DE102018133123A1

DE102018133123A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem zentralen Bereich und einem Randbereich und Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102018133123A1
Application number: DE102018133123.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Behringer; Alexander Tonkikh; Tansen Varghese
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN113302753A; CN113302753B; WO2020127435A1; US20220069160A1; US12046696B2

Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) weist eine aktive Zone (120) auf, die Teilschichten (111, 112, 113) zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur enthält. Dabei sind Energieniveauunterschiede innerhalb der Quantentopfstruktur in einem zentralen Bereich (14) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) kleiner als in einem Randbereich (15) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10).Gemäß weiteren Ausführungsformen weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) eine aktive Zone (120) auf, die eine Teilschicht, die zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur geeignet ist, enthält. Dabei sind in der aktiven Zone (120) in einem zentralen Bereich (14) des optoelektronischen Halbleiterbauelements Quantendotstrukturen (122) ausgebildet. In einem Randbereich (15) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) sind keine Quantendotstrukturen ausgebildet.

Description

HINTERGRUND
In lichtemittierenden Dioden („LED, light emitting diode“) treten an den Rändern der Mesas offene Bindungen („dangling bonds“) auf, die beispielsweise zu einer nichtstrahlenden Rekombination von Ladungsträgern führen können. Durch nichtstrahlende Rekombination kann die optische Effizienz verringert werden.
Es wird daher nach Konzepten gesucht, mit denen man das Problem der nichtstrahlenden Rekombination verringern kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement weist eine aktive Zone auf, die Teilschichten zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur enthält. Dabei sind Energieniveauunterschiede innerhalb der Quantentopfstruktur in einem zentralen Bereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements kleiner als in einem Randbereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Beispielsweise können die unterschiedlichen Energieniveauunterschiede durch eine dünnere Schichtdicke der Teilschichten der Quantentopfstruktur im Randbereich gegenüber dem zentralen Bereich bedingt sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement eine aktive Zone auf, die eine Teilschicht, die zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur geeignet ist, enthält. Dabei sind in der aktiven Zone in einem zentralen Bereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements Quantendotstrukturen und in einem Randbereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements Quantentopfstrukturen ausgebildet.
Beispielsweise hat die Teilschicht zur Ausbildung der aktiven Zone im Randbereich eine geringere Schichtdicke als im zentralen Bereich.
Beispielsweise können die Teilschichten zur Erzeugung der aktiven Zone im Randbereich entlang einer Richtung, die eine horizontale Richtung schneidet, ausgebildet sein.
Gemäß Ausführungsformen umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement ferner eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Dabei ist die aktive Zone zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode sein. Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann aber auch ein Konverter sein, der geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu empfangen und elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die größer als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren.
Beispielsweise können Seitenwände des optoelektronischen Halbleiterbauelements eine horizontale Richtung schneiden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Teilschichten der aktiven Zone über einem trapezförmig ausgebildeten Substratbereich angeordnet sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Strukturieren einer ersten Hauptoberfläche eines Wachstumssubstrats, so dass die erste Hauptoberfläche horizontale Bereiche und schräge Flanken aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschichtstruktur, die Teilschichten zur Herstellung einer aktiven Zone enthält, welche Quantentopfstrukturen aufweist, über der ersten Hauptoberfläche, so dass die Schichtstruktur im Bereich der schrägen Flanken eine kleinere Schichtdicke aufweist als in den horizontalen Bereichen.
Beispielsweise kann das Aufwachsen der Halbleiterschichtstruktur das Aufwachsen einer ersten Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, der Teilschichten zur Herstellung der aktiven Zone und einer zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen.
Die Schichten zur Erzeugung der aktiven Zone können im Bereich der schrägen Flanken schräg ausgebildet werden.
Gemäß Ausführungsformen können die Quantentopfstrukturen im Bereich der schrägen Flanken größere Energieunterschiede zwischen Energieniveaus als die Quantentopfstrukturen in den horizontalen Bereichen aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können in den horizontalen Bereichen Quantendots ausgebildet werden und im Bereich der schrägen Flanken keine Quantendots ausgebildet werden.
Das Verfahren kann weiterhin das Vereinzeln einzelner optoelektronischer Halbleiterbauelemente im Bereich der schrägen Flanken umfassen.
Das Verfahren kann darüber hinaus das Entfernen oder Dünnen des Wachstumssubstrats umfassen.
Eine optoelektronische Vorrichtung kann eine Vielzahl optoelektronischer Halbleiterbauelemente wie vorstehend beschrieben enthalten. Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise eine Anzeigevorrichtung, ein Projektor oder ein Pixelarray sein.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Erläuterung von Merkmalen.
1B veranschaulicht schematisch Energieniveaus einer Quantentopfstruktur.
1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
1D zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
2A bis 2D veranschaulichen eine Querschnittsansicht eines Werkstücks bei Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
3A bis 3D veranschaulichen Querschnittsansichten eines Werkstücks bei Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
4A und 4B veranschaulichen jeweils Werkstücke zur Ausbildung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Weitere Beispiele für Materialien von Wachstumssubstraten umfassen Glas, Siliziumdioxid, Quarz oder eine Keramik.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen. Beispielsweise liegt die horizontale Richtung parallel zu einer Substratoberfläche.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 in einer x-z-Ebene. Dabei gibt z eine Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten an. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann sie aber auch ein anderes optoelektronisches Halbleiterbauelement, beispielsweise ein Detektor zum Nachweis von einfallender elektromagnetischer Strahlung oder ähnliches sein. Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine aktive Zone 120, die Quantentopfstrukturen aufweist, sowie eine zweite Halbleiterschicht 118 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf.
1B zeigt zur näheren Erläuterung Energieniveaus innerhalb der Quantentopfstruktur, die sich beispielsweise ergeben kann, wenn Teilschichten 111, 112, 113 zur Ausbildung der aktiven Zone in z-Richtung aufeinander aufgewachsen werden.
Dabei haben die Teilschichten 111 und 113 jeweils eine größere Bandlücke als die Bandlücke der Teilschicht 112, die zwischen den Teilschichten 111 und 113 angeordnet ist. Eine Schichtdicke der zweiten Teilschicht 112 ist beispielsweise kleiner als die de-Broglie-Wellenlänge der Elektronen in dem Halbleitermaterial. Beispielsweise weisen das Leitungsband 12 und das Valenzband 13 in den Teilschichten 111, 112, 113 den in 1B dargestellten Verlauf auf. Bei entsprechend kleiner Dicke d der zweiten Teilschicht 112 bilden sich sowohl in dem Leitungsband 12 als auch im Valenzband 13 Energieniveaus aus. Die Lage der Energieniveaus hängt von der Breite d der zweiten Teilschicht 112 ab.
Der linksseitige Teil der 1B zeigt die Energieniveaus in einem Randbereich 15, der rechtsseitige Teil der 1B zeigt die Energieniveaus in einem zentralen Teil 14. Energieniveauunterschiede innerhalb der Quantentopfstruktur sind in einem zentralen Bereich 14 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 kleiner als in einem Randbereich 15 des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Aufgrund des Merkmals, dass Energieniveauunterschiede innerhalb der Quantentopfstrukturen in einem zentralen Bereich kleiner sind als in einem Randbereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements, weist das Leitungsband 12 im zentralen Bereich 14 ein Energieminimum auf, während die Energie von Elektronen des Leitungsbands zum Rand 15 des Bauelements hin ansteigt. In entsprechender Weise hat das Valenzband 13 im zentralen Bereich 14 sein Maximum, während es zum Randbereich 15 des Bauelements hin abfällt. Als Ergebnis diffundieren jeweils die Ladungsträger vom Randbereich 15 weg in den zentralen Bereich 14 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10. Als weiteres Ergebnis findet ein Großteil der Rekombination von Elektronen und Löchern im zentralen Bereich 14 statt, während Rekombination im Randbereich 15 verringert wird. Als Folge findet innerhalb des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 weniger nichtstrahlende Rekombination statt. Dadurch kann die Emissionseffizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements erhöht werden.
Entsprechend können beispielsweise durch Einstellen der Schichtdicke von Schichten der Quantentopfstruktur im Randbereich 15 im Vergleich zum zentralen Bereich 14 unterschiedliche Energieniveauunterschiede bewirkt werden. Dadurch, dass insbesondere die Teilschicht 112, in der die quantisierten Energieniveaus vorliegen, im Randbereich 15 dünner ausgeführt ist als im zentralen Bereich 14, kann der in 1A dargestellte Verlauf von Leitungs- und Valenzband 12, 13 erzielt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch über gezielt eingeführte Verspannungen die Bandlücke im Randbereich 15 vergrößert werden. Beispielsweise kann im Randbereich 15 abhängig vom verwendeten Material eine tensile Verspannung in der Teilschicht 112 eingeführt werden, wodurch die Bandlücke vergrößert werden kann.
1C zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungsformen. Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, und eine zweite Halbleiterschicht 118 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, aufweisen. Eine aktive Zone 120 ist zwischen der Halbleiterschicht 116 und der zweiten Halbleiterschicht 118 angeordnet. Die aktive Zone 120 kann beispielsweise eine zweite Teilschicht 112 aufweisen, die zwischen einer ersten und dritten Teilschicht 111 und 113 mit jeweils größerer Bandlücke angeordnet ist. Beispielsweise können die Teilschichten 111, 112, 113 InGaAlP, InGaAs oder ZnSe enthalten.
Die im Rahmen der vorliegenden beschriebene aktive Zone kann beispielsweise eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest die zweite Teilschicht 112 in einen zentralen Bereich 14 des optoelektronischen Halbleiterbauelements eine größere Schichtdicke aufweist als in einem Randbereich 15 des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
Wie später unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D und 3A bis 3D beschrieben werden wird, kann dies dadurch erfolgen, dass das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 mit schrägen Seitenwänden ausgebildet wird. Dabei können die erste Halbleiterschicht 116 und die zweite Halbleiterschicht 118 sowie die Teilschichten 111, 112, 113 der aktiven Zone 120 jeweils konform zu einer Struktur des Untergrundmaterials ausgebildet sein. Das heißt, die jeweiligen Schichten sind auf horizontalen Bereichen des Untergrundmaterials jeweils als horizontale Schichten ausgebildet. Weiterhin sind sie im Bereich schräger Flanken des Untergrundmaterials jeweils als schräg verlaufende Schichten ausgebildet. Die Kristallschichten der Halbleiterschichten folgen im Randbereich 15 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 jeweils der schrägen Seitenwand 16 des optoelektronischen Halbleiterbauelements. Oberflächen der Halbleiter- und Teilschichten verlaufen jeweils entlang einer Richtung, die eine horizontale Richtung schneidet.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann beispielsweise zumindest teilweise trapezförmig ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine horizontale Abmessung d oder Breite in z-Richtung zu- oder abnehmen.
1D zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 ist über einem Teil eines Wachstumssubstrats 100 ausgebildet. Das Wachstumssubstrat kann beispielsweise ein GaAs-Substrat sein. Weitere Beispiele für ein Wachstumssubstrat umfassen InP, GaSb, InAs, Saphir, SiC, GaN, GaP, Si oder Ge. Das Wachstumssubstrat 100 weist schräge Seitenflanken 108 auf. Das heißt, das Wachstumssubstrat 100 ist stellenweise trapezförmig ausgebildet. Eine horizontale Abmessung w des Substrats kann entlang der z-Richtung zu- oder abnehmen. Die erste Halbleiterschicht 116, die zweite Halbleiterschicht 118 sowie die zwischen der ersten Halbleiterschicht 116 und der zweiten Halbleiterschicht 118 liegenden Teilschichten der aktiven Zone 120 sind jeweils konform über den strukturierten Substratbereich ausgebildet. Das heißt im Bereich des Wachstumssubstrats 100 mit horizontaler Oberfläche sind die Schichten 116, 118 sowie die Teilschichten der aktiven Zone 120 als horizontale Schichten ausgebildet. Im Bereich der schrägen Flanken 108 des Wachstumssubstrats 100 sind diese Schichten ebenfalls als schräge Schichten ausgebildet. Oberflächen der Halbleiterschichten oder Teilschichten können jeweils entlang einer Richtung verlaufen, die eine horizontale Richtung schneidet.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann zusätzlich einen Teil eines Substrats enthalten, welches beispielsweise das Wachstumssubstrat 100 sein kann.
Das in den 1C und 1D dargestellte optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann gemäß Ausführungsformen eine lichtemittierende Diode sein und durch Anlegen einer geeigneten Spannung elektromagnetische Strahlung emittieren. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann eine erste Kontaktschicht 126, die mit der ersten Halbleiterschicht 116 elektrisch verbunden ist aufweisen. Zusätzlich kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 eine zweite Kontaktschicht 128 aufweisen, die mit der zweiten Halbleiterschicht 118 elektrisch verbunden ist. Durch Anlegen einer Spannung zwischen erster und zweiter Kontaktschicht 126, 128 kann beispielsweise eine Emission elektromagnetischer Strahlung bewirkt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können bei dem in den 1C und 1D dargestellten optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 die elektrischen Kontaktschichten auch weggelassen werden. In diesem Fall kann das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Konverter darstellen, der durch Absorption elektromagnetischer Strahlung elektromagnetische Strahlung emittieren kann. Beispielsweise können in diesem Fall die erste Halbleiterschicht 116 und die zweite Halbleiterschicht 118 jeweils undotiert sein.
Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D und 3A bis 3D erläutert werden wird, erniedrigt sich die Schichtdicke der konform abgeschiedenen Schichtdicken im Bereich der schrägen Seitenwand 16 bzw. der schrägen Flanke 108. Auf diese Weise ist es möglich, die zur Erzeugung der Quantentopfstruktur ausgebildete Teilschicht 112 in einem Randbereich 15 mit geringerer Dicke als in einem zentralen Bereich auszubilden. Dadurch werden im Randbereich ein größerer Energieunterschied zwischen Leitungs- und Valenzband 12, 13 als im zentralen Bereich bewirkt.
Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente haben beispielsweise eine Fläche von 1 bis 2500 µm². Beispielsweise kann eine Abmessung einer Seitenfläche 1 bis 50 µm, beispielsweise 5 bis 20 µm, beispielsweise etwa 10 µm betragen. Der Randbereich kann jeweils eine Abmessung von 0,1 bis 3 µm haben.
Nachfolgend werden Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen beschrieben.
Eine erste Hauptoberfläche 104 eines Wachstumssubstrats 100 wird strukturiert, so dass als Ergebnis die erste Hauptoberfläche horizontale Bereiche 106 und schräge Flanken 108 aufweist. Beispielsweise können, wie in 2A dargestellt, die schrägen Flanken 108 als Bereiche, die gegenüber den horizontalen Bereichen 106 hervorstehen, realisiert werden. Beispielsweise haben die hervorstehenden Bereiche eine Basisbreite s und eine Höhe h. Die horizontalen Oberflächenbereiche sind jeweils glatt ausgeführt, so dass sie sich für ein qualitativ hochwertiges Wachstum eignen.
Sodann wird, wie in 2B gezeigt, eine Halbleiterschichtstruktur 110 epitaktisch aufgewachsen. Die Halbleiterschichtstruktur 110 kann beispielsweise die erste Halbleiterschicht 116, die zweite Halbleiterschicht 118 sowie Teilschichten zur Herstellung einer aktiven Zone 120 (jeweils dargestellt in 2C) aufweisen. Die Halbleiterschichtstruktur 110 wird über der ersten Hauptoberfläche 104 aufgewachsen, so dass die einzelnen Kristallschichten jeweils dem Untergrundmaterial folgen. Als Folge weist die Halbleiterschichtstruktur im Bereich der schrägen Flanken 108 eine geringere Schichtdicke auf als in den horizontalen Bereichen 106.
Die geringere Schichtdicke kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass durch die Anwesenheit der schrägen Flanken 108 die Oberfläche der ersten Hauptoberfläche 104 vergrößert wird. Genauer gesagt, ist ein Oberflächeninhalt im Bereich der schrägen Flanken 108 gegenüber der horizontalen Abmessung s der schrägen Flanken 108 vergrößert. Als Folge wird bei gleichmäßiger Flächenbelegung der aufwachsenden Spezies die aufgewachsene Schicht mit geringerer Schichtdicke aufgewachsen.
Das epitaktische Wachstum kann beispielsweise durch Molekularstrahlepitaxie („MBE, molecular beam epitaxy“) erfolgen. Dabei erhalten schräge Flanken weniger Material. Beispielsweise kann die Richtung der horizontalen Gebiete der 001-Richtung entsprechen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Halbleiterschichtstruktur auch durch ein anderes epitaktisches Verfahren aufgewachsen werden, beispielsweise durch ein MOVPE („metal organic vapor phase epitaxy, metallorganische Gasphasenepitaxie“). Hier können die horizontalen Bereiche eine Richtung haben, die von der 001-Richtung abweicht, beispielsweise die 111-Richtung sein. Bei MOVPE-Verfahren oder Wachstum unter hohen Diffusionsraten an der Oberfläche ist die 111-Oberfläche am besten geeignet für das Wachstum. Alle anderen Richtungen, die dann auf den schrägen Flanken vorliegen, zeigen eine geringere Wachstumsrate und damit dünnere Schichten.
Beispielsweise können die Teilschichten zur Erzeugung der Halbleiterschichtstruktur 110 InGaAlP oder InGaAs enthalten.
Ein weiterer Grund für die geringere Schichtdicke im Bereich der schrägen Flanken können auch andere Spannungsverhältnisse in diesem Bereich verglichen mit horizontalen Bereichen sein.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Werkstücks 20, bei dem die Halbleiterschichtstruktur 110 über dem Wachstumssubstrat 100 aufgewachsen ist. Wie schematisch angedeutet ist, ist eine Schichtdicke der Halbleiterschichtstruktur 110 im Bereich der schrägen Flanken geringer als in den horizontalen Bereichen.
2C zeigt eine Querschnittsansicht des Werkstücks 20. Ausgehend von dem in 2A gezeigten Wachstumssubstrat 100 sind eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, eine Schichtstruktur zur Herstellung der aktiven Zone 120 und eine zweite Halbleiterschicht 118 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, über der strukturierten Oberfläche 104 des Wachstumssubstrats 100 aufgebracht. Nach einem Planarisierungsschritt kann das Wachstumssubstrat 100 von den aufgewachsenen Halbleiterschichten (mindestens teilweise) entfernt werden.
2D zeigt eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 nach Entfernen des Wachstumssubstrats. Weiterhin können die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 entlang der Trennlinien 122, die beispielsweise in 2C dargestellt sind, vereinzelt werden. Diese Vereinzelung kann vor oder nach Entfernen des Wachstumssubstrats 100 stattfinden.
Die Trennlinien 122, die in 2C gezeigt sind, sind im Bereich der schrägen Flanke 108 angeordnet, so dass die schräge Flanke jeweils in einem Randbereich 15 des sich ergebenden optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 angeordnet ist.
Die 3A bis 3D veranschaulichen den Fall, in dem die schrägen Flanken 108 jeweils als Einkerbungen in dem Wachstumssubstrat ausgebildet werden. Das heißt, die schrägen Flanken 108 stehen nicht gegenüber der ersten Hauptoberfläche 104 des Wachstumssubstrats hervor, sondern sind in das Wachstumssubstrat 100 eingebettet. 3A zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks 20, bei dem eine Vielzahl von schrägen Flanken 108 jeweils als Einkerbungen in dem Wachstumssubstrat 100 ausgebildet sind.
3B zeigt eine Querschnittsansicht des Werkstücks 20 nach Aufbringen der Halbleiterschichtstruktur 110. In analoger Weise zu dem Werkstück 20, das in 2B gezeigt ist, ist auch hier eine Schichtdicke der Halbleiterschichtstruktur 110 im Bereich der horizontalen Oberflächenbereiche 106 dicker als in einem Bereich der schrägen Flanken 108. Als Ergebnis wird, wie unter Bezugnahme auf 2B beschrieben, die zweite Teilschicht 112 an den schrägen Flanken 108 mit geringerer Schichtdicke ausgebildet.
3C zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Werkstücks 20. Über dem in 3A gezeigten Wachstumssubstrat 100 sind eine erste Halbleiterschicht 116 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Schichtstruktur zur Ausbildung einer aktiven Zone 120 sowie eine zweite Halbleiterschicht 118 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp aufgewachsen. Auch hier sind die Schichten zur Ausbildung insbesondere der aktiven Zone 120 in einem Bereich der Flanken 108 jeweils dünner ausgebildet als in einem Bereich mit horizontaler Oberfläche. Zusätzlich kann ein Planarisierungsschritt durchgeführt werden. Beispielsweise wird zusätzlich das Wachstumssubstrat 100 ausgehend von dem in 3C dargestellten Werkstück 20 zurückgeschliffen.
3D zeigt ein Beispiel eines sich ergebenden Werkstücks. Weiterhin können die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente entlang der Trennlinien 122 vereinzelt werden. Die Trennlinien 122, die in 3C gezeigt sind, sind im Bereich der schrägen Flanke 108 angeordnet, so dass die schräge Flanke jeweils in einem Randbereich 15 des sich ergebenden optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 angeordnet ist.
Eine weitere Verfahrensvariante wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. Bei dem in den 2B und 3B beschriebenen Prozess zur Abscheidung der Halbleiterschichtstruktur 110 kann die Halbleiterschichtstruktur 110 eine Teilschicht aufweisen, die mit einer derartigen Schichtdicke abgeschieden wird, dass sich über den horizontalen Oberflächenbereichen 106 Quantenpunkte 122 ausbilden, während sich im Bereich der schrägen Flanken 108 jeweils Schichtbereiche 124 ausbilden. Beispielsweise kann die entsprechende Teilschicht der Halbleiterschichtstruktur 110 Indiumarsenid aufweisen. Bei einer Schichtdicke der Indiumarsenid-Schicht in einem Bereich von 1,5 bis 2,5 Atomlagen können sich einzelne Quantenpunkte 122 ausbilden. Bei einer niedrigeren Schichtdicke als 1,0 Atomlagen bildet sich eine stabile Schicht aus.
Bei einer entsprechend eingestellten Bemessung der Schichtdicke der zugehörigen Teilschicht wird im Bereich der horizontalen Oberflächenbereiche 106 die Indiumarsenidschicht mit einer größeren Schichtdicke abgeschieden. Entsprechend erfolgt hier eine Ausbildung von Quantenpunkten 122. Im Bereich der schrägen Flanken 108 wird jeweils ein Schichtbereich 124 mit geringerer Schichtdicke ausgebildet. Diese schichtdickenselektive Ausbildung von Quantenpunkten ist als S-K- (Stranski-Krastanov) -Verfahren bekannt. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtstruktur 110 weitere geeignete Teilschichten enthalten. Bei einer Ausbildung von Quantenpunkten 122 über horizontalen Oberflächenbereichen 106 kann jeweils bewirkt werden, dass das effektive Leitungsband in einem zentralen Bereich 12 des sich ergebenden Halbleiterbauelements ein Minimum hat und in einem Randbereich 15 des Halbleiterbauelements ein Maximum aufweist.
Zusätzlich können an den schrägen Flanken 108 andere mechanische Spannungsverhältnisse herrschen als in den horizontalen Bereichen 106. Dadurch kann beispielsweise auch die Bildung von Quantenpunkten beeinflusst werden. Als Folge können an den schrägen Flanken 108 Schichten mit einer größeren Bandlücke erzeugt werden.
4A zeigt eine schematische Querschnittsansicht von Bereichen eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, das ausgehend von dem in 2A gezeigten Wachstumssubstrat 100 ausgebildet wird.
4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht von Bereichen eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, das ausgehend von dem in 3A gezeigten Wachstumssubstrat 100 ausgebildet wird.
Gemäß Ausführungsformen kann das hier beschriebene optoelektronische Bauelement 10 ein Bauelement sein, das beispielsweise mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen verbunden ist und über diese Anschlüsse elektrisch pumpbar ist. Als Ergebnis kann elektromagnetische Strahlung emittiert werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 auch eine Konverterstruktur sein. In diesem Fall weist das optoelektronische Bauelement gegebenenfalls eine erste Halbleiterschicht, die undotiert oder von einem ersten Leitfähigkeitstyp sein kann. Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist ferner gegebenenfalls eine zweite Halbleiterschicht, die undotiert oder von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sein kann, sowie eine dazwischenliegende aktive Zone auf. Anders als eine lichtemittierende Diode ist jedoch das Konverterelement nicht elektrisch angeschlossen. Beispielsweise kann das Konverterelement optisch gepumpt werden. Durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Wellenlänge kann elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die größer ist als die erste Wellenlänge emittiert werden.
5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements das Strukturieren (S100) einer ersten Hauptoberfläche eines Wachstumssubstrats, so dass die erste Hauptoberfläche horizontale Bereiche und schräge Flanken aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin das epitaktische Aufwachsen (S110) einer Halbleiterschichtstruktur, die Schichten zur Herstellung einer aktiven Zone enthält, welche Quantentopfstrukturen aufweist, über der ersten Hauptoberfläche. Als Folge weist die Schichtstruktur im Bereich der schrägen Flanken eine kleinere Schichtdicke auf als in den horizontalen Bereichen. Beispielsweise kann das Aufwachsen der Halbleiterschichtstruktur (S110) das Aufwachsen (S115) einer ersten Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, das Aufwachsen (S116) der Teilschichten zur Herstellung der aktiven Zone und das Aufwachsen (S117) einer zweiten Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen.
6 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 30 gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 30 umfasst eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10, wie sie hier beschrieben worden sind. Beispielsweise kann die optoelektronische Vorrichtung eine Videowand, ein Projektor, eine Anzeigevorrichtung oder ein Pixelarray sein. Die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können beispielsweise in Reihen und Spalten angeordnet sein. Sie können aber auch in beliebig anderer Weise angeordnet sein. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente können auch jeweils unterschiedliche Größen haben.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es durch die spezielle Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements bzw. durch das spezielle Verfahren möglich, eine nichtstrahlende Rekombination in einem Randbereich 15 des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 zu verringern. Als Ergebnis kann die optische Effizienz erhöht werden.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Optoelektronisches Halbleiterbauelement
12: Leitungsband
13: Valenzband
14: zentraler Bereich
15: Randbereich
16: schräge Mesakante
20: Werkstück
30: Optoelektronische Vorrichtung
100: Wachstumssubstrat
104: erste Hauptoberfläche
106: horizontaler Bereich
108: schräge Flanke
110: Halbleiterschichtstruktur
111: erste Teilschicht
112: zweite Teilschicht
113: dritte Teilschicht
116: erste Halbleiterschicht
118: zweite Halbleiterschicht
120: aktive Zone
122: Quantendots
124: Schichtbereich
126: erste Kontaktschicht
128: zweite Kontaktschicht

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit einer aktiven Zone(120), die Teilschichten (111, 112, 113) zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur aufweist, wobei Energieniveauunterschiede innerhalb der Quantentopfstruktur in einem zentralen Bereich (14) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) kleiner sind als in einem Randbereich (15) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) .
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die unterschiedlichen Energieniveauunterschiede durch eine dünnere Schichtdicke der Teilschichten (111, 112, 113) der Quantentopfstruktur im Randbereich (15) gegenüber dem zentralen Bereich (14) bedingt sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit einer aktiven Zone (120), die eine Teilschicht, die zur Ausbildung einer Quantentopfstruktur geeignet ist, aufweist, wobei in der aktiven Zone (120) in einem zentralen Bereich (14) des optoelektronischen Halbleiterbauelements Quantendotstrukturen (122) und in einem Randbereich (15) des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) keine Quantendotstrukturen ausgebildet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 3, bei dem die Teilschicht zur Ausbildung der aktiven Zone im Randbereich (15) eine geringere Schichtdicke als im zentralen Bereich (14) hat.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen die Teilschichten (111, 112, 113) zur Erzeugung der aktiven Zone (120) im Randbereich (15) entlang einer Richtung, die eine horizontale Richtung schneidet, ausgebildet sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer ersten Halbleiterschicht (116) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, und einer zweiten Halbleiterschicht (118) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die aktive Zone (120) zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht (116, 118) angeordnet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine lichtemittierende Diode ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches ein Konverter ist, der geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu empfangen und elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die größer als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Seitenwände des optoelektronischen Halbleiterbauelements eine horizontale Richtung schneiden.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Teilschichten (111, 112, 113) der aktiven Zone über einem trapezförmig ausgebildeten Substratbereich angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, mit Strukturieren (S100) einer ersten Hauptoberfläche (104) eines Wachstumssubstrats (100), so dass die erste Hauptoberfläche (104) horizontale Bereiche (106) und schräge Flanken (108) aufweist; epitaktisches Aufwachsen (S110) einer Halbleiterschichtstruktur, die Teilschichten (111, 112, 113) zur Herstellung einer aktiven Zone (120) enthält, welche Quantentopfstrukturen aufweist, über der ersten Hauptoberfläche (104), so dass die Schichtstruktur im Bereich der schrägen Flanken (108) eine kleinere Schichtdicke aufweist als in den horizontalen Bereichen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Aufwachsen (S115) der Halbleiterschichtstruktur das Aufwachsen einer ersten Halbleiterschicht (116) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, der Teilschichten (111, 112, 113) zur Herstellung der aktiven Zone (120) und einer zweite Halbleiterschicht (118) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Schichten zur Erzeugung der aktiven Zone (120) im Bereich der schrägen Flanken (108) schräg ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Quantentopfstrukturen im Bereich der schrägen Flanken (108) größere Energieunterschiede zwischen Energieniveaus als die Quantentopfstrukturen in den horizontalen Bereichen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem in den horizontalen Bereichen (106) Quantendots (122) ausgebildet werden und im Bereich der schrägen Flanken (108) keine Quantendots ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, weiterhin umfassend das Vereinzeln einzelner optoelektronischer Halbleiterbauelemente im Bereich der schrägen Flanken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, weiterhin umfassend das Entfernen oder Dünnen des Wachstumssubstrats.
Optoelektronische Vorrichtung (30) mit einer Vielzahl optoelektronischer Halbleiterbauelemente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Optoelektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 18, die ausgewählt ist aus einer Anzeigevorrichtung, einem Projektor und einem Pixelarray.