DE102018115225A1 - Lichtemmitierendes Halbleiterbauelement oder Halbleiterbauelementmodul - Google Patents
Lichtemmitierendes Halbleiterbauelement oder Halbleiterbauelementmodul Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement (1, 2) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (101, 102, 103, 104, 105, 201, 202, 203, 204, 205), gekennzeichnet durch eine leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (106, 206) aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×10cmund angrenzend an eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht (105, 205) aufgebracht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein lichtemmitierendes Halbleiterauelement oder Halbleiterbauelementmodul im Materialsystem der Gruppe-III-Nitride.
- Gruppe-III-Nitride, insbesondere Verbindungen im System AlxGayIn1-x-yN, mit 0 ≤ x,y ≤ 1, x+y ≤ 1, sind prinzipiell für Lichtemitter im UV bis IR Bereich geeignet. Dabei spielt GaN eine herausragende Rolle, da es das Basismaterial moderner Beleuchtungskörper, u.a. umgangssprachlich auch als Glühbirnen bezeichnet, ist. Hier wird meist eine blaue Leuchtdiode genutzt um einen Teil des emittierten Lichts mittels eines Lumineszenzkonverters in längerwelliges Licht umzuwandeln und durch additive Farbmischung den Eindruck von weißem Licht zu vermitteln. Aber auch grünes Licht oder andere Wellenlängen können so effizient realisiert werden.
- Auf Basis von AlGaN werden heutzutage UV-Licht emittierende LEDs realisiert die für vielfältige Anwendungen benötigt werden. Limitierend bei LEDs sind die elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere die p-leitende Schicht, da sie im GaN durch Magnesiumdotierung nur mit Löcherkonzentrationen unterhalb von ca. 1×1018 cm-3 mit dem preiswerten Herstellungsverfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE, MOCVD) hergestellt werden können.
- Für Halbleiter mit größerer Bandlücke, wie AlGaN ist dies weiter erschwert. Hinzu kommt eine sehr geringe Löchermobilität um 10 cm2/Vs im GaN, die einen insgesamt hohen Widerstand der Schicht verursacht, was die Stromverteilung erschwert und den Serienwiderstand des Bauelements erhöht.
- Bei Lichtemittern unersetzlich ist, dass diese keine Schichten aufweisen, welche zu einer nennenswerten Absorption des generierten Lichts und damit Verlusten führen. Insbesondere im System AlGaN ist dies meist der Fall, da zumindest die Kontaktierungsschichten aus GaN:Mg bestehen und damit meist eine energetische Bandlückenenergie unterhalb der des emittierten Lichts aufweisen.
- Standard LEDs für Beleuchtungsanwendungen werden zur besseren Stromverteilung heutzutage meist mit einer Indium-Zinn-Oxidschicht (ITO) auf der p-GaN Schicht hergestellt. Die n-leitende ITO Schicht ist zwar nicht optimal transparent aber verteilt den Strom durch den geringen Schichtwiderstand auch über große LED-Flächen sehr gut.
- Dabei entsteht ein Tunnelkontakt zwischen der p-GaN und der ITO Schicht, welcher zu einem geringen Spannungsabfall und daher Verlusten führt, was den Wirkungsgrad limitiert. Alternativ zu ITO können auch transparente leitfähige Nitride wie germaniumdotiertes GaN eingesetzt werden. Dieses löst die Probleme der Absorption für viele Lichtwellenlängen basiert jedoch auch auf einem Tunnelkontakt zur p-GaN Schicht und führt damit zu einem zusätzlichen elektrischen Widerstand und ist für kurzwelliges Licht wegen der Absorption nicht geeignet.
- Dies wird nun gelöst durch ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und ein Bauelementmodul nach Anspruch 6 und nach einem Verfahren nach Anspruch 7.
- Vorgeschlagen wird ein Lichtemittierendes Halbleiterbauelement (
1 ,2 ) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (101 ,102 ,103 ,104 ,105 ,201 ,202 ,203 ,204 ,205 ), gekennzeichnet durch eine leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (106 ,206 ) aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1019 cm-3 und angrenzend an eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht (105 ,205 ) aufgebracht. - Dabei werden Chalkogenide oder Metallhalogenide als zweites Materialsystem (
106 ,206 ) eingesetzt. - Die Erfindung kann nun zwei Probleme lösen. Zum einen kann sie die ITO Schicht durch eine hoch p-leitende Schicht ersetzen und so zu einer guten Stromverteilung und einem geringen Übergangswiderstand zur p-GaN Schicht führen. Entscheidend ist dafür eine gute energetische Anpassung des Valenzbandes, ebenfalls sollte die Bandlückenenergie oberhalb der Energie des emittierten Lichts liegen um elektrische und optische Verluste zu minimieren.
- Zum anderen kann eine erfindungsgemäße p-leitende Schicht auch direkt auf einer aktiven Struktur, also auf dem n-leitenden bzw. intrinsisch leitenden Teil des Bauelements als Löcherinjektor aufgebracht werden. Bei breitlückigen erfindungsgemäßen Halbleitern ist so auch eine effiziente Löcherinjektion in UV-Lichtemitterstrukturen möglich.
- Dabei sind geeignete Materialien dafür insbesondere die Chalkogenide und hier aufgrund der hohen Bandlückenenergie die p-leitenden Oxide. Zum anderen Metallhalogenide und hier insbesondere das Cul, welches eine ausreichend hohe Bandlückenenergie für die Anwendung auf GaN und Löcherkonzentrationen um 1020 cm-3 bei zum GaN:Mg vergleichbaren Löchermobilitäten aufweist. Dadurch ist ein um den Faktor
100 geringerer Schichtwiderstand im Vergleich zum GaN:Mg möglich. - Als Materialien eignen sich p-leitende Oxide und Chalkopyrite, hier insbesondere die mit eine Bandlücke größer als die emittierende Lichtwellenlänge des Bauelements. Dies sind meist Oxide mit möglichen geringen Beimengungen anderer Gruppe-VI Elemente auf dem Sauerstoffplatz. Zudem p-leitende Metallhalogenide wie das CuI oder AgI bzw. Legierungen davon mit einer Bandlücke oberhalb der vom Bauelement emittierten Lichtwellenlänge. Von den Oxiden sind dies insbesondere, aber nicht ausschließlich, ZnRh2O4, CuAlO2, SrCu2O2, SrCrO3, CuxCr1-xMgO2, La0.5Sr0.5CrO3, Ca3Co4O9, CuScO2+x, ZnRhO4, CuY1-xCaxO3, AgCoO2, MgxCr2-xO3, CuGaO2. Ag(In,Ga,Al)O2, Agx(In,Ga,Al)2-xO3 sowie Legierungen dieser Stoffe.
- Bevorzugt werden dabei Materialien die eine Lichtabsorption unter 5 % im Bereich der Emission des Halbleiterbauelements (
1 ,2 ) durch eine 100 nm dicke Schicht im zweiten Materialsystem (106 ,206 ) aufweisen. - Die erfindungsgemäße Schicht kann dabei auf zwei Arten aufgebracht werden. Zum einen auf einer p-leitenden GaN Schicht. In diesem Fall ist die Schicht derart auszuwählen, dass ein möglichst geringer Valenzbandoffset bzw. das Valenzband in der aufgebrachten Schicht unterhalb der der Gruppe-III-Nitridschicht liegt. Hier dient die Schicht als Kontaktierungs und Stromverteilungsschicht. Im Gegensatz zu oxidierten Ni-Au Kontaktschichten die schon bei 10 nm Dicke eine nennenswerte Lichtabsorption aufweisen können die erfindungsgemäßen Schichten dicker aufgebracht werden ohne eine signifikante Lichtabsorption zu zeigen was sich sehr vorteilhaft auf die laterale Stromverteilung auswirkt. Hierfür ist insbesondere CuI geeignet.
- Die andere Möglichkeit ist eine erfindungsgemäße Schichte direkt auf einer n-Typ Schicht des III-V-Halbleiterbauelements aufzubringen, bei LEDs also direkt oberhalb der aktiven Schicht. Es gibt dann die Möglichkeit des LED Betriebs mittels einer Injektion von Löchern aus einer Schicht im zweiten Materialsystem (
106 ,206 ) in eine elektronenleitende Schicht im ersten Materialsystem (105 ,205 ). Vorteilhaft ist hier ein Valenzbandoffset der zu einem gleich tiefen oder tiefer liegenden Valenzband in der Schicht nach Anspruch 1 führt und ideal auch einer höheren Leitungsbandposition in dieser Schicht im Vergleich zur Gruppe-III-Nitridschicht. - Damit wird eine ungewollte Elektroneninjektion in die erfindungsgemäße Schicht unterbunden und eine gute Löcherinjektion ist sichergestellt. In einer LED ist dabei die Schicht (
106 ,206 ) nur durch eine dünne Schicht (105 ,205 ) von dem aktiven Bereich (104 ,204 ) getrennt. Dünn bedeutet hier, dass die injizierten Löcher zum mehr als 50 % den aktiven Bereich des Bauelements (104 ,204 ) erreichen. - Prinzipiell lässt sich auch die n-Typ Schicht der LED mit einer erfindungsgemäßen Schicht kontaktieren sofern sich ein Tunnelübergang (
107 ,207 ) zwischen der Schicht im zweiten Materialsystem (106 ,206 ) und einer n-leitenden Bauelementschicht im ersten Materialsystem (105 ,205 ) ausbilden kann, d. h. die Dotierungen hoch genug gewählt sind. Dann dient die erfindungsgemäße Schicht als Kontaktierungs- und Stromverteilungsschicht. - Vorgeschlagen wir ein Bauelementemodul, umfassend zumindest ein Bauelement (
1 ,2 ). - Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (
1 ,2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest folgende Schritte: - - Bereitstellung eines Substrats (
100 ,200 ) - - Aufbringen einer lichtemittierenden Bauelementstruktur (
1 ,2 ) in einem ersten Materialsystem (101 ,102 ,103 ,104 ,105 ,201 ,202 ,203 ,204 ,205 ) - - Aufbringen einer leitfähigen Schicht in einem zweiten Materialsystem (
106 ,206 ) aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1019 cm-3 und angrenzend an eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht (105 ,205 ) Zur Erläuterung der Schichtenfolge dienen1 und2 . Diese stellen schematisch im Querschnitt zum einen die Schichtenfolge1 und zum anderen ein prozessiertes Bauelement2 dar. - Dabei bezeichnen
100 und200 das Substrat,101 und201 eine Pufferschichtfolge,102 und202 eine ideal hoch n-leitende Rückkontaktschicht,103 und203 eine niedriger dotierte n-leitende Schicht104 und204 den optisch aktiven Teil mit einer Multiquantumwellstruktur aus einem Material mit einer kleineren Bandlücke als das umgebende.105 und205 sind die p-leitende Schicht für die Löcherinjektion in die Schicht104 bzw.204 .106 und206 stellen die erfindungsgemäße p-leitdende Schicht dar.208 ist der Metallkontakt zum Rückkontakt auf einer geätzen Struktur und 210 der Frontkontakt zur erfindungsgemäßen p-leitenden Schicht. Zum Betrieb müssen die Kontakte noch mit Drähten209 und211 an einer Stromquelle angeschlossen werden. - Bei einer alternativen Ausführung mit Tunnelübergang sind z. B. die p-leitenden Gruppe-III-Nitridschichten in
102 -103 bzw.202 -203 und die Schicht105 bzw.205 ist n-leitend. Dann bildet sich zwischen der Schicht105 und106 bzw.205 und206 ein Tunnelübergang107 bzw.207 aus.
Claims (7)
- Lichtemittierendes Halbleiterbauelement (1, 2) in einem ersten Materialsystem der Gruppe-III-Nitride (101, 102, 103, 104, 105, 201, 202, 203, 204, 205), gekennzeichnet durch eine leitfähige Schicht in einem zweiten Materialsystem (106, 206) aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1019 cm-3 und angrenzend an eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht (105, 205) aufgebracht.
- Bauelement (1, 2) nach
Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Chalkogenide oder Metallhalogenide als zweites Materialsystem (106, 206) . - Bauelement (1, 2) nach
Anspruch 1 oder2 , gekennzeichnet durch eine Lichtabsorption unter 5 % im Bereich der Emission des Halbleiterbauelements (1, 2) durch eine 100 nm dicke Schicht im zweiten Materialsystem (106, 206). - Bauelement (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Tunnelübergang (107, 207) zwischen der Schicht im zweiten Materialsystem (106, 206) und einer n-leitenden Bauelementschicht im ersten Materialsystem (105, 205).
- Bauelement (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Injektion von Löchern aus einer Schicht im zweiten Materialsystem (106, 206) in eine elektronenleitende Schicht im ersten Materialsystem (105, 205).
- Bauelementemodul, umfassend zumindest ein Bauelement (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest folgende Schritte: - Bereitstellung eines Substrats (100, 200) - Aufbringen einer lichtemittierenden Bauelementstruktur (1, 2) in einem ersten Materialsystem (101, 102, 103, 104, 105, 201, 202, 203, 204, 205) - Aufbringen einer leitfähigen Schicht in einem zweiten Materialsystem (106, 206) aufweisend eine Volumenlöcherkonzentration oberhalb von 1×1019 cm-3 und angrenzend an eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht (105, 205) ...
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| R003 | Refusal decision now final |