DE102017119931A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit einem Halbleiterkörper (10), in dem eine zur Erzeugung oder Detektion von elektromagnetischer Strahlung eingerichtete aktive Schicht (103), eine erste Zwischenschicht (101) und eine p-leitende Kontaktschicht (104) ausgebildet sind, und einer auf den Halbleiterkörper (10) aufgebrachten Anschlussschicht (121) angegeben. Wobei die Kontaktschicht (104) zwischen der ersten Zwischenschicht (101) und der Anschlussschicht (121) angeordnet ist, an die Anschlussschicht (121) angrenzt und die aktive Schicht (103) auf einer der Kontaktschicht (104) abgewandten Seite der ersten Zwischenschicht (101) angeordnet ist. Die erste Zwischenschicht (101) und die Kontaktschicht (104) basieren auf einem Nitridverbindungshalbleiter und die Kontaktschicht (104) ist mit einem p-Dotierstoff dotiert. Die Kontaktschicht (104) weist eine Dicke von höchstens 50nm auf und hat einen geringeren Aluminiumgehalt als die erste Zwischenschicht (101) .

Description

  • Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das verbesserte elektrische und/oder optische Eigenschaften aufweist.
  • Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement handelt es sich beispielsweise um einen Teil einer elektronischen oder optoelektronischen Komponente. Beispielsweise handelt es sich bei der optoelektronischen Komponente, welche mit dem optoelektronischen Halbleiterbauelement gebildet ist, um eine strahlungsemittierende oder Strahlung detektierende Komponente, wie zum Beispiel einen Leuchtdiodenchip, einen Laserdiodenchip oder einen Photodiodenchip. Insbesondere kann das optoelektronische Halbleiterbauelement dazu eingerichtet sein, im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung zu emittieren oder zu detektieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper mit einem zur Erzeugung oder Detektion von elektromagnetischer Strahlung eingerichteten aktiven Bereich, eine erste Zwischenschicht und eine p-leitende Kontaktschicht sowie eine auf den Halbleiterkörper aufgebrachte Anschlussschicht.
  • Die Kontaktschicht ist zwischen der ersten Zwischenschicht und der Anschlussschicht angeordnet und grenzt an die Anschlussschicht an. Vorzugsweise grenzt die Anschlussschicht unmittelbar an die Kontaktschicht an. Mit anderen Worten ist die Kontaktschicht seitens der Anschlussschicht die äußerste Schicht des Halbleiterkörpers und die Anschlussschicht ist direkt auf die Kontaktschicht aufgebracht. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Anschlussschicht mittelbar an die Kontaktschicht grenzt und zwischen Kontakt- und Anschlussschicht eine weitere Schicht, beispielsweise zur Verbesserung der elektrischen Kontakteigenschaften oder der Haftung der Anschlussschicht auf dem Halbleiterkörper, vorgesehen ist.
  • Die aktive Schicht ist auf einer der Kontaktschicht abgewandten Seite der ersten Zwischenschicht angeordnet. Die aktive Schicht umfasst bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf (SQW, single quantum well) oder, besonders bevorzugt, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung.
  • Die erste Zwischenschicht und die Kontaktschicht basieren auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial und werden vorzugsweise epitaktisch aufgewachsen. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper, insbesondere die aktive Schicht ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Kontaktschicht mit einem p-Dotierstoff dotiert. Das heißt, die Kontaktschicht ist p-leitend ausgebildet und kann beispielsweise mit einer Magnesium- oder mit einer Zinkdotierung versehen sein. Die Kontaktschicht stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der ersten Zwischenschicht und der Anschlussschicht her.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Kontaktschicht eine Dicke von höchstens 50nm, bevorzugt eine Dicke von höchstens 30nm und besonders bevorzugt eine Dicke von höchstens 10nm auf. Das heißt, die Ausdehnung der Kontaktschicht parallel zu einem Normalenvektor ihrer Haupterstreckungsebene beträgt höchstens 50nm, bevorzugt höchstens 30nm und besonders bevorzugt höchstens 10nm. Durch eine geringe Schichtdicke der Kontaktschicht verringert sich der elektrische Widerstand der Kontaktschicht, wodurch weiterhin die Flussspannung des optoelektronischen Halbleiterbauelements vorteilhaft reduziert wird. Weitergehend kann ein am Übergang von erster Zwischenschicht zu Kontaktschicht aufgrund einer Gitterfehlanpassung der Materialien von Kontaktschicht und erster Zwischenschicht auftretender Piezoeffekt zur Erzeugung von freien Ladungsträgern genutzt werden, wodurch sich eine weitere vorteilhafte Reduzierung der Flussspannung erzielen lässt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Kontaktschicht einen geringeren Aluminiumgehalt als die erste Zwischenschicht auf. Das heißt, in der Kontaktschicht befindet sich eine geringere Aluminiumkonzentration als in der ersten Zwischenschicht. Durch eine Zugabe von Aluminium können die optischen Eigenschaften des Halbleitermaterials verändert werden, wobei insbesondere der optische Brechungsindex eines Galliumnitridverbindungshalbleitermaterials durch Zugabe von Aluminium verringert werden kann. Dadurch kann ein auf der optischen Totalreflexion an Grenzflächen beruhender Wellenleitereffekt erzeugt werden und somit beispielsweise eine Führung einer elektromagnetischen Welle erreicht werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper, in dem eine zur Erzeugung oder Detektion von elektromagnetischer Strahlung eingerichtete aktive Schicht, eine erste Zwischenschicht und eine p-leitende Kontaktschicht ausgebildet sind, und eine auf den Halbleiterkörper aufgebrachte Anschlussschicht, wobei
    • - die Kontaktschicht zwischen der ersten Zwischenschicht und der Anschlussschicht angeordnet ist und an die Anschlussschicht angrenzt,
    • - die aktive Schicht auf einer der Kontaktschicht abgewandten Seite der ersten Zwischenschicht angeordnet ist,
    • - die erste Zwischenschicht und die Kontaktschicht auf einem Nitridverbindungshalbleiter basieren,
    • - die Kontaktschicht mit einem p-Dotierstoff dotiert ist,
    • - die Kontaktschicht eine Dicke von höchstens 50nm aufweist, und
    • - die Kontaktschicht einen geringeren Aluminiumgehalt aufweist als die erste Zwischenschicht.
  • Einem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Um eine metallene Anschlussschicht mit einer p-dotierten Halbleiterkontaktschicht elektrisch verbinden zu können, ist eine Kontaktschicht mit hoher p-Dotierung erforderlich. Da Dotierungsgradienten in der Regel limitiert sind, ist somit eine bestimmte Mindestdicke der Kontaktschicht erforderlich, um die gewünschte hohe Dotierung der Kontaktschicht zu erzielen.
  • Das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement macht unter anderem von der Idee Gebrauch, durch eine dünne Kontaktschicht den am Übergang zwischen der Kontaktschicht und der ersten Zwischenschicht aufgrund der Gitterfehlanpassung entstehenden Piezoeffekt auszunutzen. Aufgrund des Piezoeffekts, welcher auf den unterschiedlichen Gitterkonstanten der beiden Halbleiterschichten basiert, kann sich eine hohe Konzentration freier Ladungsträger an der Grenzschicht zwischen der Kontaktschicht und der ersten Zwischenschicht ausbilden. Diese hohe Konzentration von freien Ladungsträger kann vorteilhaft zu einem besseren ohmschen Kontakt zwischen einer metallischen Anschlussschicht und dem Halbleitermaterial der Kontaktschicht beitragen. Durch diese Maßnahmen lässt sich die Flussspannung des Halbleiterbauteils vorteilhaft verringern. Dadurch kann ein Halbleiterbauelement mit einer erhöhten Effizienz hergestellt werden. Der gegenüber der ersten Zwischenschicht verringerte Aluminiumgehalt der Kontaktschicht erlaubt eine höhere p-Dotierung der Kontaktschicht und damit einen besonders guten p-Kontakt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Kontaktschicht frei von Aluminium oder weist einen Aluminiumanteil von weniger als 1% auf. Aufgrund des geringen Aluminiumanteils kann die Kontaktschicht eine besonders hohe p-Dotierung aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die erste Zwischenschicht aus einem Aluminiumgalliumnitrid oder einem Aluminiumindiumgalliumnitrid gebildet. Die erste Zwischenschicht kann dabei einen Aluminiumanteil von wenigstens 5% aufweisen, was die Transparenz der ersten Zwischenschicht gegenüber der Kontaktschicht erhöhen kann.
  • Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Kontaktschicht aus einem Indiumgalliumnitrid gebildet. Die Gitterkonstanten von Indiumgalliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid weisen einen vorteilhaft großen Unterschied auf. Dadurch verstärkt sich der an der Grenzfläche von Kontaktschicht und erster Zwischenschicht auftretende Piezoeffekt und es können mehr freie Ladungsträger generiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Anschlussschicht eine metallische Schicht oder aus einem transparenten, leitfähigen Oxid (TCO) gebildet. Eine metallische Schicht enthält oder besteht aus mindestens einem Metall oder einer Metalllegierung. Ein TCO kann beispielsweise aus einem Indiumzinnoxid bestehen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements bildet sich an der Grenzfläche zwischen der Kontaktschicht und der ersten Zwischenschicht ein zweidimensionales Ladungsträgergas aus, dessen Verteilung bis an die Anschlussschicht heranreicht. Der Ausdruck „heranreicht“ bedeutet, dass die Konzentration der freien Ladungsträger ausgehend von der Grenzfläche zwischen der Kontaktschicht und der ersten Zwischenschicht entlang der Richtung eines Normalenvektors der Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers bis hin zur Anschlussschicht um höchstens 90%, bevorzugt um höchstens 45% und besonders bevorzugt um höchstens 20% abnimmt. Das heißt, die Konzentration der freien Ladungsträger beträgt an der Anschlussschicht noch mindestens 10%, bevorzugt noch mindestens 55% und besonders bevorzugt noch mindestens 80% des Wertes an der Grenzfläche zwischen der Kontaktschicht und der ersten Zwischenschicht. Eine hohe Konzentration von freien Ladungsträgern am Übergang zwischen Kontaktschicht und Anschlussschicht ermöglicht einen vorteilhaft geringen elektrischen Widerstand und somit eine hohe Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die erste Zwischenschicht zumindest seitens der Kontaktschicht mit dem p-Dotierstoff dotiert. Das heißt, der p-Dotierstoff aus der Kontaktschicht erstreckt sich zumindest bis in die erste Zwischenschicht hinein. Dadurch ist eine hohe Dotierung der Kontaktschicht erleichtert, wodurch sich die Kontaktschicht vorteilhaft dünner ausführen lässt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Kontaktschicht eine Konzentration des p-Dotierstoffs von mindestens 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter, vorzugsweise mindestens 6×1019 Atomen pro Kubikzentimeter und weiter bevorzugt mindestens 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter auf. Eine hohe Konzentration von freien Ladungsträgern innerhalb der Kontaktschicht ermöglicht einen vorteilhaft geringen elektrischen Widerstand am Übergang der Kontaktschicht zur Anschlussschicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die erste Zwischenschicht oder ein Teilbereich der ersten Zwischenschicht eine Konzentration des p-Dotierstoffs von mindestens 1×1019 Atomen pro Kubikzentimeter auf. Bevorzugt weist die erste Zwischenschicht oder ein Teilbereich der ersten Zwischenschicht eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter auf. Darüber hinaus kann auch eine noch höhere Dotierstoffkonzentration in der ersten Zwischenschicht oder einem Teilbereich der ersten Zwischenschicht von beispielsweise 6×1019 Atomen pro Kubikzentimeter oder 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter zweckmäßig sein. Für die elektrische Leitfähigkeit innerhalb eines Halbleitermaterials existiert ein Optimum der Dotierstoffkonzentration bei einem Wert von etwa 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter. Daher ist es zur Verringerung des elektrischen Widerstandes der ersten Zwischenschicht oder eines Teilbereichs der ersten Zwischenschicht vorteilhaft, die Dotierstoffkonzentration auf diesen Wert einzustellen. Weitergehend weist die erste Zwischenschicht oder ein Teilbereich der ersten Zwischenschicht vorzugsweise eine niedrigere Konzentration des p-Dotierstoffes auf als die Kontaktschicht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements variiert die Konzentration des p-Dotierstoffes in einer Richtung entlang eines Normalenvektors einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers und weist einen stufenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Stufen und/oder einen rampenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Rampen auf. Die Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers verläuft insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung des Halbleiterkörpers. Weitergehend können die Stufen oder Rampen der Dotierstoffkonzentration auch unterschiedliche Steigungen aufweisen. Um die Eindringtiefe des p-Dotierstoffes in die erste Zwischenschicht möglichst gering zu halten, ist es von Vorteil, einen möglichst abrupten Anstieg der Dotierstoffkonzentration mit einem möglichst großen Gradienten zu wählen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements variiert die Konzentration des p-Dotierstoffes in einer Richtung entlang des Normalenvektors einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers innerhalb der Zwischenschicht und weist insbesondere einen stufenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Stufen und/oder einen rampenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Rampen auf. Das heißt die Konzentration des p-Dotierstoffes nimmt bereits innerhalb der Zwischenschicht zu. Dadurch ist das Erreichen einer ausreichend hohen Dotierstoffkonzentration in der nachfolgenden Kontaktschicht vorteilhaft erleichtert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements erstreckt sich der stufenförmige Verlauf der Konzentration des p-Dotierstoffes in eine Richtung entlang eines Normalenvektors der Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers höchstens 50nm, bevorzugt höchstens 30nm und besonders bevorzugt höchstens 10nm in die erste Zwischenschicht. Dadurch wird innerhalb der ersten Zwischenschicht die Konzentration der freien Ladungsträger gering gehalten. Eine geringe Ladungsträgerkonzentration innerhalb der ersten Zwischenschicht ist von Vorteil für eine geringe optische Absorption der elektromagnetischen Strahlung, welche sich teilweise innerhalb der ersten Zwischenschicht ausbreitet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die Kontaktschicht p-leitend dotiert, beispielsweise mit dem Dotierstoff Magnesium, Zink oder Kohlenstoff.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist das Halbleiterbauelement als Halbleiterlaser ausgebildet und die aktive Schicht ist zur Erzeugung von kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Ein Halbleiterlaser zeichnet sich durch die Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung mittels stimulierter Emission aus.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die aktive Schicht zumindest bereichsweise von einem Wellenleiterbereich umgeben. Dabei kann die erste Zwischenschicht als eine an den Wellenleiterbereich angrenzende Mantelschicht ausgebildet sein, oder die erste Zwischenschicht selbst bildet den Wellenleiterbereich. Der Wellenleiterbereich kann aus einer oder mehreren Schichten gebildet sein. Der Wellenleiterbereich ist im Wesentlichen durch seinen von seiner Umgebung abweichenden optischen Brechungsindex gekennzeichnet. Der Brechungsindexsprung an den Grenzflächen des Wellenleiterbereichs ermöglicht eine Totalreflexion von elektromagnetischer Strahlung und bewirkt so eine Führung der elektromagnetischen Strahlung. Dadurch kann die optische Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements erhöht werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge kleiner oder gleich 400nm insbesondere von kleiner oder gleich 360nm auf. Das Halbleiterbauelement kann auch eine inkohärente Strahlungsquelle sein, wie zum Beispiel eine UV-LED.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements weist die Kontaktschicht eine Dicke von höchstens 30nm vorzugsweise von höchstens 10nm auf. Um einen an der Grenzfläche der ersten Zwischenschicht und der Kontaktschicht auftretenden Piezoeffekt ausnutzen zu können, ist es vorteilhaft, die Kontaktschicht möglichst dünn auszuführen um somit die Anschlussschicht nahe an diese Grenzfläche der ersten Zwischenschicht und der Kontaktschicht anzuordnen. Gleichzeitig sollte die Kontaktschicht eine ausreichende Dicke aufweisen um an der Grenze der Kontaktschicht zur Anschlussschicht eine ausreichend hohe Dotierstoffkonzentration aufbauen zu können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist die aktive Schicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet und das Halbleiterbauelement weist im Betrieb eine reduzierte Flussspannung auf. Reduzierte Flussspannung bedeutet, dass das Bauelement eine kleinere Flussspannung aufweist als ein Bauelement mit denselben Parametern, insbesondere Schichtdicken und Dotierungen und einer Kontaktschichtdicke von mindestens 60nm.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterkörpers ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1 einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 einen Verlauf der Bandstruktur innerhalb eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 3A und 3B schematische Querschnitte durch Teile eines Halbleiterkörpers gemäß einem zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel und jeweils zugehörige Simulationsergebnisse der p-Ladungsträgerkonzentrationen innerhalb der Halbleiterkörper,
    • 4A bis 4C, 5A bis 5C, 6A bis 6C, 7A bis 7C und 8A bis 8D schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht und die Kontaktschicht von optoelektronischen Halbleiterkörpern in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Dotierprofilen, und
    • 9 den Verlauf der Flussspannung in Abhängigkeit des Stromes eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten, es sei denn, Einheiten sind ausdrücklich angegeben. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein optoelektronisches Halbeiterbauelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 10 mit einer zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichteten aktiven Schicht 103, einer ersten Zwischenschicht 101 und einer p-leitenden Kontaktschicht 104. Auf dem Halbleiterkörper 10 ist eine Anschlussschicht 121 aufgebracht, die zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers 10 dient und beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein kann. Weitergehend umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 einen p-leitenden Bereich 20 und einen n-leitenden Bereich 30. Der p-leitende Bereich 20 umfasst eine Abstandsschicht 150, eine Elektronenblockierschicht 140, eine erste Wellenleiterschicht 131, die erste Zwischenschicht 101 und die p-leitende Kontaktschicht 104. Alle Schichten des p-leitenden Bereichs sind beispielsweise mit Magnesium oder Zink dotiert und weisen eine p-Leitfähigkeit auf. Der n-leitende Bereich 30 umfasst eine zweite Zwischenschicht 102, eine zweite Wellenleiterschicht 132, eine dritte Wellenleiterschicht 133 und eine Pufferschicht 160. Sämtliche Schichten des n-leitenden Bereichs 30 sind beispielsweise mit Silizium oder Sauerstoff dotiert und weisen eine n-Leitfähigkeit auf. Die Halbleiterschichten basieren auf einem Galliumnitridverbindungshalbleitermaterial und werden vorzugsweise epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen. Die aktive Schicht 103 ist zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und weist bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf (SQW, single quantum well) oder, besonders bevorzugt, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) auf. Mittels der Wellenleiterschichten 131, 132, 133 wird ein die aktive Schicht 103 umgebender Wellenleiter gebildet, in dem die erzeugte elektromagnetische Strahlung geführt wird. Durch die Elektronenblockierungsschicht 140 werden die Ladungsträger in der aktiven Schicht 103 eingeschlossen. Dadurch erhöht sich dort vorteilhaft die strahlende Rekombinationswahrscheinlichkeit und somit die Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1. Die aktive Schicht 103 ist von der Abstandsschicht 150 sowie der zweiten Wellenleiterschicht 132 umgeben. Zusammen mit der ersten Wellenleiterschicht 131 und der dritten Wellenleiterschicht 133 bilden die Abstandsschicht 150 sowie die zweite Wellenleiterschicht 132 einen Wellenleiterbereich aus, der zur Führung der in der aktiven Schicht 103 im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung dienen kann. Die erste Zwischenschicht 101 und die zweite Zwischenschicht 102 erfüllen in diesem Ausführungsbeispiel die Aufgabe einer Mantelschicht, die die geführte elektromagnetische Strahlung von der Kontaktschicht 104 und der Pufferschicht 160 fern hält, um die optische Absorption vorteilhaft gering zu halten.
  • 2 zeigt einen Verlauf der Bandstruktur innerhalb eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Verlauf der Bandstruktur bestimmt sich aus der chemischen Zusammensetzung des Halbleiterkörpers. Je größer die Aluminiumkonzentration in einem Galliumnitridhalbleiter ist, desto größer wird der Bandlückenabstand. Eine Erhöhung der Indiumkonzentration hingegen bewirkt eine Erniedrigung des Bandlückenabstandes. Von links nach rechts sind in dem Bandlückenverlauf innerhalb des Halbleiterkörpers 10 die Kontaktschicht 104, die erste Zwischenschicht 101, die erste Wellenleiterschicht 131, die Elektronenblockierschicht 140, die Abstandsschicht 150, die aktive Schicht 103, die zweite Wellenleiterschicht 132, die dritte Wellenleiterschicht 133, zweite Zwischenschicht 102 und die Pufferschicht 160 erkennbar.
  • 3A zeigt einen schematischen Querschnitt durch die erste Zwischenschicht 101, die Kontaktschicht 104 und die Anschlussschicht 121 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und ein Simulationsergebnis der p-Ladungsträgerkonzentration innerhalb der ersten Zwischenschicht 101, der Kontaktschicht 104 und der Anschlussschicht 121. Der hier dargestellte Teil eines Halbleiterkörpers 10 weist eine erste Zwischenschicht 101, eine Kontaktschicht 104 und eine Anschlussschicht 121 auf. Die Kontaktschicht 104 weist eine Ausdehnung entlang eines Normalenvektors der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten von mehr als 50nm auf.
  • Oberhalb des abgebildeten Querschnitts des Halbleiterkörpers 10 ist ein Simulationsergebnis der Ladungsträgerkonzentrationen innerhalb des Halbleiterkörpers 10 gezeigt. Dabei ist ersichtlich, dass sich an der Grenzfläche zwischen der ersten Zwischenschicht 101 und der Kontaktschicht 104 ein lokales Maximum der freien Ladungsträgerkonzentration ausbildet. Dieses lokale Maximum beruht auf dem durch die Gitterfehlanpassung zwischen der ersten Zwischenschicht 101 und der Kontaktschicht 104 hervorgerufenen Piezoeffekt. Weitergehend ist ein ansteigender Verlauf der freien Ladungsträgerkonzentration mit dem Erreichen der Anschlussschicht 121 erkennbar. Die Ladungsträgerkonzentration an der Grenzfläche der Kontaktschicht 104 und der Anschlussschicht 121 erreicht ihr Maximum bei einem Wert von circa 1×1020 Ladungsträgern pro Kubikzentimeter. Die Kontaktschicht 104 ist beispielsweise mit Magnesium dotiert. Der Verlauf der Magnesiumkonzentration sowie der Verlauf des Aluminiumanteils sind in den Graphen zwischen dem Simulationsergebnis und dem schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper dargestellt. Die Ortskoordinaten der Dotierstoffkonzentrationen und des schematischen Querschnitts stimmen miteinander überein. Die erste Zwischenschicht 101 besitzt einen hohen Aluminiumgehalt, der erst zum Übergang der ersten Zwischenschicht 101 zur Kontaktschicht 104 stark abnimmt. Die Magnesiumkonzentration innerhalb der ersten Zwischenschicht 101 ist auf einen für die elektrische Leitfähigkeit optimalen Wert von 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter eingestellt, nimmt innerhalb der Kontaktschicht 104 einen stufenartig ansteigende Form ein und erreicht einen Wert von größer als 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter. Bedingt durch eine Ausdehnung der Kontaktschicht von mehr als 50nm trägt der Piezoeffekt nur sehr wenig zur Generation von freien Ladungsträgern für den Übergang von der Kontaktschicht 104 zur Anschlussschicht 121 bei.
  • 3B zeigt einen schematischen Querschnitt durch die erste Zwischenschicht 101, die Kontaktschicht 104 und die Anschlussschicht 121 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und ein Simulationsergebnis der p-Ladungsträgerkonzentration innerhalb der ersten Zwischenschicht 101, der Kontaktschicht 104 und der Anschlussschicht 121. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, bis auf die Ausdehnung der Kontaktschicht entlang eines Normalenvektors der Halbleiterschichten. Die Kontaktschicht 104 im dritten Ausführungsbeispiel weist eine Ausdehnung entlang der Stapelrichtung von weniger als 10nm auf. Um trotz dieser geringen Ausdehnung der Kontaktschicht eine für die Kontaktierung der Anschlussschicht 121 ausreichend hohe Dotierstoffkonzentration zu erreichen, nimmt bereits innerhalb der ersten Zwischenschicht 101 die Magnesiumkonzentration stark zu und erreicht an der Grenzfläche der Kontaktschicht 104 mit der Anschlussschicht 121 eine Konzentration von mehr als 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter. In dem dazugehörigen Simulationsergebnis ist erkennbar, dass die metallische Anschlussschicht 121 so nahe an der Grenzfläche zwischen der ersten Zwischenschicht 101 und der Kontaktschicht 104 angeordnet ist, dass die durch den Piezoeffekt generierten freien Ladungsträger zu einer Kontaktierung der Anschlussschicht 121 verwendet werden können. Damit trägt der Piezoeffekt zu einer Erhöhung der freien Ladungsträgerdichte am Übergang von Anschlussschicht 121 zu Kontaktschicht 104 bei und verringert vorteilhaft die Flussspannung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1.
  • Die 4A bis 4C zeigen schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht 101 und die Kontaktschicht 104 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Profilen des Aluminiumanteils und der Magnesiumkonzentration. Der Aluminiumanteil innerhalb der ersten Zwischenschicht 101 beträgt etwa 6% und fällt am Übergang zur Kontaktschicht 104 stark ab. Die Magnesiumkonzentration innerhalb der ersten Zwischenschicht 101 beträgt etwa 2×1019 Atome pro Kubikzentimeter und steigt bereits etwas vor dem Übergang der ersten Zwischenschicht 101 zur Kontaktschicht 104 stark an auf einen Wert oberhalb von 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter. Die 4A bis 4C unterscheiden sich in der Ausdehnung der an die erste Zwischenschicht 101 angrenzenden Kontaktschicht 104 entlang ihrer Stapelrichtung. Die Dicke der Kontaktschicht variiert dabei in einem Bereich von 10nm in 4A bis maximal 50nm in 4C. Mit abnehmender Dicke der Kontaktschicht verstärkt sich vorteilhaft der nutzbare Piezoeffekt für die Kontaktierung der metallischen Anschlussschicht.
  • Die 5A bis 5C zeigen schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht 101 und die Kontaktschicht 104 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Profilen des Aluminiumanteils und der Magnesiumkonzentration. Die Profile des Aluminiumanteils stimmen mit den Profilen aus den 4A bis 4C überein. Die Ausführungsformen in den 5A bis 5C unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Höhe der Magnesium Dotierstoffkonzentrationen in der ersten Zwischenschicht 101 und der angrenzenden Kontaktschicht 104 entlang ihrer Stapelrichtung voneinander.
  • Die Form der Profile der Magnesiumkonzentration stimmt im Wesentlichen mit der Form der Profile der Magnesiumkonzentration in den 4A bis 4C überein, wobei die maximale Höhe der Dotierstoffkonzentration in einem Bereich von mindestens 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter in 5A bis maximal 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter in 5C variiert. Je höher die Dotierstoffkonzentration, desto geringer ist der Übergangswiderstand zur Anschlussschicht 121.
  • Die 6A bis 6C zeigen schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht 101 und die Kontaktschicht 104 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Profilen des Aluminiumanteils und der Magnesiumkonzentration. Die Profile des Aluminiumanteils stimmen mit den Profilen aus den 4A bis 4C überein. Die Ausführungsformen in den 6A bis 6C unterscheiden sich durch die Tiefe der Dotierung. Die Tiefe der Dotierung meint in diesem Zusammenhang die Eindringtiefe der Magnesiumdotierung in die erste Zwischenschicht 101. Diese Dotierungstiefe variiert zwischen höchstens 50nm in 6C und minimal 10nm in 6B. Eine größere Eindringtiefe bringt den Vorteil mit sich, das auch ein flacherer Anstieg der Dotierstoffkonzentration ausreicht, um am Ende der Kontaktschicht eine ausreichend hohe Dotierstoffkonzentration zu erreichen. Gleichzeitig ermöglicht nur eine geringe Eindringtiefe eine vorteilhaft geringe optische Absorption innerhalb der ersten Zwischenschicht 101.
  • Die 7A bis 7C zeigen schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht 101 und die Kontaktschicht 104 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Profilen des Aluminiumanteils und der Magnesiumkonzentration. Die Profile des Aluminiumanteils stimmen mit den Profilen aus den 4A bis 4C überein. Die Ausführungsformen in den 7A bis 7C unterscheiden sich in der Form und Steilheit der Profile der Magnesiumkonzentration. Der Anstieg der Magnesiumkonzentration kann entweder abrupt, wie in 7A oder kontinuierlich wie in 7B erfolgen oder auch in mehreren Stufen unterschiedlicher Steigung wie in 7C ausgebildet sein. Beispielsweise weist die Magnesiumkonzentration einen Gradienten von mindestens 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter pro 100nm und bevorzugt einen Gradienten von mindestens 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter pro 30nm auf. Ein großer Gradient der Magnesiumkonzentration ermöglicht eine geringe Eindringtiefe des Magnesiums in die erste Zwischenschicht 101, wodurch die optische Absorption innerhalb der ersten Zwischenschicht 101 vorteilhaft gering gehalten werden kann. Mit anderen Worten ein möglichst abrupter Anstieg ist für eine hohe Effizienz vorteilhaft.
  • Die 8A bis 8D zeigen schematische Querschnitte durch die erste Zwischenschicht 101 und die Kontaktschicht 104 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in verschiedenen Ausführungsformen und den dazugehörigen Profilen des Aluminiumanteils und der Magnesiumkonzentration. Die Profile der Magnesiumkonzentration stimmen mit den Profilen aus den 4A bis 4C überein. Die Ausführungsformen in den 8A bis 8D unterscheiden sich durch die Ausprägung der Profile des Aluminiumgehalts. Der Aluminiumgehalt kann stetig, wie in 8A und 8B, oder abrupt, wie in 8D, abnehmen. Beispielsweise kann auch ein mehrstufiger Verlauf mit unterschiedlichen Steigungswerten wie in 8C die Rampe bestimmen. Durch einen möglichst abrupten Verlauf ergibt sich eine besonders große Gitterfehlanpassung und damit eine vorteilhaft große Ausprägung des Piezoeffektes an der Grenzschicht zwischen der ersten Zwischenschicht 101 und der Kontaktschicht 104.
  • 9 zeigt den Verlauf der Flussspannung in Abhängigkeit des Stromes eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 gemäß dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel ist in dem mit Buchstaben A gekennzeichneten Graphen dargestellt, während das dritte Ausführungsbeispiel durch den Graphen mit dem Buchstaben B dargestellt ist. Aufgetragen ist jeweils die Flussspannung V in Volt über dem Betriebsstrom I des optoelektronischen Halbleiterbauelements in Milliampere. Dabei ist ersichtlich, dass die Flussspannungswerte in Abhängigkeit des Stromes bei dem optoelektronischen Bauelement B gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel vorteilhaft verringert sind. Eine verringerte Flussspannung erhöht gleichzeitig die elektrische Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optoelektronisches Halbleiterbauelement
    10
    Halbleiterkörper
    20
    p-leitender Bereich
    30
    n-leitender Bereich
    101
    erste Zwischenschicht
    102
    zweite Zwischenschicht
    103
    aktive Schicht
    104
    Kontaktschicht
    121
    Anschlussschicht
    131
    erste Wellenleiterschicht
    132
    zweite Wellenleiterschicht
    133
    dritte Wellenleiterschicht
    140
    Elektronenblockierschicht
    150
    Abstandsschicht
    160
    Pufferschicht
    A
    optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
    B
    optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
    I
    Strom
    V
    Spannung

Claims (18)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) mit einem Halbleiterkörper (10), in dem eine zur Erzeugung oder Detektion von elektromagnetischer Strahlung eingerichtete aktive Schicht (103), eine erste Zwischenschicht (101) und eine p-leitende Kontaktschicht (104) ausgebildet sind, und einer auf den Halbleiterkörper (10) aufgebrachten Anschlussschicht (121), wobei - die Kontaktschicht (104) zwischen der ersten Zwischenschicht (101) und der Anschlussschicht (121) angeordnet ist und an die Anschlussschicht (121) angrenzt, - die aktive Schicht (103) auf einer der Kontaktschicht (121) abgewandten Seite der ersten Zwischenschicht (101) angeordnet ist, - die erste Zwischenschicht (101) und die Kontaktschicht (103) auf einem Nitridverbindungshalbleiter basieren, - die Kontaktschicht (104) mit einem p-Dotierstoff dotiert ist, - die Kontaktschicht (104) eine Dicke von höchstens 50nm aufweist, und - die Kontaktschicht (104) einen geringeren Aluminiumgehalt aufweist als die erste Zwischenschicht (101) .
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Kontaktschicht (104) frei von Aluminium ist oder einen Aluminiumanteil von 1% oder weniger aufweist.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Zwischenschicht (101) aus einem Aluminiumgalliumnitrid oder einem Aluminiumindiumgalliumnitrid gebildet ist.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktschicht (104) aus einem Indiumgalliumnitrid gebildet ist.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlussschicht (121) eine metallische Schicht oder eine aus einem TCO gebildete Schicht ist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich an der Grenzfläche zwischen der Kontaktschicht (104) und der ersten Zwischenschicht (101) ein zweidimensionales Ladungsträgergas ausbildet, dessen Verteilung bis an die Anschlussschicht (121) heranreicht.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Zwischenschicht (101) zumindest seitens der Kontaktschicht (104) mit dem p-Dotierstoff dotiert ist.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktschicht (104) eine Konzentration des p-Dotierstoffes von mindestens 2×1019 Atomen pro Kubikzentimeter, vorzugsweise mindestens 6×1019 Atomen pro Kubikzentimeter, weiter bevorzugt mindestens 1×1020 Atomen pro Kubikzentimeter aufweist.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Zwischenschicht (101) oder ein Teilbereich der ersten Zwischenschicht (101) eine Konzentration des p-Dotierstoffes von mindestens 1×1019 Atomen pro Kubikzentimeter aufweist.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Konzentration des p-Dotierstoffes in einer Richtung entlang eines Normalenvektors einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers (10) variiert, und insbesondere einen stufenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Stufen und/oder einen rampenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Rampen aufweist.
  11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Konzentration des p-Dotierstoffes in einer Richtung entlang des Normalenvektors einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers (10) innerhalb der Zwischenschicht (101) variiert, und insbesondere einen stufenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Stufen und/oder einen rampenförmigen Verlauf mit einer oder mehreren Rampen aufweist.
  12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem sich der stufenförmige Verlauf der Konzentration des p-Dotierstoffes in einer Richtung entlang des Normalenvektors der Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers (10) höchstens 50nm in die erste Zwischenschicht (101) erstreckt.
  13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktschicht (104) mit dem Dotierstoff Magnesium oder Zink p-leitend dotiert ist.
  14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (1) als Halbleiterlaser ausgebildet ist, und die aktive Schicht (103) zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist.
  15. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die aktive Schicht (103) zumindest bereichsweise von einem Wellenleiterbereich umgeben ist, und die erste Zwischenschicht (101) eine an den Wellenleiterbereich angrenzende Mantelschicht ist, oder die erste Zwischenschicht (101) den Wellenleiterbereich bildet.
  16. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die im Betrieb in der aktiven Schicht (103) emittierte elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge kleiner oder gleich 400nm aufweist.
  17. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktschicht (104) eine Dicke von höchsten 30nm, vorzugsweise von höchsten 10nm aufweist.
  18. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Schicht (103) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist und das optoelektronische Halbleiterbauelement (1) im Betrieb eine reduzierte Flussspannung aufweist.
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