DE102017113585A1

DE102017113585A1 - Halbleiterschichtenfolge und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge

Info

Publication number: DE102017113585A1
Application number: DE102017113585.5A
Authority: DE
Inventors: Marcus Eichfelder; Joachim Hertkorn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge (100) eine aktive Schicht (1) zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung. Ferner umfasst die Halbleiterschichtenfolge (100) eine dotierte Stromaufweitungsschicht (10) zur Verteilung von ersten Ladungsträgern entlang der lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge (100). Die Stromaufweitungsschicht (10) weist eine Mehrzahl undotierter Schichten (11) auf. Zwischen je zwei undotierten Schichten (11) ist eine dotierte Schicht (12, 13) angeordnet.

Description

Es wird eine Halbleiterschichtenfolge angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterschichtenfolge mit wenig internen Verspannungen anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterschichtenfolge anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung. Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge beinhaltet zum Beispiel wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur. Die aktive Schicht kann zum Beispiel im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich erzeugen oder absorbieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine dotierte Stromaufweitungsschicht zur Verteilung von ersten Ladungsträgern entlang der lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge. Die Stromaufweitungsschicht ist also dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb erste Ladungsträger, wie Elektronen, die in die Stromaufweitungsschicht injiziert werden, in lateraler Richtung zu verteilen. Die Stromaufweitungsschicht basiert auf einem Halbleitermaterial.
Die laterale Richtung ist vorliegend eine Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht.
Die Stromaufweitungsschicht kann n-dotiert oder p-dotiert sein. Die elektrische Leitfähigkeit der Stromaufweitungsschicht beträgt beispielsweise zumindest 10⁴ S/m oder zumindest 10⁵ S/m oder zumindest 10⁶ S/m. Unter der elektrischen Leitfähigkeit der Stromaufweitungsschicht wird dabei zum Beispiel eine über das Volumen der Stromaufweitungsschicht gemittelte elektrische Leitfähigkeit verstanden. Die obigen Angaben zur elektrischen Leitfähigkeit können sich auf die Leitfähigkeit in lateraler Richtung und/oder in vertikaler Richtung, parallel zur Wachstumsrichtung, beziehen. Insbesondere hat die Stromaufweitungsschicht eine größere Leitfähigkeit als alle übrigen Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge.
Die Stromaufweitungsschicht kann aus einer Mehrzahl von übereinandergestapelten einzelnen Halbleiterschichten bestehen. Beispielsweise unterscheiden sich die einzelnen Halbleiterschichten der Stromaufweitungsschicht im Hinblick auf die Konzentration an Dotieratomen. In jeder einzelnen Halbleiterschicht der Stromaufweitungsschicht ist aber bevorzugt die Dotierkonzentration im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Stromaufweitungsschicht eine Mehrzahl undotierter Schichten. Unter einer undotierten Schicht wird vorliegend insbesondere eine nominell undotierte Schicht verstanden. Auch eine undotierte Schicht kann eine gewisse Konzentration an Dotieratomen aufweisen, beispielsweise aufgrund von Verunreinigungen. Jedoch ist eine nominell undotierte Schicht bevorzugt nicht gezielt dotiert. Die Dotierkonzentration innerhalb einer undotierten Schicht ist im Rahmen der Herstellungstoleranz bevorzugt homogen. Das heißt, eine undotierte Schicht weist über ihr gesamtes Volumen im Wesentlichen überall dieselbe Dotierkonzentration auf.
Zum Beispiel beträgt die Dotierkonzentration in den undotierten Schichten der Stromaufweitungsschicht höchstens 10¹⁶ cm^-3 oder höchstens 10¹⁵ cm^-3 oder höchstens 10¹⁴ cm^-3 oder höchstens 10¹³ cm^-3 oder höchstens 10¹¹ cm^-3 oder höchstens 10⁹ cm^-3.
Die undotierten Schichten der Stromaufweitungsschicht sind in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge übereinander angeordnet. Die laterale Ausdehnung jeder undotierten Schicht entspricht zum Beispiel im Wesentlichen der lateralen Ausdehnung der aktiven Schicht. Jede undotierte Schicht ist beispielsweise zusammenhängend ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in der Stromaufweitungsschicht zwischen je zwei undotierten Schichten eine dotierte Schicht angeordnet. Das heißt, zwischen jedem Paar von undotierten Schichten in der Stromaufweitungsschicht ist mindestens eine dotierte Schicht angeordnet. Die dotierten Schichten beabstanden also die undotierten Schichten voneinander.
Unter einer dotierten Schicht wird vorliegend eine beabsichtigt oder gezielt dotierte Schicht verstanden. Ferner wird unter einer dotierten Schicht eine im Rahmen der Herstellungstoleranz homogen dotierte Schicht verstanden. Das heißt, eine dotierte Schicht weist über ihr gesamtes Volumen im Wesentlichen überall dieselbe Dotierkonzentration auf.
Beispielsweise ist die Konzentration an Dotieratomen in jeder dotierten Schicht der Stromaufweitungsschicht zumindest 10¹⁸ cm^-3 oder zumindest 10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 10²⁰ cm^-3. Insbesondere haben die dotierten Schichten der Stromaufweitungsschicht eine zumindest 100-fach oder zumindest 1000-fach oder zumindest 10000-fach oder zumindest 100000-fach höhere Dotierkonzentration als die undotierten Schichten. Die dotierten Schichten in der Stromaufweitungsschicht bewirken die hohe elektrische Leitfähigkeit der Stromaufweitungsschicht.
Auch die dotierten Schichten der Stromaufweitungsschicht sind bevorzugt zusammenhängend ausgebildet und können sich im Wesentlichen über die gesamte laterale Ausdehnung der aktiven Schicht erstrecken.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Schicht zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung. Ferner umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine dotierte Stromaufweitungsschicht zur Verteilung von ersten Ladungsträgern entlang der lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge. Die Stromaufweitungsschicht weist eine Mehrzahl undotierter Schichten auf. Zwischen je zwei undotierten Schichten ist eine dotierte Schicht angeordnet.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass eine hohe Dotierung innerhalb der Stromaufweitungsschicht eine hohe Verspannung in der Halbleiterschichtenfolge zur Folge hat. Dies führt zu einer starken Durchbiegung der Halbleiterschichtenfolge während des Aufwachsprozesses. Die Verspannungen können dabei so stark sein, dass der ganze Wafer bricht und unbrauchbar wird. Auch können Risse in der Halbleiterschichtenfolge, sogenannte Epi-Cracks, am Rand des Wafers entstehen, da die umgebenden Schichten versuchen, die Verspannungen abzubauen. Des Weiteren können Verspannungen in der aktiven Schicht zu einer inhomogenen Wellenlängenverteilung der emittierten Strahlung führen. Ferner kann eine hohe Konzentration an Dotierstoffen zur Folge haben, dass V-Defekte entstehen, was die Oberflächen der entstehenden Schichten sehr rau werden lässt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem unter anderem dadurch gelöst, dass die Stromaufweitungsschicht aus mehreren aufeinanderfolgenden Schichten gebildet wird, wobei einige der Schichten undotiert sind. Dadurch kann die Verspannung beim Schichtwachstum reduziert werden. Ein überraschender Nebeneffekt ist dabei, dass man die effektive oder mittlere Dotierung der gesamten Stromaufweitungsschicht sogar höher einstellen kann als bei üblichen Stromaufweitungsschichten, die nur eine oder mehrere dotierte Schichten umfassen. Bei üblichen Stromaufweitungsschichten ist nämlich die maximale Dotierkonzentration dadurch begrenzt, dass irgendwann die Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge zu hoch werden. Mit der vorliegenden Erfindung können die Verspannungen reduziert werden und dadurch die mögliche maximale effektive Dotierung sogar erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Stromaufweitungsschicht mindestens fünf oder mindestens zehn oder mindestens 20 oder mindestens 50 undotierte Schichten auf. Zwischen je zwei undotierten Schichten ist dann jeweils eine dotierte Schicht angeordnet. Die mehrfache Wiederholung von undotierten und dotierten Schichten in der Stromaufweitungsschicht ist für die Reduktion der Verspannungen besonders vorteilhaft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Stromaufweitungsschicht sich periodisch wiederholende Schichtabfolgen auf oder besteht aus sich periodisch wiederholenden Schichtabfolgen. Das heißt, die Stromaufweitungsschicht umfasst mehrere, im Rahmen der Herstellungstoleranz identische, unmittelbar aufeinanderfolgende Schichtabfolgen, wobei jede Schichtabfolge aus mehreren Einzelschichten besteht. Anders ausgedrückt umfasst die Stromaufweitungsschicht sich ständig wiederholende, im Rahmen der Herstellungstoleranz identische Halbleiterschichten, mit jeweils im Rahmen der Herstellungstoleranz identischen Abständen zueinander. Die Schichtabfolge kann sich zum Beispiel zumindest fünffach oder zumindest zehnfach oder zumindest zwanzigfach oder zumindest fünfzigfach innerhalb der Stromaufweitungsschicht wiederholen.
Durch eine periodisch sich wiederholende Abfolge von Schichten können die Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge weiter reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist jede der Schichtabfolgen genau eine undotierte Schicht und mindestens eine dotierte Schicht auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die dotierten Schichten eine Dotierkonzentration von zumindest 10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 1,5·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 2·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 2,5·10¹⁹ cm^-3 auf. Insbesondere weist jede der dotierten Schichten in der Stromaufweitungsschicht zumindest diese Konzentration auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen zwei undotierten Schichten, insbesondere zwischen je zwei undotierten Schichten, genau eine dotierte Schicht angeordnet. Das heißt, die dotierte Schicht grenzt sowohl an der der aktiven Schicht zugewandten als auch an der der aktiven Schicht abgewandten Seite unmittelbar an eine undotierte Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwischen zwei undotierten Schichten, insbesondere zwischen je zwei undotierten Schichten, eine oder mehrere erste dotierte Schichten und eine oder mehrere zweite dotierte Schichten angeordnet. Die zweiten dotierten Schichten weisen dabei eine höhere Dotierkonzentration als die ersten dotierten Schichten auf. Beispielsweise beträgt die Dotierkonzentration der zweiten dotierten Schicht zumindest 110 % oder zumindest 120 % oder zumindest 130 % oder zumindest 140 % oder zumindest 150 % der Dotierkonzentration der ersten dotierten Schicht.
Auch die Variation in der Dotierkonzentration der dotierten Schichten kann zu einer Verspannungsreduktion in der Halbleiterschichtenfolge beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen zwei undotierten Schichten, insbesondere zwischen je zwei undotierten Schichten, genau eine erste dotierte Schicht und genau eine zweite dotierte Schicht angeordnet. In Wachstumsrichtung ist zum Beispiel die erste dotierte Schicht der zweiten dotierten Schicht nachgeordnet und grenzt an diese. Alternativ kann aber auch die zweite dotierte Schicht der ersten dotierten Schicht in Wachstumsrichtung nachgeordnet sein und an diese grenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen zwei undotierten Schichten, insbesondere zwischen je zwei undotierten Schichten, eine erste dotierte Schicht zwischen zwei zweiten dotierten Schichten angeordnet. Alternativ ist es aber auch möglich, dass zwischen zwei undotierten Schichten, insbesondere zwischen je zwei undotierten Schichten, eine zweite dotierte Schicht zwischen zwei ersten dotierten Schichten angeordnet ist. Insbesondere sind dann genau drei dotierte Schichten, zum Beispiel entweder zwei erste und eine zweite dotierte Schicht oder zwei zweite und eine erste dotierte Schicht, zwischen je zwei undotierten Schichten angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Stromaufweitungsschicht eine effektive oder mittlere Dotierkonzentration von zumindest 6·10¹⁸ cm^-3 oder zumindest 8·10¹⁸ cm^-3 oder zumindest 1·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 1,2·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 1,4·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 1,5·10¹⁹ cm^-3 oder zumindest 2,0·10¹⁹ cm^-3 auf. Die effektive oder mittlere Dotierkonzentration ist der mit den Dicken der Schichten der Stromaufweitungsschicht gewichtete Mittelwert aus den Dotierkonzentrationen aller Schichten der Stromaufweitungsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Stromaufweitungsschicht eine Dicke von höchstens 10000 nm oder höchstens 8000 nm oder höchstens 6000 nm oder höchstens 4000 nm oder höchstens 2500 nm oder höchstens 2000 nm oder höchstens 1800 nm oder höchstens 1500 nm auf. Alternativ oder zusätzlich ist die Dicke der Stromaufweitungsschicht mindestens 500 nm oder mindestens 700 nm oder mindestens 1000 nm oder mindestens 1200 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist jede undotierte Schicht und jede dotierte Schicht der Stromaufweitungsschicht eine Dicke von zumindest 5 nm und höchstens 100 nm auf. Die undotierten Schichten und/oder die zweiten dotierten Schichten sind beispielsweise höchstens halb so dick oder höchstens 1/3 so dick oder höchstens 1/4 so dick wie die ersten dotierten Schichten.
Beispielsweise beträgt die Dicke der undotierten Schichten und/oder der zweiten dotierten Schichten jeweils zumindest 5 nm oder zumindest 10 nm oder zumindest 15 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der undotierten Schichten und/oder der zweiten dotierten Schichten jeweils höchstens 50 nm oder höchstens 30 nm oder höchstens 20 nm. Die ersten dotierten Schichten haben beispielsweise eine Dicke von jeweils höchstens 100 nm oder höchstens 90 nm oder höchstens 80 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Dicke der ersten dotierten Schichten jeweils zumindest 10 nm oder zumindest 25 nm oder zumindest 50 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen der Stromaufweitungsschicht und der aktiven Schicht höchstens 1000 nm oder höchstens 800 nm oder höchstens 500 nm oder höchstens 200 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Abstand zumindest 50 nm oder zumindest 100 nm. Zwischen der aktiven Schicht und der Stromaufweitungsschicht ist die Dotierkonzentration beziehungsweise die elektrische Leitfähigkeit bevorzugt geringer als in der Stromaufweitungsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die ersten Ladungsträger Elektronen. Die Stromaufweitungsschicht ist in diesem Fall n-dotiert. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die ersten Ladungsträger Löcher sind, so dass die Stromaufweitungsschicht p-dotiert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-m Ga_mP, oder um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder Al_nIn_1-n-mGa_mAsP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Insbesondere basieren die Schichten der Stromaufweitungsschicht auf einem solchen Halbleitermaterial. Das Halbleitermaterial kann Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind hier jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN.
Der Dotierstoff für die Stromaufweitungsschicht ist beispielsweise Silizium oder Germanium oder Tellur oder Selen.
Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben. Das optoelektronische Bauteil umfasst insbesondere die hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit der Halbleiterschichtenfolge offenbarten Merkmale sind auch für das optoelektronische Bauteil offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem optoelektronischen Bauteil um eine Leuchtdiode oder um einen Halbleiterchip, zum Beispiel einen Halbleiterchip einer Leuchtdiode. Die lateralen Abmessungen eines Halbleiterchips entsprechen im Wesentlichen den lateralen Abmessungen der aktiven Schicht. Zum Beispiel sind die lateralen Abmessungen eines Halbleiterchips höchstens 20 % größer als die lateralen Abmessungen der aktiven Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauteil eine hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge. Bevorzugt ist die aktive Schicht in der Halbleiterschichtenfolge des Bauteils zusammenhängend. Das Bauteil umfasst insbesondere nur eine einzige aktive Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauteil eine elektrische Kontaktstruktur zur Injektion von ersten Ladungsträgern in die Stromaufweitungsschicht. Die elektrische Kontaktstruktur dient im bestimmungsgemäßen Betrieb zur elektrischen Kontaktierung und Bestromung der Halbleiterschichtenfolge. Bei der elektrischen Kontaktstruktur kann es sich um ein Kontaktelement oder um eine oder mehrere Durchkontaktierungen handeln. Insbesondere umfasst die elektrische Kontaktstruktur elektrisch leitfähiges Material, wie Metall, oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die elektrische Kontaktstruktur bis auf einen Abstand von höchstens 300 nm oder höchsten 250 nm oder höchstens 200 nm oder höchstens 150 nm an die Stromaufweitungsschicht herangeführt. Die ersten Ladungsträger werden im Betrieb also in höchstens diesen Abständen zur Stromaufweitungsschicht in die Halbleiterschichtenfolge injiziert. Zwischen der Stromaufweitungsschicht und der Kontaktstruktur kann eine Kontaktschicht angeordnet sein, die aus Halbleitermaterial gebildet ist. Die Kontaktschicht grenzt beispielsweise direkt an metallisches Material der Kontaktstruktur und an die Stromaufweitungsschicht. Die Kontaktschicht weist zum Beispiel entlang ihres gesamten Volumens eine homogene Dotierung auf.
Das optoelektronische Bauteil kann beispielsweise ein Dünnfilmhalbleiterchip sein, bei dem das Aufwachssubstrat abgelöst ist. Eine elektrische Kontaktstruktur kann sich dann in Form einer Durchkontaktierung durch die aktive Schicht bis hinein in die Stromaufweitungsschicht erstrecken und dort direkt an die Stromaufweitungsschicht grenzen.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, eine hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge herzustellen. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit der Halbleiterschichtenfolge offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge einen Schritt A), bei dem ein Aufwachssubstrat bereitgestellt wird. Das Aufwachssubstrat ist zum Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem eine Halbleiterschichtenfolge epitaktisch auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsen wird, beispielsweise mittels MOCVD oder MBE. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine Stromaufweitungsschicht und eine aktive Schicht. Die Stromaufweitungsschicht ist insbesondere dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb erste Ladungsträger in lateraler Richtung zu verteilen. Die aktive Schicht ist insbesondere dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung zu absorbieren oder zu emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) die Stromaufweitungsschicht vor der aktiven Schicht gewachsen. Das heißt, die Stromaufweitungsschicht ist am Ende des Verfahrens zwischen der aktiven Schicht und dem Aufwachssubstrat angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden für das Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht abwechselnd undotierte Schichten und dotierte Schichten gewachsen. Die Stromaufweitungsschicht umfasst nach ihrer Fertigstellung also eine Mehrzahl von undotierten Schichten und eine Mehrzahl von dotierten Schichten, wobei jeweils zwischen zwei undotierten Schichten eine dotierte Schicht angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Aufwachssubstrat um ein Saphirsubstrat. Die Halbleiterschichtenfolge basiert in diesem Fall beispielsweise auf Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1. Als Aufwachssubstrat kommt aber auch Silizium oder PSS (Patterned Saphire Substrate, zu Deutsch: Strukturiertes Saphirsubstrat) in Frage.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge sowie ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge unter Bezugnahme auf Zeichnungen 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:

1A bis 1C verschiedene Positionen in einem Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge,
2A bis 2E verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterschichtenfolge in Querschnittsansicht,
3A und 3B Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Bauteils in Querschnittsansicht.

In der 1A ist eine erste Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der Halbleiterschichtenfolge gezeigt. Auf einem Aufwachssubstrat 15, das beispielsweise aus Saphir gebildet ist, ist ein Unterbau 16 gewachsen. Der Unterbau 16 kann eine Mehrzahl von einzelnen Halbleiterschichten umfassen oder daraus bestehen. Die Halbleiterschichten des Unterbaus 16 basieren beispielsweise zumindest teilweise auf einem nitridischen Halbleitermaterial. Beispielsweise umfasst der Unterbau 16 eine Bufferschichtenfolge, die zur Anpassung des Gitterkonstantenunterschieds zwischen dem Saphirsubstrat und dem Halbleitermaterial oder zur Verspannungsjustage oder Defektreduktion dient.
Der Unterbau 16 ist beispielsweise epitaktisch auf dem Aufwachssubstrat 15 gewachsen. Zum Beispiel weist der Unterbau 16 eine geringe mittlere Dotierkonzentration von höchstens 10¹⁵ cm^-3 auf. Die Dicke des Unterbaus 16 beträgt beispielsweise höchstens 9000 nm oder höchstens 6000 nm oder höchstens 4000 nm oder höchstens 2000 nm und mindestens 1000 nm.
Der Unterbau 16 umfasst zum Beispiel mehrere Einzelschichten, zum Beispiel GaN Schichten unterschiedlicher Dotierkonzentration und eine oder mehrere AlGaN Schichten.
In der 1B ist eine zweite Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem unmittelbar auf den Unterbau 16 eine Stromaufweitungsschicht 10 aus Halbleitermaterial epitaktisch gewachsen ist. Die Stromaufweitungsschicht 10 ist dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterschichtenfolge eine laterale Stromverteilung der injizierten Ladungsträger zu bewirken. Dazu umfasst die Stromaufweitungsschicht eine Schichtabfolge 14 aus einer undotierten Schicht 11 und einer zweiten dotierten Schicht 13. Die undotierte Schicht 11 ist nominell undotiert, das heißt sie umfasst keine gezielt eingebrachten Dotieratome. Zum Beispiel ist die Dotierkonzentration höchstens 1·10¹⁵ cm^-3 oder höchstens 1·10¹³ cm^-3 in der undotierten Schicht 11. Die zweite dotierte Schicht 13 ist dagegen gezielt dotiert und hat zum Beispiel eine Dotierkonzentration von zumindest 1·10¹⁹ cm^-3, zum Beispiel von zirka 2,4·10¹⁹ cm^-3. Die mittlere oder effektive Dotierkonzentration in der Stromaufweitungsschicht 10 beträgt beispielsweise zumindest 6·10¹⁸ cm^-3.
Die undotierte Schicht 11 und die zweite dotierte Schicht 13 basieren beispielsweise auf Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1. Der Dotierstoff für die zweite dotierte Schicht 13 ist beispielsweise Silizium, das heißt es liegt eine n-Dotierung vor.
Die Schichtabfolge 14 ist innerhalb der Stromaufweitungsschicht 10 periodisch wiederholt. Das heißt, der Schichtabfolge 14 sind im Rahmen der Herstellungstoleranz identische Schichtabfolgen 14 unmittelbar nachgeordnet. Die Stromaufweitungsschicht 10 umfasst also ein sich wiederkehrendes Muster an Halbleiterschichten. Dabei ist zwischen je zwei undotierten Schichten 11 jeweils genau eine zweite dotierte Schicht 13 angeordnet.
Die Gesamtdicke der Stromaufweitungsschicht 10 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 500 nm und 2500 nm, zum Beispiel 1800 nm. Die undotierten Schichten 11 haben beispielsweise eine Dicke von 15 nm. Die zweiten dotierten Schichten 13 haben beispielsweise ebenfalls eine Dicke von 15 nm. Die Schichtabfolge 14 kann sich zum Beispiel zumindest fünfzigfach innerhalb der Stromaufweitungsschicht 10 wiederholen.
In der 1C ist eine dritte Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem auf die Stromaufweitungsschicht 10 eine aktive Schicht 1 aufgewachsen ist. Die aktive Schicht 1 umfasst beispielsweise einen pn-Übergang oder eine Quantentopfstruktur und ist im bestimmungsgemäßen Betrieb zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Die aktive Schicht 1 umfasst beispielsweise InGaN und emittiert im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung im UV-Bereich oder im blauen Spektralbereich.
Der Abstand zwischen der aktiven Schicht 1 und der Stromaufweitungsschicht 10 beträgt beispielsweise höchstens 1000 nm. Der aktive Schicht 1 in Aufwachsrichtung nachgeordnet ist eine p-dotierte Schicht 17 zum Transport von Löchern.
In der 2A ist ein Ausführungsbeispiel der Halbleiterschichtenfolge 100 gezeigt. Die Halbleiterschichtenfolge 100 der 2A ist insbesondere mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge 100 umfasst den Unterbau 16, die aktive Schicht 1 und die Stromaufweitungsschicht 10. Die zweiten dotierten Schichten 13 in der Stromaufweitungsschicht 10 haben beispielsweise eine Dotierkonzentration von 2,4·10¹⁹ cm^-3 und eine Dicke von zirka 15 nm. Die undotierten Schichten 11 in der Stromaufweitungsschicht 10 haben beispielsweise ebenfalls eine Dicke von zirka 15 nm.
In der 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleiterschichtenfolge 100 gezeigt. Auch diese Halbleiterschichtenfolge 100 umfasst eine aktive Schicht 1 und eine Stromaufweitungsschicht 10 aus sich periodisch wiederholenden Schichtabfolgen 14. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel besteht beim Ausführungsbeispiel der 2B jede Schichtabfolge 14 der Stromaufweitungsschicht 10 aus drei Schichten, nämlich einer undotierten Schicht 11, einer zweiten dotierten Schicht 13 und einer ersten dotierten Schicht 12.
Die ersten dotierten Schichten 12 weisen beispielsweise eine Dicke von zirka 70 nm und eine Dotierkonzentration von 1,8·10¹⁹ cm^-3 auf. Die zweiten dotierten Schichten 13 und die undotierten Schichten 11 sind zum Beispiel wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet. Zwischen je zwei undotierten Schichten 11 ist genau eine zweite dotierte Schicht 13 und genau eine erste dotierte Schicht 12 angeordnet, wobei die erste dotierte Schicht 12 der zweiten dotierten Schicht 13 jeweils in Wachstumsrichtung nachgeordnet ist.
In der 2C ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das bis auf einen Unterschied dem Ausführungsbeispiel der 2B entspricht. Die Reihenfolge zwischen der ersten dotierten Schicht 12 und der zweiten dotierten Schicht 13 innerhalb einer Schichtabfolge 14 ist verglichen mit dem Ausführungsbeispiel der 2B vertauscht. Das heißt, zwischen zwei undotierten Schichten 11 ist jeweils die zweite dotierte Schicht 13 der ersten dotierten Schicht 12 in Wachstumsrichtung nachgeordnet.
In der 2D ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleiterschichtenfolge 100 mit einer Stromaufweitungsschicht 10 gezeigt, bei dem jede Schichtabfolge 14 der Stromaufweitungsschicht 10 aus vier Einzelschichten besteht. Jede Schichtabfolge 14 besteht aus einer undotierten Schicht 11, zwei zweiten dotierten Schichten 13 und einer ersten dotierten Schicht 12. Das heißt, zwischen je zwei undotierten Schichten 11 sind genau zwei zweite dotierte Schichten 13 und genau eine erste dotierte Schicht 12 angeordnet. Die Dotierkonzentrationen und Dicken der Schichten sind beispielsweise wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gewählt. In jeder Schichtabfolge 14 ist die erste dotierte Schicht 12 unmittelbar zwischen den beiden zweiten dotierten Schichten 13 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 2E besteht anders als im Ausführungsbeispiel der 2D jede Schichtabfolge 14 aus zwei ersten dotierten Schichten 12, einer zweiten dotierten Schicht 13 und einer undotierten Schicht 11. Die Dotierkonzentrationen und die Dicken der Schichten sind beispielsweise wieder wie in der 2D gewählt. Die zweite dotierte Schicht 13 ist unmittelbar zwischen zwei ersten dotierten Schichten 12 einer Schichtabfolge 14 angeordnet.
In der 3A ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1000, beispielsweise eines Halbleiterchips 1000, gezeigt. Der Halbleiterchip 1000 umfasst ein Aufwachssubstrat 15, beispielsweise ein Saphirsubstrat 15. Auf dem Aufwachssubstrat 15 befindet sich eine Halbleiterschichtenfolge 100. Die Halbleiterschichtenfolge 100 ist dabei zum Beispiel eine der Halbleiterschichtenfolgen 100, die im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren beschrieben wurde.
Ferner umfasst das optoelektronische Bauteil 1000 Kontaktstrukturen 200, 201. Vorliegend sind die Kontaktstrukturen metallische 200, 201 Kontaktelemente. Ein erstes Kontaktelement 200 zur Injektion von ersten Ladungsträgern (Elektronen) in die Stromaufweitungsschicht 10 ist in einer Ausnehmung der Halbleiterschichtenfolge 100 angeordnet und ist höchstens 300 nm von der Stromaufweitungsschicht beabstandet, beispielsweise durch eine n-Kontaktschicht aus Halbleitermaterial. Das zweite Kontaktelement 201 befindet sich dagegen in direktem Kontakt mit der p-leitenden Schicht 17 der Halbleiterschichtenfolge 100. Über das erste Kontaktelement 200 werden Elektronen in die Stromaufweitungsschicht 10 injiziert und mittels der Stromaufweitungsschicht 10 in lateraler Richtung verteilt. Über das zweite Kontaktelement 201 werden Löcher in die Halbleiterschichtenfolge 100 injiziert. Die Löcher und die Elektronen rekombinieren in der aktiven Schicht 1, wodurch elektromagnetische Strahlung erzeugt wird.
Bei dem optoelektronischen Bauteil 1000 der 3A handelt es sich beispielsweise um einen Saphir-Chip.
In der 3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauteils 1000 gezeigt. Hier handelt es sich beispielsweise um einen Dünnfilmhalbleiterchip 1000. Bei dem Dünnfilmhalbleiterchip 1000 ist das Aufwachssubstrat 15 der Halbleiterschichtenfolge 100 abgelöst. Das optoelektronische Bauteil 1000 umfasst Kontaktstrukturen 200, 201. Die erste Kontaktstruktur 200 ist eine Durchkontaktierung, die sich ausgehend von der p-dotierten Schicht 17 durch die aktive Schicht 1 bis hinein in die Stromaufweitungsschicht 10 erstreckt und unmittelbar an die Stromaufweitungsschicht 10 angrenzt. Die zweite Kontaktstruktur 201 grenzt an die p-dotierte Schicht 17 der Halbleiterschichtenfolge 100. Über die Durchkontaktierung 200 werden Elektronen in die Stromaufweitungsschicht 10 injiziert und dann entlang der lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge 100 verteilt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: aktive Schicht
10: Stromaufweitungsschicht
11: undotierte Schicht
12: erste dotierte Schicht
13: zweite dotierte Schicht
14: Schichtabfolge
15: Aufwachssubstrat
16: Unterbau
17: p-dotierte Schicht
100: Halbleiterschichtenfolge
200: Kontaktstruktur
201: Kontaktstruktur
1000: optoelektronisches Bauteil

Claims

Halbleiterschichtenfolge (100), umfassend - eine aktive Schicht (1) zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung, - eine dotierte Stromaufweitungsschicht (10) zur Verteilung von ersten Ladungsträgern entlang der lateralen Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge (100), wobei - die Stromaufweitungsschicht (10) eine Mehrzahl undotierter Schichten (11) umfasst, - in der Stromaufweitungsschicht (10) zwischen je zwei undotierten Schichten (11) eine dotierte Schicht (12, 13) angeordnet ist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach Anspruch 1, wobei die Stromaufweitungsschicht (10) mindestens fünf undotierte Schichten (11) aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromaufweitungsschicht (10) sich periodisch wiederholende Schichtabfolgen (14) aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach Anspruch 3, wobei jede der Schichtabfolgen (14) genau eine undotierte Schicht (11) und mindestens eine dotierte Schicht (12, 13) umfasst.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dotierten Schichten (12, 13) eine Dotierkonzentration von zumindest 1·10¹⁹ cm^-3 aufweisen.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zwei undotierten Schichten (11) genau eine dotierte Schicht (12, 13)angeordnet ist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zwischen zwei undotierten Schichten (11) eine oder mehrere erste dotierte Schichten (12) und eine oder mehrere zweite dotierte Schichten (13) angeordnet sind, - die zweiten dotierten Schichten (13) eine höhere Dotierkonzentration als die ersten dotierten Schichten (12) aufweisen.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach Anspruch 7, wobei - zwischen zwei benachbarten undotierten Schichten (11) genau eine erste dotierte Schicht (13) und genau eine zweite dotierte Schicht (11) angeordnet sind, - in Wachstumsrichtung die erste Schicht (12) der zweiten Schicht (13) nachgeordnet ist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach Anspruch 7, wobei - zwischen zwei undotierten Schichten (11) eine erste dotierte Schicht (12) zwischen zwei zweiten dotierten Schichten (13) angeordnet ist oder - zwischen zwei benachbarten undotierten Schichten (11) die zweite dotierte Schicht (12) zwischen zwei ersten dotierten Schichten (13) angeordnet ist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (10) eine mittlere Dotierkonzentration von zumindest 6·10¹⁸ cm^-3 aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromaufweitungsschicht (10) eine Dicke von höchstens 10000 nm und mindestens 500 nm aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede undotierte Schicht (11) und jede dotierte Schicht (12, 13) der Stromaufweitungsschicht (10) eine Dicke von zumindest 5 nm und höchstens 100 nm aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der Stromaufweitungsschicht (10) und der aktiven Schicht (1) höchstens 1000 nm beträgt.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Ladungsträger Elektronen sind und die Stromaufweitungsschicht (10) n-dotiert ist.
Halbleiterschichtenfolge (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (100) auf Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 basiert.
Optoelektronisches Bauteil (1000) mit - einer Halbleiterschichtenfolge (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, - einer elektrischen Kontaktstruktur (200) zur Injektion von ersten Ladungsträgern in die Stromaufweitungsschicht (10).
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge (100), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (15); B) epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (100) mit einer Stromaufweitungsschicht (10) und einer aktiven Schicht (1) auf dem Aufwachssubstrat (15); wobei - die Stromaufweitungsschicht (10) vor der aktiven Schicht gewachsen wird, - für das Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht (10) abwechselnd undotierte Schichten (11) und dotierte Schichten (12, 13) gewachsen werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei - das Aufwachssubstrat (15) ein Saphirsubstrat ist, - die Halbleiterschichtenfolge (100) auf Al_nIn_1-n-mGa_mN mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 basiert.