-Fläche gerichtet. Somit ist die Wachstumsrichtung insbesondere parallel zu der c-Richtung, also zu der <0001>-Kristallorientierung der Halbleiterschichtenfolge. Auch kann das Substrat aus Si oder SiC oder Glas gebildet sein. In diesem Fall kann die Hauptfläche des Substrats verschieden von einer c-Fläche sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Barrierestruktur auf. Insbesondere ist die Barrierestruktur auf einer der n-leitenden Halbleiterschicht abgewandten Hauptfläche der aktiven Zone, also auf der p-Seite der aktiven Zone angeordnet. Die Barrierestruktur verläuft bevorzugt zumindest bereichsweise konform zu den Facetten der Vertiefung bzw. Vertiefungen. Die Barrierestruktur kann eine Mehrzahl von alternierend angeordneten ersten Schichten und zweiten Schichten aufweisen. Die Materialien der ersten und zweiten Schichten sind hinsichtlich deren Bandlückenstruktur derart ausgewählt, dass die Barrierestruktur insbesondere als Barriere für Ladungsträger ausgebildet ist. Insbesondere weist die Barrierestruktur eine Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und GaN-Schichten oder AlGaN- und InGaN-Schichten auf. Die Barrierestruktur kann als Teil der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist die Barrierestruktur derart ausgeführt, dass die Barrierestruktur einen Durchgang negativ und/oder positiv geladener Ladungsträger durch die Barrierestruktur hindurch verhindert oder zumindest erschwert. Es ist möglich, dass die Barrierestruktur etwa durch geeignete Dotierung oder durch Variierung der Schichtdicke derart ausgeführt ist, dass die Barrierestruktur in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen, das heißt etwa auf der Hauptfläche der aktiven Zone, nicht nur als Elektronenbarriere sondern auch als Löcherbarriere wirkt. In den Bereichen der Vertiefungen, das heißt etwa auf den Facetten der Vertiefungen, ist die Barrierestruktur insbesondere hinsichtlich deren Materialzusammmensetzung und/oder Dotierung und/oder Schichtdicke bevorzugt derart ausgebildet, dass die Löcher durch die Barrierestruktur hindurch zur aktiven Zone injizierbar sind. Durch eine derartige Ausgestaltung der Barrierestruktur wird die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche der aktiven Zone und somit über die c-Fläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw. blockiert, sodass sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen konzentriert, wodurch die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt ist.
  • In mindestens einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Halbleiterschichtenfolge mit einer p-leitenden Halbleiterschicht, einer n-leitenden Halbleiterschicht und einer dazwischenliegenden aktiven Zone auf. Im Bereich der aktiven Zone seitens der p-leitenden Halbleiterschicht sind Vertiefungen gebildet, die jeweils zu einer Hauptfläche der aktiven Zone schräg verlaufende Facetten aufweisen. Die p-leitende Halbleiterschicht erstreckt sich in die Vertiefungen hinein. Das Bauelement weist eine insbesondere auf der der p-leitenden Halbleiterschicht zugewandten Hauptfläche der aktiven Zone angeordnete Barrierestruktur auf. Die aktive Zone ist somit zwischen der Barrierestruktur und der n-leitenden Halbleiterschicht angeordnet. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Ladungsträger in der aktiven Zone ist das Bauelement hinsichtlich der p-leitenden Halbleiterschicht und der Barrierestruktur derart ausgeführt, dass im Betrieb des Bauelements eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt ist.
  • Anhand der Vertiefungen können die Löcher aus der p-leitenden Halbleiterschicht über die etwa schräg ausgebildeten Facetten der Vertiefungen in verschiedene Bereiche der aktiven Zone, insbesondere in verschiedene in der vertikalen Richtung übereinander angeordneten Quantentopfschichten effektiv injiziert werden, wodurch die vergleichsweise ferner von der p-leitenden Halbleiterschicht angeordneten Quantentopfschichten besser bestromt werden, da die Löcher zuvor etwa nicht durch die näher an der p-leitenden Halbleiterschicht angeordneten Quantentopfschichten bzw. Quantenbarriereschichten hindurch injiziert werden müssen.
  • Wird jedoch ein signifikanter Anteil der Löcher weiterhin außerhalb der Vertiefungen über die Hauptfläche der aktiven Zone, das heißt über die c-Fläche, in die aktive Zone eingeprägt, kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der Löcher über alle Quantentopfschichten der aktiven Zone nur schwer erzielt werden, da die Durchtrittswahrscheinlichkeit der über die Hauptfläche injizierten Löcher mit zunehmender Eindringtiefe in die aktiven Zone, das heißt mit wachsender Anzahl der Quantenbarriereschichten in der aktiven Zone, stark abnimmt. Wird die Injektion der Löcher über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw. blockiert, können die in der aktiven Zone gelangten Löcher im Wesentlichen ausschließlich über die Facetten der Vertiefungen in verschiedene Quantentopfschichten der aktiven Zone injiziert werden. Der Stromfluss in die aktive Zone wird daher in den Bereichen auf der c-Fläche gezielt verringert. Vielmehr konzentriert sich der Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen. Somit kann erzielt werden, dass die Dichte der Löcher über alle Quantentopfschichten, das heißt in der gesamten aktiven Zone, im Wesentlichen gleich bleibt. Aufgrund der gezielten Verhinderung bzw. Blockierung eines Durchtritts der Löcher über die Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone wird die Wahrscheinlichkeit der Injektion positiv geladener Ladungsträger in die n-seitige, ferner von der p-leitenden Halbleiterschicht angeordnete Quantentopfschichten erhöht, sodass die Ladungsträgerdichte hinsichtlich der Löcher in dem von der p-Seite beabstandeten Bereich der aktiven Zone gesteigert ist, wodurch die Verteilung der Löcher in der aktiven Zone besonders homogen, nämlich insbesondere entlang der vertikalen Richtung, gestaltet ist und die Effizienz des Bauelements dadurch erhöht wird. Bei einer derartigen Gestaltung des Bauelements findet somit eine Homogenisierung der Ladungsträger zumindest in der lateralen Richtung statt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist dieses aufgrund der Anordnung und/oder der Beschaffenheit der p-leitenden Halbleiterschicht und/oder der Barrierestruktur derart ausgeführt, dass mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % der zur aktiven Zone gelangten positiv geladenen Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone injizierbar sind. Beispielsweise kann die Injektion der Löcher über die Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone gezielt erschwert oder blockiert werden, wenn die Barrierestruktur in den Bereichen auf der Hauptfläche eine erhöhte Schichtdicke und/oder eine verschiedene Dotierkonzentration und/oder einen verschiedenen Metallgehalt aufweist als in den Bereichen auf den Facetten der Vertiefungen. Alternativ oder ergänzend können die p-leitende Halbleiterschicht relativ zu der Barrierestruktur und/oder zu der Barrierestruktur derart strukturiert sein, dass ein Durchgang der Löcher über die Hauptfläche der aktiven Zone im Vergleich zu einem Durchgang der Löcher über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone erschwert ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die p-leitende Halbleiterschicht derart strukturiert, dass die Hauptfläche der aktiven Zone in Draufsicht zumindest bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist. Die Barrierestruktur ist innerhalb der Vertiefungen etwa zwischen der p-leitenden Schicht und der aktiven Zone angeordnet. Außerhalb der Vertiefungen ist die Barrierestruktur in Draufsicht insbesondere zumindest bereichsweise frei und bevorzugt ganz frei von der p-leitenden Schicht. Die Barrierestruktur kann dabei als reine Elektronenbarriere ausgebildet sein.
  • Insbesondere kann die p-leitende Halbleiterschicht ausschließlich in den Vertiefungen angeordnet sein. Bevorzugt ist die p-leitende Halbleiterschicht derart ausgebildet, dass diese die Barrierestruktur lediglich in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen bedeckt und die Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist. In Draufsicht kann die Barrierestruktur die aktive Zone vollständig, also auch in den Bereichen der Vertiefungen, bedecken. Da die p-leitende Halbleiterschicht an die Barrierestruktur insbesondere ausschließlich in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen angrenzt und die Barrierestruktur weiterhin an die aktive Zone angrenzt, können die Löcher aus der p-leitenden Halbleiterschicht zum großen Teil oder im Wesentlichen ausschließlich über die Facetten in die aktive Zone injiziert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die p-leitende Halbleiterschicht derart strukturiert, dass diese eine Mehrzahl von Inseln aufweist, wobei die Inseln in lateralen Richtungen voneinander beabstandet sind. Die p-leitende Halbleiterschicht ist in diesem Fall nicht zusammenhängend ausgebildet. In Draufsicht können die Inseln jeweils eine oder mehrere Vertiefungen bedecken. Es ist möglich, dass die Inseln jeweils genau eine Vertiefung bedecken. Die p-leitende Halbleiterschicht kann ausschließlich in den Vertiefungen ausgebildet sein. Da die Hauptfläche der aktiven Zone in diesem Fall frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist, ist eine Injektion positiv geladener Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt besonders erschwert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Kontaktschicht auf, die insbesondere bereichsweise an die p-leitende Schicht und bereichsweise an die Barrierestruktur angrenzt. Die Kontaktschicht ist etwa für die Kontaktierung der p-leitenden Halbleiterschicht eingerichtet. Bevorzugt sind die Kontaktschicht, die p-leitende Halbleiterschicht und die Barrierestruktur hinsichtlich ihrer Materialauswahl derart ausgeführt, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht und der p-leitenden Halbleiterschicht geringer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht und der Barrierestruktur. Mittels der Kontaktschicht können die voneinander lateral beanstandeten Inseln der p-leitenden Halbleiterschicht miteinander elektrisch verbunden werden. Aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands werden positiv geladene Ladungsträger weiterhin bevorzugt über die p-leitende Halbleiterschicht und die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone eingeprägt. Die Kontaktschicht kann aus einem transparenten elektrisch leitfähigen Oxid (TCO) ausgebildet sein. Im Betrieb des Bauelements kann elektromagnetische Strahlung durch die Kontaktschicht hindurch abgestrahlt werden. Zur elektrischen Kontaktierung der n-leitenden Halbleiterschicht kann das Bauelement eine weitere Kontaktschicht aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements bedeckt die Barrierestruktur in Draufsicht die Hauptfläche der aktiven Zone und ist derart ausgebildet, dass die Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen als Löcherbarriere wirkt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Barrierestruktur gleichzeitig als Elektronenbarriere wirkt. Die Barrierestruktur ist zweckmäßigerweise zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht und der aktiven Zone angeordnet.
  • Insbesondere weist die Barrierestruktur innerhalb der Vertiefungen, etwa in den Bereichen auf den Facetten, eine erste Schichtdicke und außerhalb der Vertiefungen, das heißt in Bereichen auf der Hauptfläche der aktiven Zone, eine zweite Schichtdicke auf. Die erste und zweite Schichtdicke sind insbesondere derart eingerichtet, dass die positiv geladenen Ladungsträger in den Bereichen der Vertiefungen die Barrierestruktur durchdringen, insbesondere durchtunneln können und außerhalb der Vertiefungen von der Barrierestruktur blockiert werden. Zum Beispiel ist die erste Schichtdicke mindestens dreimal, bevorzugt mindestens fünfmal, besonders bevorzugt mindestens zehnmal kleiner als die zweite Schichtdicke.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die aktive Zone aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet. Zum Beispiel weist die aktive Zone eine Mehrzahl von alternierend übereinander angeordneten GaN- und InGaN-Schichten auf. Zur Ausbildung einer Löcherbarriere kann die Barrierestruktur zumindest bereichsweise mit Silizium dotiert sein. Bevorzugt ist die Barrierestruktur aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden auf AlGaN und GaN oder auf AlGaN und InGaN basierten Halbleiterschichten gebildet.
  • In mindestens einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines oder einer Mehrzahl von Bauelementen jeweils mit einer Halbleiterschichtenfolge aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht, eine n-leitende Halbleiterschicht und eine dazwischenliegende aktive Zone wird ein Aufwachssubstrat bereitgestellt. Eine Übergangsschicht wird auf das Aufwachssubstrat aufgebracht, wobei Kristalldefekte in der Übergangsschicht zur Ausbildung von Vertiefungen in der Halbleiterschichtenfolge insbesondere durch Variieren von Wachstumsparametern ausgebildet werden. Die Halbleiterschichtenfolge wird auf die Übergangsschicht derart aufgebracht, dass sich die Vertiefungen von der Übergangsschicht zumindest über die n-leitende Halbleiterschicht und die gesamte aktive Zone fortsetzen, sodass die Vertiefungen jeweils zu einer Hauptfläche der aktiven Zone schräg verlaufende Facetten aufweisen. Es wird auf der aktiven Zone eine Barrierestruktur ausgebildet. Die p-leitende Halbleiterschicht und/oder die Barrierestruktur werden derart ausgebildet, dass im Betrieb des Bauelements eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone gezielt erschwert wird, sodass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachsubstrat epitaktisch aufgewachsen, etwa durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) bzw. metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD). Insbesondere werden die Vertiefungen als V-Pits bzw. als V-Defekte in der Übergangsschicht, in der aktiven Zone und in der Barrierestruktur erzeugt. Die Struktur der zunächst in der Übergangsschicht ausgebildeten Vertiefungen setzt sich insbesondere in die Halbleiterschichtenfolge, etwa in die aktive Zone und in die Barrierestruktur, fort.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Übergangsschicht insbesondere unmittelbar eine Hauptfläche des Aufwachssubtrats aufgebracht. Das Aufwachssubstrat ist bevorzugt ein Saphirsubstrat insbesondere mit einer c-Fläche als Hauptfläche. Die Übergangsschicht und die darauf aufgewachsenen Schichten, etwa die Schichten der aktiven Zone, weisen somit in der Regel jeweils eine c-Fläche als Hauptfläche auf. Die Vertiefungen sind jeweils etwa von sechs oder zwölf Facetten begrenzt, die durch nichtpolare oder semipolare Flächen gebildet sind. Die Facetten der Vertiefungen werden hierbei in der Regel mit Material der Schichten der Halbleiterschichtenfolge bzw. der Barrierestruktur bedeckt. Solche Facetten haben in der Regel eine <1–101>- oder <11–22>-Orientierung und sind somit durch (1–101)-Kristallfläche oder (11–22)-Kristallfläche gebildet.
  • Durch gezielte Anpassung von Wachstumsbedingungen kann eine wesentlich geringere Schichtdicke auf den Facetten als auf der Hauptfläche, nämlich auf der c-Fläche, erzielt werden. Wird die Barrierestruktur dotiert, etwa p-dotiert, werden in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen aufgrund der Polarität der Facetten und geringerer Wachstumsrate auf den Facetten weniger Fremdatome in die Barrierestruktur eingebettet. Mittels eines Epitaxieverfahrens, bei dem Vertiefungen in der Übergangsschicht gezielt erzeugt werden, können die Schichten der Halbleiterschichtenfolge bzw. der Barrierestruktur derart ausgebildet werden, dass die Schichtdicke dieser Schichten auf den Facetten, das heißt in den Bereichen der Vertiefungen, deutlich geringer ausgebildet werden als auf der jeweiligen Hauptfläche außerhalb der Vertiefungen, das heißt auf der c-Fläche. Dies führt zu dem technischen Effekt, dass Löcher über die Facetten der Vertiefungen effizienter in die aktive Zone injiziert werden können als über die Hauptfläche der aktiven Zone. Wird die Barrierestruktur, die etwa eine Mehrzahl von alternierend übereinander angeordneten, zum Beispiel auf GaN und AlGaN basierten Schichten enthält, zusätzlich mit Si dotiert, wirkt die Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen auf der c-Fläche als Löcherbarriere. Aufgrund geringerer Schichtdicke und/oder geringerer Dotierstoffkonzentration der Barrierestruktur innerhalb der Vertiefungen kann die Barrierestruktur weiterhin derart ausgestaltet sein, dass Löcher die Barrierestruktur in den Bereichen der Vertiefungen durchdringen und vereinfacht über die Facetten zur aktiven Zone gelangen können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die p-leitende Halbleiterschicht auf die Barrierestruktur derart aufgebracht, dass die p-leitende Halbleiterschicht in Draufsicht die Barrierestruktur bedeckt insbesondere vollständig bedeckt und dabei die Vertiefungen auffüllt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann das Material der p-leitenden Halbleiterschicht zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen abgetragen werden. Insbesondere wird die p-leitende Halbleiterschicht teilweise selektiv geätzt. Der Ätzprozess kann außerhalb des Epitaxiereaktors, das heißt ex situ, vereinfacht durchgeführt werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Barrierestruktur aluminiumhaltig ausgebildet. Insbesondere weist die Barrierestruktur zumindest eine oder eine Mehrzahl von auf AlGaN basierten Schichten mit dazwischen angeordneten auf GaN basierten Schichten auf. Die auf GaN basierten Schichten können außerdem einen geringen Anteil an Indium oder einen geringen Aluminiumgehalt aufweisen. Die Barrierestruktur ist zur Bildung der Löcherbarriere bevorzugt mit Si dotiert. Bei der Ätzung der p-leitenden Halbleiterschicht zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur kann die aluminiumhaltige Barrierestruktur als Ätzstoppschicht dienen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Barrierestruktur nach der aktiven Zone und vor der p-leitenden Halbleiterschicht ausgebildet, wobei die Barrierestruktur im Bereich der Vertiefungen eine verringerte Schichtdicke aufweist und zur Bildung einer Löcherbarriereschicht mit Si derart selektiv dotiert wird, dass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche in die aktive Zone gegenüber einer Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone erschwert wird. Dabei können sowohl die p-leitende Halbleiterschicht als auch die Barrierestruktur bereichsweise in den Vertiefungen angeordnet sein. Außerhalb und/oder innerhalb der Vertiefungen kann die Barrierestruktur komplett von der p-leitenden Halbleiterschicht bedeckt sein. Es ist möglich, dass die Barrierestruktur in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen, das heißt etwa auf der Hauptfläche der aktiven Zone bzw. auf der c-Fläche, bereichsweise frei oder komplett frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist.
  • Das oben beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines hier beschriebenen Bauelements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem Bauelement beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
  • Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 2 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Bauelement, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Bauelement.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt werden.
  • In 1 ist ein Bauelement 10 dargestellt, das einen Träger 8 aufweist, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 20 angeordnet ist. Der Träger 8 kann ein Aufwachssubstrat sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 20 zum Beispiel epitaktisch aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 20 weist eine aktive Zone 3 auf, die zwischen einer ersten, etwa p-leitenden Halbleiterschicht 1, und einer zweiten, etwa n-leitenden Halbleiterschicht 2, angeordnet ist. Insbesondere ist die aktive Zone 3 im Betrieb des Bauelements 10 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet.
  • Die aktive Zone 3 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von alternierend angeordneten Quantentopfschichten 31 und Quantenbarriereschichten 32 auf. Die Anzahl der Quantentopfschichten 31 beträgt mindestens 3 oder mindestens 5 und ist beispielsweise zwischen einschließlich 3 und 20, etwa zwischen einschließlich 3 und 15, etwa 9. Die Quantentopfschichten 31 und die Quantenbarriereschichten 32 können auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, etwa auf InGaN beziehungsweise auf GaN basiert sein. Im Betrieb des Bauelements 10 werden positiv geladene Ladungsträger, nämlich Löcher aus der ersten Halbleiterschicht 1, und negativ geladene Ladungsträger, nämlich Elektronen aus Richtung der zweiten Halbleiterschicht 2, in die aktive Zone 3 etwa zur Strahlungserzeugung eingeprägt.
  • Zwischen dem Träger 8 und der Halbleiterschichtenfolge 20 ist eine Übergangsschicht 6 angeordnet. Insbesondere weist die Übergangsschicht 6 eine erste undotierte Teilschicht 61, etwa eine undotierte GaN-Teilschicht auf. Des Weiteren kann die Übergangsschicht 6 eine zweite n-dotierte Teilschicht 62 und eine dritte n-dotierte Teilschicht 63 aufweisen, die jeweils eine mit Si dotierte GaN-Schicht sein können. Die Dotierkonzentration der Teilschichten 62 und 63 beträgt zum Beispiel ca. 1,2·1019 cm–3. Die undotierte Teilschicht 61 ist zwischen dem Träger 8 und der n-dotierten Teilschicht 62 angeordnet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die undotierte Teilschicht 61 eine geringe Menge an Dotierstoffen enthalten, die etwa aus den benachbarten dotierten Schichten in die undotierte Teilschicht 61 eindiffundieren. Die undotierte Teilschicht 61 kann somit eine geringe Konzentration an Dotierstoffen enthalten, wobei die Teilschicht 61 insbesondere nicht absichtlich dotiert wird.
  • Der Träger 8 ist insbesondere ein Aufwachssubstrat, das eine Hauptfläche 80 aufweist. Im Fall eines Saphirsubstrats kann die Hauptfläche 80 eine c-Fläche, das heißt eine (0001)-Kristallfläche sein Der Träger 8 weist insbesondere Erhebungen 82 auf der Hauptfläche 80 auf. Die Mantelflächen 81 der Erhebungen 82 können von der <0001>-Kristallorientierung abweichen und unterscheiden sich daher insbesondere von der c-Fläche. Der Träger 8 weist eine vertikale Schichtdicke auf, die einige Hundert Mikrometer dick sein kann. Zum Beispiel beträgt die Schichtdicke des Trägers 8 ca. 1 mm. Die Erhebungen 82 können jeweils eine vertikale Höhe von einigen Mikrometern aufweisen, insbesondere zwischen einschließlich 1 und 5 Mikrometern, etwa 1,6 Mikrometer.
  • Die undotierte Teilschicht 61 der Übergangsschicht 6 wird bevorzugt unmittelbar auf die Hauptfläche 80 des Trägers 8 etwa mittels eines Epitaxie-Verfahrens aufgebracht. Die undotierte Teilschicht 61 kann eine vertikale Höhe von einigen Mikrometern, etwa ca. 4 Mikrometern aufweisen. Die n-dotierten Teilschichten 62 und 63 der Übergangsschicht 6 werden bevorzugt unmittelbar auf der undotierten Teilschicht 61 ausgebildet. Die undotierte Teilschicht 61 wird ausgebildet, um insbesondere Halbleitermaterial über möglichen Unebenheiten auf der Hauptfläche 80 des Trägers 8 zu koalisieren. Die erste undotierte Teilschicht 61 und die zweite n-dotierte Teilschicht 62 bilden etwa eine Pufferschicht. Die dritte Teilschicht 63 kann eine gleiche oder höhere Konzentration an Dotierstoffen aufweisen als die zweite Teilschicht 62. Es ist möglich, dass die n-dotierten Teilschichten 62 und 63 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt ausgebildet werden.
  • Aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten können jedoch mechanische Spannungen im Halbleitermaterial entstehen, die etwa zu Kristalldefekten wie zum Beispiel Versetzungen führen. Ein Typ von Versetzungen im Halbleitermaterial sind Fadenversetzungen (englisch: threading dislocations), von denen ein Teil in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten propagiert und somit im Wesentlichen senkrecht zum Träger 8 verlaufen kann. Dieser Effekt wird gezielt genutzt, um Vertiefungen 4 etwa in Form von V-Pits oder V-Defekten in der Übergangsschicht 6, insbesondere in der n-dotierten Teilschicht 63, zu erzeugen, etwa durch Einstellen von geeigneten Wachstumsparametern wie Wachstumsrate, Temperatur oder Druck und/oder durch Einstellen der Art sowie Konzentration der Dotierung und/oder der Materialzusammensetzung etwa hinsichtlich Materialverhältnisses des Halbleitermaterials. Zum Beispiel können die Temperatur, der Anteil an H2 und/oder der NH3-Flussrate im Epitaxie-Reaktor entsprechend eingestellt bzw. variiert werden. Die gebildeten Vertiefungen 4 weisen in der Regel Facetten 41 auf, die sich von der c-Fläche unterscheiden. Insbesondere weisen die Facetten 41 eine <1–10x>- oder <11–2y>-Orientierung mit {x, y} = {1, 2, 3} auf. Solche Facetten sind somit (1–10x)-Kristallflächen beziehungsweise (11–2y)-Kristallflächen mit {x, y} = {1, 2, 3}. Wird die Übergangsschicht 6 auf den Träger 8 abgeschieden, welcher eine im Wesentlichen ebene Hauptfläche 80 und zusätzliche Erhebungen 82 aufweist, so können die Positionen der Vertiefungen 4 zum Teil durch die Erhebungen 82 festgelegt werden. In Draufsicht kann die Vertiefung 4 in lateralen Richtungen zwischen zwei benachbarten Erhebungen 82 ausgebildet sein. Abweichend von der 1 kann der Träger 8 jedoch frei von den Erhebungen 82 sein.
  • Bei einem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge 20 setzt sich die Struktur der Vertiefungen 4 von der Übergangsschicht 6 in die Halbleiterschichtenfolge 20 fort. Die aktive Zone 3 weist somit ebenfalls die Struktur der Vertiefungen 4 auf.
  • Insbesondere weist die aktive Zone 3 außerhalb der Vertiefungen 4 eine der Übergangsschicht 6 beziehungsweise dem Träger 8 abgewandte Hauptfläche 30 auf, die etwa eine c-Fläche ist. In den Bereichen der Vertiefungen 4 bedeckt die aktive Zone 3 die Facetten 41 insbesondere vollständig. Die Vertiefungen 4 weisen jeweils eine vertikale Tiefe auf. Insbesondere ist die Tiefe der Vertiefungen 4 zwischen einschließlich 100 nm und 1000 nm, insbesondere zwischen einschließlich 100 nm und 500 nm, etwa circa 200 nm oder circa 400 nm.
  • Das Bauelement 10 weist eine Barrierestruktur 5 auf. Die Barrierestruktur 5 weist eine Mehrzahl von alternierend aufeinander angeordneten ersten Schichten 51 und zweiten Schichten 52 auf. Die Anzahl der ersten Schichten 51 oder der zweiten Schichten 52 beträgt etwa mindestens zwei, insbesondere mindestens drei oder mindestens fünf. Zum Beispiel basieren die ersten Schichten 51 auf AlGaN oder bestehen aus diesem. Die zweiten Schichten 52 basieren etwa auf GaN oder bestehen aus diesem. Die zweiten Schichten 52 können einen geringen Anteil, etwa zwischen einschließlich 0,01 % und 10 % oder zwischen einschließlich 0,01 % und 3 %, oder zwischen einschließlich 0,1 % und 3 % an Indium aufweisen. Insbesondere grenzt die Barrierestruktur 5 unmittelbar an die aktive Zone 3 an. Die Barrierestruktur 5 kann mittels eines Epitaxie-Verfahrens auf der aktiven Zone 3 ausgebildet und kann somit Teil der Halbleiterschichtenfolge 20 sein. In der 1 verläuft die Barrierestruktur 5 mit den ersten Schichten 51 und den zweiten Schichten 52 bis auf Herstellungstoleranzen im Wesentlichen konform zu der Struktur der aktiven Zone 3. Die Barrierestruktur 5 weist somit ebenfalls Vertiefungen 4 auf. Außerhalb der Vertiefungen 4 kann die Barrierestruktur 5 eine c-Fläche als Hauptfläche aufweisen. In den Bereichen der Vertiefungen 4 weist die Barrierestruktur 5 analog zu der aktiven Zone 3 Facetten auf, deren Orientierung sich von der der c-Fläche unterscheidet.
  • Die Schichten auf den Facetten weisen aufgrund zur Hauptfläche und zu den Facetten einstellbar unterschiedlicher Wachstumsraten der jeweiligen Schichten der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 eine wesentlich geringere Schichtdicke auf. Mit anderen Worten weisen die entsprechenden Schichten in den Bereich der Vertiefungen 4 insgesamt eine deutlich geringere Schichtdicke auf als auf der Hauptfläche, nämlich auf der c-Fläche außerhalb der Vertiefungen 4. Im Zweifel ist die Schichtdicke hier etwa als mittlere Schichtdicke zu verstehen. Insbesondere kann die Schichtdicke der jeweiligen Schichten der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 auf den Facetten mindestens dreimal, etwa mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal kleiner sein als die Schichtdicke der korrespondierenden Schichten auf der Hauptfläche. Die Gesamtschichtdicke der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 ist auf den Facetten entsprechend kleiner als die auf der Hauptfläche.
  • Enthält die Barrierestruktur 5 ein Metall, etwa Aluminium, und/oder ist die Barrierestruktur 5 dotiert, können ein Metallanteil und/oder die Menge des Dotierstoffes in den Bereichen der Barrierestruktur 5 auf den Facetten innerhalb der Vertiefungen viel kleiner sein als in den Bereichen auf der Hauptfläche 30 außerhalb der Vertiefungen 4. Dadurch wird erzielt, dass positiv geladene Ladungsträger über die Facetten 41 der Vertiefungen 4 effizienter als über die Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 in die aktive Zone 3, insbesondere in verschiedene Quantentopfschichten 31, injiziert werden. Aufgrund verringerter Schichtdicke auf den Facetten ist zugleich keine Degradierung hinsichtlich des Ladungstransports über die Facetten in die aktive Zone 3 zu erwarten. Aufgrund der Vertiefungen 4 ist außerdem ein räumlicher Abstand der n-seitigen Quantentopfschichten 31 zu einem in den Vertiefungen 41 angeordneten Teilbereich der p-leitenden Halbleiterschicht 1 im Vergleich zu einem möglicherweise außerhalb der Vertiefungen 41 angeordneten weiteren Teilbereich der p-leitenden Halbleiterschicht 1 deutlich geringer.
  • Die Barrierestruktur 5 kann n-dotiert, p-dotiert oder bereichsweise n-dotiert und bereichsweise p-dotiert sein. Als reine Elektronenbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt p-dotiert, etwa mit Mg dotiert. Da die Barrierestruktur 5 auf der der n-leitenden Halbleiterschicht 2 abgewandten Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 angeordnet ist, wird ein Durchgang negativ geladener Ladungsträger von der aktiven Zone 3 zu der p-leitender Halbleiterschicht 1 erschwert bzw. verhindert. Als reine Löcherbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt n-dotiert, etwa mit Si dotiert. Aufgrund der unterschiedlichen Schichtdicken der Barrierestruktur 5 auf der Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 und auf den Facetten 41 der Vertiefungen 4 kann die Barrierestruktur 5 derart ausgestaltet sein, dass ein Durchgang der Löcher von der Barrierestruktur 5 über die Hauptfläche 30 in die aktive Zone blockiert bzw. erschwert ist, während die Löcher in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen 4 die Barrierestruktur 5 durchdringen und über die Facetten 41 in die aktive Zone 3 gelangen können. Als reine Löcherbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt frei von einer p-Dotierung, etwa frei von einer Mg-Dotierung. Es ist jedoch auch möglich, dass die Barrierestruktur 5 bereichsweise n-dotiert und bereichsweise p-dotiert und somit bereichsweise als Löcherbarriere und bereichsweise als Elektronenbarriere ausgebildet ist. Zum Beispiel sind einige der ersten Schichten 51 und der zweiten Schichten 52 der Barrierestruktur 5 p-dotiert, während weitere erste Schichten 51 und weitere zweite Schichten 52 der Barrierestruktur 5 n-dotiert sind. Die Barrierestruktur 5 wirkt in diesem Fall als Elektronenbarriere und zusätzlich in den Bereichen auf der Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 als Löcherbarriere, wobei die Löcher in den Bereichen der Vertiefungen 4 weiterhin über die Facetten 41 in die aktive Zone 3 injizierbar sind.
  • Entlang der lateralen Richtung kann die Barrierestruktur 5 somit variierende vertikale Schichtdicke und/oder variierende Dotierstoffkonzentration und/oder variierenden Metallgehalt, etwa Aluminiumgehalt aufweisen. Solche Eigenschaften der Barrierestruktur 5 können etwa mittels SIMS (Sekundärionen-Massenspektroskopie, englisch: Secondary Ion Mass Spectroscopy) und TEM (Transmissionselektronenmikroskopie, englisch: Transmission Electron Microscopy) am Bauelement nachgewiesen werden.
  • In der 1 ist die p-leitende Halbleiterschicht 1 ausschließlich in der Vertiefung 4 bzw. in den Vertiefungen 4 angeordnet. Die p-leitende Halbleiterschicht 1 kann dabei die Vertiefungen 4 vollständig auffüllen. Somit konzentriert sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen 4, wodurch die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten 41 der Vertiefungen 4 in die aktive Zone 3, insbesondere in verschiedene vertikal beanstandete Quantentopfschichten 31, besonders begünstigt ist. In den Vertiefungen 4 ist die Barrierestruktur 5 zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht 1 und der aktiven Zone angeordnet. Außerhalb der Vertiefungen 4 ist die Barrierestruktur 5 insbesondere frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterchicht 1. Eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Barrierestruktur 5 und über die Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 wird somit gezielt erschwert bzw. blockiert. Die Barrierestruktur 5 kann in diesem Fall sogar als reine Elektronenbarriere ausgebildet sein.
  • Zum Beispiel ist p-leitende Halbleiterschicht 1 derart ausgebildet, dass diese eine Mehrzahl von Inseln aufweist, wobei die Inseln in lateraler Richtung voneinander beabstandet sind. In Draufsicht können die Inseln der p-leitenden Halbleiterschicht 1 jeweils genau eine der Vertiefungen 4 bedecken. Abweichend davon ist es möglich, dass die Inseln der p-leitenden Halbleiterschicht 1 jeweils eine Mehrzahl der Vertiefungen 4 bedecken. In diesem Fall kann die Barrierestruktur 5 außerhalb der Vertiefungen 4 teilweise von der p-leitenden Halbleiterschicht 1 bedeckt sein, wobei es auch denkbar ist, dass mindestens 50 % einer Hauptfläche der Barrierestruktur 5 frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht 1 bleiben.
  • Die strukturierte p-leitende Halbleiterschicht 1 kann zunächst durch ein flächiges Aufbringen des entsprechenden Halbleitermaterials auf die Barrierestruktur 5 aufgebracht werden. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann die p-leitende Halbleiterschicht 1 etwa durch einen Ätzvorgang strukturiert werden, sodass die Barrierestruktur 5 teilweise freigelegt wird. Bevorzugt enthält die Barrierestruktur 5 eine oder eine Mehrzahl von aluminiumhaltigen Schichten, etwa AlGaN-Schichten, sodass die Barrierestruktur 5 als Ätzstoppschicht dienen kann. Der Ätzprozess kann außerhalb des Epitaxiereaktors, das heißt ex situ, vereinfacht durchgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Strukturierung der p-leitenden Halbleiterschicht in situ, das heißt innerhalb des Epitaxiereaktors, durchzuführen, etwa während der MOVPE-Phase durch spezielle Wahl der Wachstumsparameter. Zum Beispiel können Umgebungsbedingungen in Bezug auf Gasgemisch, Temperatur oder Druck gezielt eingestellt werden.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der p-leitenden Halbleiterschicht 1 weist das Bauelement eine Kontaktschicht 7 auf. Die Kontaktschicht 7 grenzt gemäß 1 bereichsweise an die p-leitende Halbleiterschicht 1 und bereichsweise an die Barrierestruktur 5 an. Die Kontaktschicht 7, die p-leitende Halbleiterchicht 1 und die Barrierestruktur 5 sind hinsichtlich ihrer Materialauswahl bevorzugt derart ausgebildet, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht 7 und der p-leitenden Halbleiterschicht 1 geringer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht 7 und der Barrierestruktur 5. Damit wird erzielt, dass positiv geladene Ladungsträger bevorzugt über die p-leitende Halbleiterchicht 1 und über die Facetten 41 in verschiedene Quantentopfschichten 31 der aktiven Zone injiziert werden.
  • Stehen die Kontaktschicht 7 und die Barrierestruktur 5 im elektrischen Kontakt, so kann die Barrierestruktur 5 zumindest bereichsweise als Löcherbarriere ausgebildet sein, sodass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Barrierestruktur 5 und über die Hauptfläche 30 in die aktive Zone gezielt erschwert oder blockiert wird. Abweichend von der 1 ist es möglich, dass die Barrierestruktur 5 außerhalb der Vertiefungen 4 teilweise oder vollständig durch die p-leitende Halbleiterchicht 1 bedeckt ist. Die Barrierestruktur 5 kann p-leitend ausgebildet sein. Insbesondere kann die Barrierestruktur 5 durch geeignete Dotierung derart ausgebildet sein, dass diese einen höheren elektrischen Kontaktwiderstand zu der Kontaktschicht 7 aufweisen als die p-leitende Halbleiterschicht 1. Abweichend von der 1 ist es weiterhin denkbar, dass eine schlecht elektrisch leitfähige oder eine elektrisch isolierende Schicht außerhalb der Vertiefungen 4 in der vertikalen Richtung zwischen der Kontaktschicht 7 und der Barrierestruktur 5 angeordnet ist. Ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen der Kontaktschicht 7 und der Barrierestruktur 5 in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen 4 kann somit verhindert werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Bauelement. Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel für ein Bauelement entspricht im Wesentlichen dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die p-leitende Halbleiterschicht 1 derart ausgebildet, dass diese in Draufsicht die Barrierestruktur 5 sowohl in den Bereichen innerhalb als auch in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen 4 bedeckt. In den Bereichen außerhalb der Vertiefungen 4 ist die Barrierestruktur 5 vorzugsweise als Löcherbarriere ausgebildet. Insbesondere ist die Barrierestruktur 5 n-dotiert, beispielsweise mit Si dotiert. Die Barrierestruktur 5 kann dabei eine Übergitterstruktur aus einer Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und GaN-Schichten oder aus einer Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und InGaN aufweisen. In Draufsicht kann die p-leitende Halbleiterschicht 1 die Barrierestruktur 5 und oder die aktive Zone 3 vollständig bedecken.
  • Wird eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die c-Fläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw. blockiert, etwa durch Anordnung der p-leitenden Halbleiterschicht ausschließlich in den Vertiefungen und/oder durch Ausbildung einer Löcherbarriere auf der c-Fläche außerhalb der Vertiefungen, konzentriert sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen, wodurch die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in verschiedene Bereiche der aktive Zone begünstigt wird, sodass eine besonders gleichmäßig vertikale Stromverteilung in der aktiven Zone erzielt ist, wodurch die Effizienz des Bauelements, auch bei hohem Betriebstrom, besonders erhöht ist.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bauelement
    1
    p-leitende Halbleiterschicht
    2
    n-leitende Halbleiterschicht
    3
    aktive Zone
    30
    Hauptfläche der aktiven Zone
    31
    Quantentopfschicht
    32
    Quantenbarriereschicht
    4
    Vertiefung/ V-Pit
    41
    Facette der Vertiefung
    5
    Barrierestruktur
    51
    erste Schicht der Barrierestruktur
    52
    zweite Schicht der Barrierestruktur
    6
    Übergangsschicht
    61
    erste Teilschicht der Übergangsschicht
    62
    zweite Teilschicht der Übergangsschicht
    63
    dritte Teilschicht der Übergangsschicht
    7
    Kontaktschicht
    8
    Träger/ Substrat/ Aufwachssubstrat
    80
    Hauptfläche des Trägers
    81
    Mantelfläche der Erhebungen des Trägers
    82
    Erhebungen des Trägers

Claims (17)

  1. Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3), wobei – im Bereich der aktiven Zone (3) seitens der p-leitenden Halbleiterschicht (1) Vertiefungen (4) gebildet sind, die jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen, wobei sich die p-leitende Halbleiterschicht (1) in die Vertiefungen (4) hinein erstreckt, – das Bauelement eine Barrierestruktur (5) aufweist, wobei die aktive Zone (3) zwischen der Barrierestruktur (5) und der n-leitenden Halbleiterschicht (2) angeordnet ist, und – das Bauelement (10) hinsichtlich der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und der Barrierestruktur (5) derart ausgeführt ist, dass im Betrieb des Bauelements (10) eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (30) in die aktive Zone (3) gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) in die aktive Zone (3) begünstigt ist.
  2. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) eine c-Fläche, nämlich einer (0001)-Kristallfläche, der Halbleiterschichtenfolge (20) ist.
  3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (10) aufgrund der Anordnung und/oder der Beschaffenheit der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und/oder der Barrierestruktur (5) derart ausgeführt ist, dass mindestens 80 % der zur aktiven Zone (3) gelangten positiv geladenen Ladungsträger über die Facetten (41) der Vertiefungen (4) in die aktive Zone (3) injizierbar sind.
  4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die p-leitende Halbleiterschicht (1) derart strukturiert ist, dass die Hauptfläche (31) der aktiven Zone (3) in Draufsicht zumindest bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht (1) ist.
  5. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die p-leitende Halbleiterschicht (1) derart strukturiert ist, dass diese eine Mehrzahl von Inseln aufweist, wobei die Inseln in lateraler Richtung voneinander beabstandet sind und jeweils in Draufsicht zumindest eine der Vertiefungen (4) bedecken.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem die Barrierestruktur (5) innerhalb der Vertiefungen (4) zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und der aktiven Zone (3) angeordnet ist und außerhalb der Vertiefungen (4) in Draufsicht zumindest bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht (1) ist.
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das eine Kontaktschicht (7) aufweist, die bereichsweise an die p-leitende Halbleiterschicht (1) und bereichsweise an die Barrierestruktur (5) angrenzt, wobei die Kontaktschicht (7), die p-leitende Halbleiterschicht (1) und die Barrierestruktur (5) hinsichtlich ihrer Materialauswahl derart ausgeführt sind, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht (7) und der p-leitenden Halbleiterschicht (1) geringer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht (7) und der Barrierestruktur (5).
  8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) in Draufsicht die Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) bedeckt und derart ausgebildet ist, dass die Barrierestruktur (5) außerhalb der Vertiefungen (4) als Löcherbarriere wirkt.
  9. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Barrierestruktur (5) auf GaN basiert und zumindest bereichsweise mit Silizium dotiert ist.
  10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) innerhalb der Vertiefungen (4) eine erste Schichtdicke und außerhalb der Vertiefungen (4) eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die erste und die zweite Schichtdicke derart ausgebildet sind, dass die positiv geladenen Ladungsträger in den Bereichen der Vertiefungen (4) die Barrierestruktur (5) durchdringen können und außerhalb der Vertiefungen (4) von der Barrierestruktur (5) blockiert werden, und wobei die erste Schichtdicke mindestens dreimal kleiner ist als die zweite Schichtdicke.
  11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Zone (3) auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von Quantenbarriereschichten (32) und dazwischenliegenden aktiven Quantentopfschichten (31) aufweist.
  12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden auf AlGaN und GaN basierten Halbleiterschichten gebildet ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3) mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (8); – Aufbringen einer Übergangsschicht (6) auf das Aufwachssubstrat (8), wobei Kristalldefekte in der Übergangsschicht (6) zur Ausbildung von Vertiefungen (4) in der Halbleiterschichtenfolge (20) ausgebildet werden; – Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge (20) auf die Übergangsschicht (6) derart, dass sich die Vertiefungen (4) von der Übergangsschicht (6) zumindest in die n-leitende Halbleiterschicht (2) und die gesamte aktive Zone (3) fortsetzen, sodass die Vertiefungen (4) jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen; – Ausbilden einer Barrierestruktur (5) auf der aktiven Zone; und – Ausbilden der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und/oder der Barrierestruktur (5) derart, dass im Betrieb des Bauelements (10) eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (30) in die aktive Zone (3) gezielt erschwert wird, sodass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) in die aktive Zone (3) begünstigt ist.
  14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Übergangsschicht (6) auf eine c-Fläche, nämlich auf eine (0001)-Kristallfläche, des Aufwachssubtrats (8) aufgebracht wird, und die Halbleiterschichtenfolge (20) derart ausgebildet wird, dass die Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) als c-Fläche ausgebildet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die p-leitende Halbleiterschicht (1) auf die Barrierestruktur (5) derart aufgebracht wird, dass die p-leitende Halbleiterschicht (1) in Draufsicht die Barrierestruktur (5) bedeckt und dabei die Vertiefungen (4) auffüllt, wobei Material der p-leitenden Halbleiterschicht (1) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur (5) außerhalb der Vertiefungen (4) abgetragen wird.
  16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Barrierestruktur (5) aluminiumhaltig ist, wobei die p-leitende Halbleiterschicht (1) zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur (5) geätzt wird und die aluminiumhaltige Barrierestruktur (5) dabei als Ätzstoppschicht dient.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Barrierestruktur (5) nach der aktiven Zone (3) und vor der p-leitenden Halbleiterschicht (1) ausgebildet wird, wobei die Barrierestruktur (5) im Bereich der Vertiefungen (4) eine verringerte Schichtdicke aufweist und zur Bildung einer Löcherbarriereschicht mit Si derart selektiv dotiert wird, dass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (31) in die aktive Zone (3) gegenüber einer Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) der Vertiefungen (4) in die aktive Zone (3) erschwert wird.
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