DE102017120522A1 - Licht emittierendes Halbleiterbauelement - Google Patents

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Britta Göötz
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Abstract

Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement (100) mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) basierend auf einem Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem angegeben, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (1) eine Licht emittierende Halbleiterschicht (10), die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelements (100) Licht abzustrahlen, zwischen einer ersten Mantelschicht (11) und einer zweiten Mantelschicht (12) sowie zumindest eine erste Halbleiterschutzschicht (13) aufweist, die erste Halbleiterschutzschicht (13) innerhalb der als Außenschicht ausgebildeten ersten Mantelschicht (11) oder unmittelbar auf der ersten Mantelschicht (11) auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) abgewandten Seite als Außenschicht angeordnet ist und die erste Halbleiterschutzschicht (13) einen niedrigeren Aluminiumgehalt als die erste Mantelschicht aufweist.

Description

  • Es wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement angegeben.
  • Epitaktisch gewachsene Halbleiterstrukturen werden heutzutage für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt. Zur Erzeugung von sichtbarem Licht im grünen bis roten Spektralbereich dienen vor allem Epitaxiestrukturen mit aktiven Zonen, die auf InAlGaP- und InAlGaAs-Halbleitermaterialien basieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei solchen Bauteilen trotz die Lichtauskopplung steigernder Maßnahmen wie beispielsweise Aufrauungen die Effizienz gering sein kann, was unter anderem an der chemischen Stabilität der Oberflächen liegen kann, die nahe der aktiven Zone angeordnet sind.
  • Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere durch ein Epitaxieverfahren hergestellt werden, also mittels epitaktischen Aufwachsens von Halbleiterschichten auf einem Aufwachssubstrat. Geeignete Epitaxieverfahrens können beispielsweise metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) sein.
  • Die Halbleiterschichtenfolge weist zumindest eine Licht emittierende Halbleiterschicht auf, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelements Licht abzustrahlen. Die Halbleiterschichtenfolge kann auf einem Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem, also InxAlyGa1-x-yP und/oder InxAlyGa1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, basieren und zumindest eine Halbleiterschicht oder eine Mehrzahl von Halbleiterschichten aufweisen oder daraus bestehen, die auf einem solchen Material basieren. Das Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialsystem und das Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem können kurz auch als InAlGaP und als InAlGaAs bezeichnet werden. Eine Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine Licht emittierende Halbleiterschicht auf Basis von InGaAlP aufweist, kann im Betrieb des Halbleiterbauelements beispielsweise bevorzugt Licht mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem grünen bis roten Wellenlängenbereich emittieren. Eine Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine Licht emittierende Halbleiterschicht auf Basis von InAlGaAs aufweist, kann im Betrieb des Halbleiterbauelements beispielsweise bevorzugt Licht mit einer oder mehreren spektralen Komponenten in einem roten bis infraroten Wellenlängenbereich emittieren.
  • Die Halbleiterschichtenfolge kann entsprechend der gewünschten Funktionalität des Licht emittierenden Halbleiterbauelements ausgebildet sein und beispielsweise anstelle der hier und im Folgenden beschriebenen einen Licht emittierenden Halbleiterschicht auch mehrere Licht emittierende Halbleiterschichten aufweisen. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine erste und eine zweite Mantelschicht aufweisen, zwischen denen die Licht emittierende Halbleiterschicht angeordnet ist. Mit Mantelschichten werden hier und im Folgenden insbesondere solche Halbleiterschichten bezeichnet, die in einer Halbleiterschichtenfolge üblicherweise in Aufwachsrichtung auf beiden Seiten der Licht emittierenden Halbleiterschicht angeordnet sind und die einen Einschlussbereich für Ladungsträger bilden. Dementsprechend weisen die Mantelschichten eine größere Bandlücke als die dazwischen angeordnete Licht emittierende Halbleiterschicht auf. Die Variation der Bandlücken der Schichten der Halbleiterschichtenfolge kann durch eine Variation des Phosphid-und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterials erfolgen. Insbesondere das Verhältnis von Ga-Atomen zu Al-Atomen kann zu einer Variation der Bandlücke bei gleichzeitig geringen Variationen der Gitterparameter führen. Besonders bevorzugt weisen die erste und zweite Mantelschicht in der Halbleiterschichtenfolge, die auf einem Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert, einen höheren Aluminiumgehalt als die Licht emittierende Halbleiterschicht auf. In Licht emittierenden Halbleiterbauelementen, die eine auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialsystem basierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen, können beispielsweise erste und zweite Mantelschichten mit oder aus Al0.25In0.25P oder mit höheren Aluminiumgehalten vorteilhaft sein.
  • Die Erzeugung von Licht in der Licht emittierenden Halbleiterschicht kann auf Elektrolumineszenz oder Fotolumineszenz beruhen. Entsprechend kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement ein elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement oder ein fotolumineszierendes Halbleiterbauelement sein. In beiden Fällen werden durch eine Anregung und Rekombination von Ladungsträgern, insbesondere von Elektron-Loch-Paaren, Photonen erzeugt. Im Falle eines elektrolumineszierenden Halbleiterbauelements erfolgt die Anregung, also die Erzeugung von Ladungsträgern in der Halbleiterschichtenfolge, durch die Einprägung eines elektrischen Stroms in die Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall kann das Licht emittierende Halbleiterbauelemente insbesondere beispielsweise als Leuchtdiodenchip ausgebildet sein. Die Strominjektion erfolgt üblicherweise durch die Mantelschichten mit einer im Vergleich zur Licht emittierenden Halbleiterschicht größeren Bandlücke in die Licht emittierende Halbleiterschicht, in der die Ladungsträger wie beschrieben unter Erzeugung von Photonen rekombinieren können. Im Falle eines fotolumineszierenden Halbleiterbauelements erfolgt die Anregung durch Einstrahlung von Anregungslicht beispielsweise einer externen Pumplichtquelle, das in der Halbleiterschichtenfolge und insbesondere in der Licht emittierenden Halbleiterschicht absorbiert werden kann. Da üblicherweise Photonen absorbiert werden, die eine höhere Energie aufweisen als die Photonen, die durch Rekombination in der Licht emittierenden Halbleiterschicht erzeugt werden, kann im Falle eines fotolumineszierenden Halbleiterbauelements dieses insbesondere ein Konversionselement, auch als so genannter epitaktischer Konverter oder Epi-Konverter bezeichenbar, bilden. Wie im Falle eines elektrolumineszierenden Halbleiterbauelements ist die Licht emittierende Halbleiterschicht bei einem fotolumineszierenden Halbleiterbauelement zwischen den Mantelschichten angeordnet, die im Vergleich zur Licht emittierenden Halbleiterschicht eine größere Bandlücke aufweisen, um einen effizienten Einschluss von Ladungsträgern in der Licht emittierenden Halbleiterschicht zu erreichen. Im Unterschied zu elektrolumineszierenden Halbleiterbauelementen werden in fotolumineszierenden Halbleiterbauelementen aber keine Stromaufweitungsschichten benötigt, die typischerweise 1 bis 2 µm dick sein können, da keine Strominjektion erfolgt und damit auch keine Notwendigkeit für eine Stromaufweitung gegeben ist. Weiterhin ist es bei einem fotolumineszierenden Halbleiterbauelement üblicherweise notwendig, das Aufwachssubstrat zu entfernen, insbesondere wenn dieses für das in der Licht emittierenden Halbleiterschicht erzeugte Licht oder für das Anregungslicht nicht oder nur wenig transparent ist. Epi-Konverter können daher kostengünstiger und kompakter als Leuchtdiodenchips sein.
  • Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge insbesondere zwischen der ersten und zweiten Mantelschicht, von denen eine p- und die andere n-dotiert sein kann, weitere Halbleiterschichten aufweisen, beispielsweise p- und/oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, weitere undotierte und/oder p- und/oder n-dotierte Confinement-, Cladding- und/oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten und/oder Schutzschichten. Zusätzlich kann das Halbleiterbauelement eine oder mehrere Kontaktmetallisierungen aufweisen, mittels derer die Halbleiterschichtenfolge im Falle eines elektrolumineszierenden Halbleiterbauelements elektrisch kontaktiert werden kann.
  • Weiterhin kann das Halbleiterbauelement ein Substrat aufweisen, das beispielsweise ein Aufwachssubstrat sein kann, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen ist. Alternativ dazu kann die Halbleiterschichtenfolge nach dem Aufwachsen auf ein als Trägersubstrat ausgebildetes Substrat übertragen werden und das Aufwachssubstrat kann entfernt werden. Als Substratmaterialien können sich beispielsweise Halbleitermaterialien wie GaAs, GaP, Ge oder Si eigenen. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass die Halbleiterschichtenfolge nach dem Aufwachsen vom Aufwachssubstrat abgelöst wird, ohne dass die Halbleiterschichtenfolge auf ein Trägersubstrat übertragen wird, so dass das Halbleiterbauelement auch substratlos sein kann. Dies kann, wie vorab beschrieben, insbesondere vorteilhaft im Falle eines fotolumineszierenden Halbleiterbauelements sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine erste Halbleiterschutzschicht auf. Die erste Halbleiterschutzschicht kann besonders bevorzugt unmittelbar auf der ersten Mantelschicht auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht abgewandten Seite angeordnet sein und eine Außenschicht der Halbleiterschichtenfolge bilden. Als Außenschicht wird hier im Folgenden eine Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge bezeichnet, mit der die Halbleiterschichtenfolge entlang der Aufwachsrichtung der Halbleiterschichten abschließt, die also eine von der Licht emittierenden Halbleiterschicht abgewandte Oberfläche aufweist, die eine Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge bildet. Die erste Halbleiterschutzschicht kann alternativ hierzu innerhalb der ersten Mantelschicht angeordnet sein, die in diesem Fall als Außenschicht der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist. Die erste Mantelschicht kann hierzu insbesondere eine erste und eine zweite Teilschicht aufweisen, zwischen denen die erste Halbleiterschutzschicht in unmittelbarem Kontakt angeordnet ist. Insbesondere kann die erste Teilschicht zwischen der Halbleiterschutzschicht und der Licht emittierenden Halbleiterschicht angeordnet sein, während die zweite Teilschicht auf der der Licht emittierenden Halbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Halbleiterschutzschicht aufgebracht ist und somit die Außenseite der Halbleiterschichtenfolge bildet.
  • Insbesondere können die erste Mantelschicht und die erste Halbleiterschutzschicht Halbleitermaterialien aus demselben Verbindungshalbleitermaterialsystem aufweisen und besonders bevorzugt daraus sein. Mit anderen Worten weisen die erste Mantelschicht und die erste Halbleiterschutzschicht jeweils ein Halbleitermaterial basierend auf InAlGaP oder basierend auf InAlGaAs auf oder sind daraus. Weiterhin weist die erste Halbleiterschutzschicht einen niedrigeren Aluminiumgehalt als die erste Mantelschicht auf. Halbleiterschichten mit einem hohen Gehalt an Aluminium können während der Durchführung von nasschemischen Verfahrensschritten sowie auch beispielsweise im Betrieb in feuchtigkeits- und/oder sauerstoffhaltigen Atmosphären degradieren, da der hohe Aluminiumgehalt eine Oxidation des Halbleitermaterials begünstigen kann. Dadurch, dass die erste Halbleiterschutzschicht einen geringeren Aluminiumgehalt als die erste Mantelschicht aufweist, kann die erste Mantelschicht oder zumindest ein erster Teil dieser durch die aus Sicht der Licht emittierenden Halbleiterschicht darauf aufgebrachten ersten Halbleiterschutzschicht vor einer solchen Degradation geschützt werden. Entsprechend kann auch die Licht emittierende Halbleiterschicht durch die erste Halbleiterschutzschicht vor einer Degradation geschützt werden. Der Aluminiumgehalt der ersten Halbleiterschutzschicht kann insbesondere so ausgewählt sein, dass die erste Halbleiterschutzschicht transparent für das von der Licht emittierenden Halbleiterschicht im Betrieb erzeugte Licht ist und gleichzeitig stabil in einer feuchtigkeits- und sauerstoffhaltigen Umgebung ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die erste Halbleiterschicht ein Aluminiumgehalt von mehr als 0% und weniger als 12% aufweist. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Halbleiterschutzschicht eine Dicke von größer oder gleich 10 nm und kleiner gleich 100 nm aufweist. Weist das Halbleiterbauelement ein Substrat auf, ist die Halbleiterschichtenfolge insbesondere mit einer der ersten Halbleiterschutzschicht abgewandten Seite auf dem Substrat angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Halbleiterschutzschicht, wie vorab beschrieben, innerhalb der ersten Mantelschicht angeordnet, wobei die erste Mantelschicht auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht abgewandten Außenseite eine Aufrauung aufweist. Mit anderen Worten kann, wie vorab beschrieben, die erste Halbleiterschutzschicht unmittelbar zwischen einer ersten und einer zweiten Teilschicht der ersten Mantelschicht angeordnet sein, wobei die zweite Teilschicht, die eine Außenseite der ersten Mantelschicht und damit eine Außenseite der Halbleiterschichtenfolge bildet, die Aufrauung aufweist. Die Aufrauung kann beispielsweise durch einen Ätzprozess wie etwa nasschemisches Ätzen hergestellt werden und somit eine Ätzstruktur mit regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Erhebungen und Vertiefungen sein. Bevorzugt reicht die Aufrauung nicht durch die erste Halbleiterschutzschicht hindurch. Besonders bevorzugt reicht die Aufrauung maximal nur bis zur ersten Halbleiterschutzschicht. Mit anderen Worten weist die Aufrauung Strukturen, also insbesondere Vertiefungen, mit einer maximalen Tiefe auf, die kleiner oder gleich der Dicke der zweiten Teilschicht der ersten Mantelschicht ist, so dass keine durch die Aufrauung gebildeten Kanäle durch die erste Halbleiterschutzschicht hindurchreichen. In diesem Fall kann die erste Halbleiterschutzschicht die aus Sicht der Licht emittierenden Halbleiterschicht unter der ersten Halbleiterschutzschicht liegenden Schichten während der Herstellung der Aufrauung in der ersten Mantelschicht vor einer Oxidation schützen. Auch kann erreicht werden, dass die Ausbildung von Kanälen oder Poren durch die erste Mantelschicht hindurch zur Licht emittierenden Halbleiterschicht vermieden wird, wodurch die Stabilität des Halbleiterbauelements auch in einer feuchtigkeits- und/oder sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhöht werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aufrauung eine maximale Strukturtiefe von größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1 µm und besonders bevorzugt von größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 700 nm auf. Dementsprechend weist auch die zweite Teilschicht der ersten Mantelschicht bevorzugt eine Dicke auf, die größer oder gleich den angegebenen Werten ist.
  • Die erste Halbleiterschutzschicht kann je nach Ausbildung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements undotiert sein oder eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung aufweisen. Weiterhin kann die erste Halbleiterschutzschicht eine gleiche Dotierung wie die erste Mantelschicht aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge eine zweite Halbleiterschutzschicht auf einer der ersten Halbleiterschutzschicht gegenüberliegenden Seite der Licht emittierenden Halbleiterschicht auf. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Halbleiterbauelement substratfrei ist. Insbesondere kann die zweite Halbleiterschutzschicht unmittelbar auf der zweiten Mantelschicht auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht abgewandten Seite als weitere Außenschicht angeordnet sein. Die zweite Halbleiterschutzschicht kann eines oder mehrere der in Verbindung mit der ersten Halbleiterschutzschicht beschriebenen Merkmale aufweisen. Insbesondere können die erste und zweite Halbleiterschutzschicht auf einem gleichen Halbleitermaterial basieren. Je nach Ausführung des Halbleiterbauelements können die erste und zweite Halbleiterschutzschicht gleich oder unterschiedlich im Hinblick auf eine Dotierung sein.
  • Bei dem hier beschriebenen Halbleiterbauelement kann durch den zusätzlichen Einbau zumindest der ersten Halbleiterschutzschicht auf einer Seite der Licht emittierenden Halbleiterschicht oder auch der ersten und zweiten Halbleiterschutzschicht auf verschiedenen Seiten der Licht emittierenden Halbleiterschicht nahe oder an den Außenseiten der Halbleiterschichtenfolge mit Vorteil erreicht werden, dass die Stabilität der Halbleiterschichtenfolge und damit des Halbleiterbauelements in feuchtigkeits- und/oder sauerstoffhaltigen Umgebungen gegenüber oxidativen Alterungsprozessen erhöht werden kann, da die im Vergleich zu den Mantelschichten veränderte Zusammensetzung der Halbleiterschutzschicht(en) widerstandsfähiger gegenüber schädigenden Umgebungsbedingungen ist. Dadurch kann es möglich sein, bei als Leuchtdiodenchips und insbesondere auch bei als Epi-Konverter ausgebildeten Halbleiterbauelementen verbesserte Lumineszenzeigenschaften zu erreichen.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
    Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
    • 5 eine schematische Darstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 100 gezeigt, dass eine Halbleiterschichtenfolge 1 aufweist, die auf einem Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem basiert. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement ist als elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement oder als fotolumineszierendes Halbleiterbauelement ausgebildet. Entsprechend weist die Halbleiterschichtenfolge 1 zumindest eine Licht emittierende Halbleiterschicht 10 auf, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelements 100 Licht abzustrahlen. Je nach Ausführung als elektrolumineszierendes oder fotolumineszierendes Halbleiterbauelement kann die Anregung der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 zur Lichterzeugung durch Einprägung eines elektrischen Stroms oder durch optische Anregung mittels eines von außen eingestrahlten Anregungslichts erfolgen. Insbesondere kann es sich bei dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement somit um einen Leuchtdiodenchip oder um einen epitaktisch gewachsenen Konverter, also um einen so genannten Epi-Konverter, handeln.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 1 kann als Licht emittierende Halbleiterschicht 10 beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) und somit eine oder eine Mehrzahl geeigneter funktioneller Halbleiterschichten aufweisen. Zusätzlich können weitere funktionelle Schichten und funktionelle Bereiche vorhanden sein, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding-, Stromaufweitungs- und/oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektrodenschichten sowie Kombinationen daraus. Derartige Schichten, Elemente und Strukturen für elektrolumineszierende und fotolumineszierende Halbleiterbauelemente sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau und Funktion bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
  • Weiterhin weist die Halbleiterschichtenfolge 1 etwa zum effektiven Einschluss von Ladungsträgern in der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 eine erste und eine zweite Mantelschicht 11, 12 auf, zwischen denen die Licht emittierende Halbleiterschicht 10 angeordnet ist. Die Mantelschichten 11, 12 weisen bevorzugt jeweils ein Halbleitermaterial auf, das eine höhere Bandlücke als die Licht emittierende Halbleiterschicht 10 aufweist. In Phosphid- und Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystemen kann dies insbesondere durch einen hohen Aluminiumgehalt erreicht werden. So sind beispielsweise im Falle von Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialsystemen Mantelschichten 11, 12 mit oder aus Al0.25In0.25P oder sogar mit noch höheren Aluminiumgehalten vorteilhaft. Zumindest die erste Mantelschicht 11 oder auch beide Mantelschichten 11, 12 können Außenschichten der Halbleiterschichtenfolge 1 des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 100 bilden und damit der das Halbleiterbauelement 100 umgebenden Atmosphäre zugewandt sein. Je nach Ausführung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 100 können die Mantelschichten 11, 12 jeweils undotiert, p-dotiert oder n-dotiert sein.
  • Aufgrund des hohen Aluminiumgehalts kann jedoch die Gefahr bestehen, dass eine Mantelschicht in einer feuchtigkeits- und/oder sauerstoffhaltigen Umgebung durch Oxidationsprozesse leicht degradiert, was eine Verringerung der Altersstabilität und der Lumineszenzeigenschaften mit sich bringen kann. Daher weist die Halbleiterschichtenfolge 1 weiterhin zumindest eine erste Halbleiterschutzschicht 13 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der ersten Mantelschicht 11 angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die erste Mantelschicht 11 eine erste Teilschicht 111 und eine zweite Teilschicht 112 auf, zwischen denen die erste Halbleiterschutzschicht 13 angeordnet ist. Die zweite Teilschicht 112 bildet entsprechend die Außenschicht der ersten Mantelschicht 11 und somit eine Außenschicht des Halbleiterbauelements 100.
  • Die erste Mantelschicht 11 und die erste Halbleiterschutzschicht 13 weisen Halbleitermaterialien aus demselben Verbindungshalbleitermaterialsystem auf oder sind daraus. Entsprechend weisen die erste Mantelschicht 11 und die erste Halbleiterschutzschicht 13 jeweils ein Halbleitermaterial basierend auf InAlGaP oder basierend auf InAlGaAs auf oder sind daraus. Die erste Halbleiterschutzschicht 13 weist eine derartige Zusammensetzung und Dicke auf, dass die erste Halbleiterschutzschicht 13 zum einen durchlässig für das im Betrieb in der Licht emittierende Halbleiterschicht 10 erzeugte Licht ist und zum anderen im Vergleich zur ersten Mantelschicht 11 weniger stark durch Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff oxidiert wird. Im Hinblick auf diese Anforderungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Halbleiterschutzschicht 13 einen Aluminiumgehalt aufweist, der kleiner als der Aluminiumgehalt der ersten Mantelschicht 11 ist. Insbesondere kann der Aluminiumgehalt mehr als 0% und weniger als 12% sein. Darüber hinaus kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die erste halbe der Schutzschicht 13 eine Dicke von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 100 nm aufweist, so dass die erste Halbleiterschutzschicht 13 zum einen ausreichenden Schutz für die darunter liegenden Halbleiterschichten bieten und zum anderen eine ausreichende Transparenz für das in der Licht emittierende Halbleiterschicht 10 erzeugte Licht aufweisen kann.
  • In 2 ist ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 100 gemäß einem weiteren Ausgangsbeispiel gezeigt, bei dem im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel die erste Halbleiterschutzschicht 13 eine Außenschicht der Halbleiterschichtenfolge 1 bildet. Entsprechend ist die erste Halbleiterschutzschicht 13 in diesem Ausführungsbeispiel auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 abgewandten Seite der ersten Mantelschicht 11 angeordnet. Wie schon in Verbindung mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben kann die erste Halbleiterschutzschicht 13 aufgrund des niedrigeren Aluminiumgehalts im Vergleich zur ersten Mantelschicht 11 stabiler gegen schädigende Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff sein, so dass die Neigung zu Degradation der Halbleiterschichtenfolge 1 erheblich verringert werden kann.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 100 gezeigt, das wie das in Verbindung mit 1 beschriebene Ausführungsbeispiel eine erste Halbleiterschutzschicht 13 innerhalb der als Außenschicht ausgebildeten ersten Mantelschicht 11 aufweist. Da beispielsweise im Fall des Phosphid-Verbindungshalbleitermaterialsystems der Brechungsindex der Außenschichten mit etwa 3,5 sehr groß sein kann, kann die optische Auskopplung von Licht, das in der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 im Betrieb erzeugt wird, erschwert sein. Um die optische Auskopplung zu erhöhen, weist das in 3 gezeigte Licht emittierende Halbleiterbauelement 100 eine Aufrauung 113 auf der der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 abgewandten Außenseite auf. Mit anderen Worten weist die erste Mantelschicht 11 somit in der zweiten Teilschicht 112 die Aufrauung 113 auf.
  • Die Aufrauung 113 kann durch einen Ätzprozess wie etwa nasschemisches Ätzen hergestellt werden und somit eine Ätzstruktur sein, die eine Vielzahl regelmäßig und/oder unregelmäßig angeordneter Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Insbesondere kann die Aufrauung eine maximale Strukturtiefe von größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1 µm aufweisen. Besonders vorteilhaft kann im Hinblick auf eine effiziente optische Auskopplung von Licht eine Strukturtiefe von größer gleich 500 nm kleiner gleich 700 nm sein. Die erste Mantelschicht 11 ist hierbei derart ausgebildet, dass die zweite Teilschicht 112, die die Außenseite bildet, eine Dicke aufweist, die größer oder gleich der maximalen Strukturtiefe der Aufrauung 113 ist. Dadurch kann erreicht werden, dass durch die Aufrauung 113 erzeugte Poren im Halbleitermaterial der ersten Mantelschicht 11 nur maximal bis zur ersten Halbleiterschutzschicht 13 reichen, nicht aber weiter in die erste Mantelschicht 11 hinein und somit beispielsweise auch nicht bis zur Licht emittierenden Halbleiterschicht 10. Bei herkömmlichen Bauelementen, die über keine hier beschriebene Halbleiterschutzschicht verfügen, kann es hingegen passieren, dass durch die Herstellung einer Aufrauung Poren gebildet werden, die bis in den aktiven Bereich hineinragen können, wodurch während der Herstellung der Aufrauung und/oder auch im späteren Betrieb in einer feuchtigkeits- und/oder sauerstoffhaltigen Atmosphäre durch Oxidationsprozesse Degradationen im aktiven Bereich und somit eine Verschlechterung der Lumineszenzeigenschaften hervorgerufen werden können.
  • Mithilfe der ersten Halbleiterschicht 13 kann wie schon in Verbindung mit den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben die Stabilität und Zuverlässigkeit des Licht emittierenden Halbleiterbauelements 100 auch im Falle einer Aufrauung oder einer anderen vergleichbaren Oberflächenstruktur erhöht werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die Konversionseffizienz eines als Epi-Konverter ausgebildeten Licht emittierenden Halbleiterbauelements 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3, das blaues in rotes Licht konvertiert, von 1,5% auf 37% ohne Verwendung einer zusätzlichen Linse und sogar bis 50% bei Verwendung einer zusätzlichen Linse durch die Anordnung einer etwa 10 nm dicken ersten Halbleiterschutzschicht 13 aus Al0.06Ga0.18In0.26P in eine erste Mantelschicht 11 aus AlInP erreicht werden konnte.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 100 gezeigt, bei dem die Halbleiterschichtenfolge 1 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 3 zusätzlich auf einer der ersten Halbleiterschutzschicht 13 gegenüberliegenden Seite der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 eine zweite Halbleiterschutzschicht 14 aufweist. Die zweite Halbleiterschutzschicht 14 kann insbesondere gleich oder ähnlich der ersten Halbleiterschutzschicht 13 ausgebildet sein. Insbesondere können beide Halbleiterschutzschichten 13, 14 auf einem gleichen Halbleitermaterial basieren.
  • Die zweite Halbleiterschutzschicht 14 ist unmittelbar auf der zweiten Mantelschicht 12 auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht 10 abgewandten Seite als weitere Außenschicht angeordnet. Dadurch kann die zweite Halbleiterschutzschicht 14 die in Verbindung mit der ersten Halbleiterschutzschicht 13 in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Schutzfunktion auf der der ersten Halbleiterschutzschicht 13 gegenüberliegenden Seite haben. Die Verwendung von zwei Halbleiterschutzschichten kann insbesondere bei als Epi-Konverter ausgebildeten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen 100 vorteilhaft sein, bei denen es erforderlich ist, das Aufwachssubstrat nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge 1 abzulösen, und bei denen beispielsweise im Vergleich zu Leuchtdioden keine typischerweise 1 bis 2 µm dicke Stromaufweitungsschicht vorhanden ist.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 100 gezeigt, bei dem die Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer der ersten Halbleiterschutzschicht 13 abgewandten Seite auf einem Substrat 2 angeordnet ist. Als Substratmaterialien können sich beispielsweise Halbleitermaterialien wie GaAs, GaP, Ge oder Si eigenen. Bei dem Substrat 2 kann sich beispielsweise um ein Aufwachssubstrat handeln, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgewachsen ist. Weiterhin kann es sich bei dem Substrat 2 auch um ein Trägersubstrat handeln, auf das die Halbleiterschichtenfolge 1 nach dem Aufwachsen auf einem Aufwachssubstrat übertragen wurde.
  • Insbesondere kann es sich bei den gezeigten Halbleiterbauelement 100 um einen Leuchtdiodenchip handeln, der zusätzlich zu den gezeigten Schichten und Elementen weitere, für Leuchtdiodenchips übliche Schichten und Elemente aufweisen kann, beispielsweise insbesondere elektrische Kontaktschichten wie beispielsweise Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements 100.
  • Bei den hier beschriebenen Licht emittierenden Halbleiterbauelementen kann die Verwendung der ersten Halbleiterschutzschicht und gegebenenfalls die zusätzliche Verwendung der zweiten Halbleiterschutzschicht in der vorab beschriebenen Weise zu einer Erhöhung der Stabilität führen, da aufgrund des niedrigeren Aluminiumgehalts der Halbleiterschutzschichten im Vergleich zu den Mantelschichten die Alterung aufgrund von Oxidationsprozessen in sauerstoff- und/oder feuchtigkeitshaltigen Umgebungen deutlich reduziert oder sogar ganz vermieden werden kann. Durch die beschriebene Verwendung der zusätzlichen Halbleiterschutzschicht(en) mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegenüber schädigenden Umgebungsbedingungen können sich somit mit Vorteil vor allem verbesserte Lumineszenzeigenschaften und eine bessere Alterungsstabilität ergeben, da insbesondere vermieden werden kann, dass Feuchtigkeit und/oder andere schädigende Substanzen aus der Umgebung durch Oxidationsprozess die Licht emittierende Halbleiterschicht schädigen können.
  • Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
  • 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 dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterschichtenfolge
    2
    Substrat
    10
    Licht emittierende Halbleiterschicht
    11
    erste Mantelschicht
    12
    zweite Mantelschicht
    13
    erste Halbleiterschutzschicht
    14
    zweite Halbleiterschutzschicht
    100
    Halbleiterbauelement
    111
    Teilschicht
    112
    Teilschicht
    113
    Aufrauung

Claims (15)

  1. Licht emittierendes Halbleiterbauelement (100) mit einer Halbleiterschichtenfolge (1) basierend auf einem Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialsystem, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (1) eine Licht emittierende Halbleiterschicht (10), die dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Halbleiterbauelements (100) Licht abzustrahlen, zwischen einer ersten Mantelschicht (11) und einer zweiten Mantelschicht (12) sowie zumindest eine erste Halbleiterschutzschicht (13) aufweist, - die erste Halbleiterschutzschicht (13) innerhalb der als Außenschicht ausgebildeten ersten Mantelschicht (11) oder unmittelbar auf der ersten Mantelschicht (11) auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) abgewandten Seite als Außenschicht angeordnet ist und - die erste Halbleiterschutzschicht (13) einen niedrigeren Aluminiumgehalt als die erste Mantelschicht aufweist.
  2. Halbleiterbauelement (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste Mantelschicht (11) und die erste Halbleiterschutzschicht (13) Halbleitermaterialien aus demselben Verbindungshalbleitermaterialsystem aufweisen.
  3. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschutzschicht (13) eine Dicke von kleiner oder gleich 100 nm aufweist.
  4. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschutzschicht (13) einen Aluminiumgehalt von mehr als 0% und weniger als 12% aufweist.
  5. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschutzschicht (13) durchlässig für das in der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) im Betrieb des Halbleiterbauelements (100) erzeugte Licht ist.
  6. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschutzschicht (13) innerhalb der ersten Mantelschicht (11) angeordnet ist und die erste Mantelschicht (11) auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) abgewandten Außenseite eine Aufrauung (113) aufweist.
  7. Halbleiterbauelement (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Aufrauung nicht durch die erste Halbleiterschutzschicht (13) hindurch reicht.
  8. Halbleiterbauelement (100) nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei die Aufrauung (113) eine maximale Strukturtiefe von größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1 µm aufweist.
  9. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (1) eine zweite Halbleiterschutzschicht (14) auf einer der ersten Halbleiterschutzschicht (13) gegenüberliegenden Seite der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) aufweist.
  10. Halbleiterbauelement (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die zweite Halbleiterschutzschicht (14) unmittelbar auf der zweiten Mantelschicht (12) auf einer der Licht emittierenden Halbleiterschicht (10) abgewandten Seite als weitere Außenschicht angeordnet ist.
  11. Halbleiterbauelement (100) nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei die erste und zweite Halbleiterschutzschicht auf einem gleichen Halbleitermaterial basieren.
  12. Halbleiterbauelement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge mit einer der ersten Halbleiterschutzschicht abgewandten Seite auf einem Substrat angeordnet ist.
  13. Halbleiterbauelement (100) nach dem vorherigen Anspruch; wobei das Substrat ein Aufwachssubstrat ist, auf dem die Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen ist.
  14. Halbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement ein elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement ist.
  15. Halbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement ein fotolumineszierendes Halbleiterbauelement ist.
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