DE102019131422A1

DE102019131422A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102019131422A1
Application number: DE102019131422.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Ebbecke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27
Also published as: DE112020005724A5; US20230023759A1; WO2021099100A2; WO2021099100A3

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement (10) angegeben, umfassend einen Halbleiterkörper (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mindestens eine Quantentopfschicht (41) und Barriereschichten (42) enthält, einen ersten elektrischen Kontakt (1) und einen zweiten elektrischen Kontakt (2), wobei die aktive Schicht (4) mindestens einen Durchmischungsbereich (44) und mindestens einen nicht durchmischten Bereich (43) aufweist. Die mindestens eine Quantentopfschicht (41) und die Barriereschichten (42) sind in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43). Der erste elektrische Kontakt (1) ist ein Metallkontakt, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, wobei der Durchmischungsbereich (44) in vertikaler Richtung unterhalb des ersten Kontakts (1) angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements (10) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
Bei optoelektronischen Bauelementen, insbesondere bei LEDs, kann zumindest einer der elektrischen Kontakte an einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen sein. Wird ein Metall verwendet, um den elektrischen Kontakt zum Halbleiterkörper herzustellen, kann sich durch den elektrischen Kontakt die Lichtauskopplung verringern, weil Licht, das unter dem Metallkontakt entsteht, nicht durch das Metall den Halbleiterkörper verlassen kann.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement anzugeben, bei dem insbesondere die Lichtauskopplung möglichst wenig durch einen Metallkontakt an der Strahlungsaustrittsfläche beeinträchtigt wird. Weiterhin soll ein zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements geeignetes Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronisches Bauelement einen Halbleiterkörper mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht, die eine Quantentopfstruktur aufweist. Die Quantentopfstruktur kann eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur sein. Die Quantentopfstruktur enthält mindestens eine Quantentopfschicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet ist. Im Fall einer MehrfachQuantentopfstruktur enthält die Quantentopfstruktur abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten. Die Anzahl der Quantentopfschichten beträgt beispielsweise zwischen 1 und 100, bevorzugt zwischen 5 und 10. Die Barriereschichten weisen eine größere elektronische Bandlücke auf als die mindestens eine Quantentopfschicht. Die aktive Schicht ist beispielsweise zwischen einem p-Typ Halbleiterbereich und einem n-Typ Halbleiterbereich des Halbleiterkörpers angeordnet.
Das optoelektronische Bauelement weist einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt auf. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt sind zur Ausbildung eines Strompfads durch den Halbleiterkörper vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Quantentopfstruktur mindestens einen Durchmischungsbereich und mindestens einen nicht durchmischten Bereich auf. Die mindestens eine Quantentopfschicht und die Barriereschichten sind in dem Durchmischungsbereich zumindest teilweise oder sogar vollständig durchmischt. Durch das Durchmischen der Quantentopfstruktur wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht in dem nicht durchmischten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt ein Metallkontakt, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Der erste elektrische Kontakt kann insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit wie beispielsweise Gold, Silber, Aluminium, Titan oder Platin oder eine Legierung dieser Metalle aufweisen. Es ist auch möglich, dass der erste Kontakt eine Schichtenfolge mehrere Metallschichten, beispielsweise eine Ti/Pt/Au-Schichtenfolge, aufweist. Die genannten Materialien können auch für den zweiten elektrischen Kontakt verwendet werden. Der zweite elektrische Kontakt kann insbesondere an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Das optoelektronische Bauelement ist insbesondere eine sogenannte vertikale LED, bei der der Stromfluss durch den Halbleiterkörper von dem ersten elektrischen Kontakt an der Strahlungsaustrittsfläche zum zweiten elektrischen Kontakt an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Durchmischungsbereich der Quantentopfstruktur in vertikaler Richtung unterhalb des ersten elektrischen Kontakts angeordnet. Unter der vertikalen Richtung ist hier die senkrecht zu den Schichtebenen des Halbleiterkörpers verlaufende Richtung zu verstehen. Der erste elektrische Kontakt muss nicht direkt an den Durchmischungsbereich angrenzen, vielmehr kann mindestens eine Halbleiterschicht zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem Durchmischungsbereich angeordnet sein. „Unterhalb des ersten Kontakts“ bedeutet insbesondere, dass der erste Kontakt nicht seitlich versetzt von dem Durchmischungsbereich ist. Insbesondere können der erste Kontakt und der Durchmischungsbereich in seitlicher Richtung zentriert zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise weisen der erste elektrische Kontakt und der Durchmischungsbereich die gleiche Form und/oder Breite auf. Insbesondere können der erste elektrische Kontakt und der Durchmischungsbereich in Draufsicht auf den Halbleiterkörper deckungsgleich sein. Die nicht durchmischten Bereiche der Quantentopfstruktur sind bei dem optoelektronischen Bauelement vorteilhaft in seitlicher Richtung von dem ersten Kontakt versetzt angeordnet.
Das hier beschriebene optoelektronische Bauelement macht insbesondere von der Idee Gebrauch, dass die strahlende Rekombination von Ladungsträgern in dem Durchmischungsbereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts vermindert ist. Ladungsträger, die von den elektrischen Kontakten in die aktive Schicht injiziert werden, rekombinieren aufgrund der erhöhten elektronischen Bandlücke in dem Durchmischungsbereich nicht unterhalb des ersten Kontakts, der auf der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, sondern diffundieren in die nicht durchmischten Bereiche mit der kleineren elektronischen Bandlücke und rekombinieren dort. Auf diese Weise wird unterhalb des ersten elektrischen Kontakts weniger Strahlung erzeugt und so die Absorption von Strahlung in dem ersten elektrischen Kontakt vermindert. Die Lichtauskopplung aus dem optoelektronischen Bauelement wird so vorteilhaft erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Breite des Durchmischungsbereichs weniger als 10 µm und bevorzugt weniger als 2 µm. Eine geringe Breite des Durchmischungsbereichs ist vorteilhaft, damit möglichst viele Elektronen und Löcher in die nicht durchmischten Bereiche diffundieren können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Durchmischungsbereichs kleiner ist als die Diffusionslänge der Elektronen und Löcher in dem Halbleiterkörper. Die Breite des ersten elektrischen Kontakts ist vorzugweise im Wesentlichen gleich der Breite des Durchmischungsbereichs, beispielsweise beträgt die Breite des ersten elektrischen Kontakts zwischen dem 0,8 fachen und dem 1,2 fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,9 fachen und dem 1,1 fachen der Breite des Durchmischungsbereichs. Besonders bevorzugt sind die Breiten des ersten elektrischen Kontakts und des Durchmischungsbereichs gleich. Die Breite des Durchmischungsbereichs beträgt vorzugsweise weniger als 10 µm und bevorzugt weniger als 2 µm. Der Durchmischungsbereich und/oder der erste elektrische Kontakt sind beispielsweise zwischen 100 nm und 10 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 2 µm breit.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich um mindestens 0,05 eV, mindestens 0,08 eV oder sogar um mindestens 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich. Die elektronische Bandlücke im Durchmischungsbereich ist beispielsweise zwischen 0,05 eV und 0,3 eV, bevorzugt zwischen 0,08 eV und 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt ein n-Kontakt und der zweite elektrische Kontakt ein p-Kontakt des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper ist beispielsweise ein sogenannter Dünnfilm-Halbleiterkörper. Bei der Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterkörpers wird eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die strahlungsemittierende aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend ein Träger auf die dem Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist. Das Ablösen eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer Halbleiterschichtenfolge aus einem Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen. Bei einem Dünnfilm-Halbleiterkörper ist typischerweise der p-Typ Halbleiterbereich dem Trägersubstrat und der ursprünglich zuerst auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsene n-Typ Halbleiterbereich der Strahlungsaustrittsfläche zugewandt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite elektrische Kontakt an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Strompfad durch den Halbleiterkörper führt somit von der Strahlungsaustrittsfläche zur gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert der Halbleiterkörper auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Nitridverbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper In_XAl_yGa_1-x-yAs, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yN, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der Durchmischungsbereich und der nicht durchmischte Bereich im Wesentlichen die gleiche Dotierstoffkonzentration auf. Insbesondere sind der Durchmischungsbereich und der nicht durchmischte Bereich nominell gleich dotiert, d.h. es werden nicht gezielt Fremdatome in den Durchmischungsbereich eingebaut. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Herstellung des Durchmischungsbereichs durch einen Fremdatom-freien Durchmischungsprozess der Quantentopfstruktur (impurity free quantum well intermixing) erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement eine LED. Die LED kann beispielsweise Licht im sichtbaren Spektralbereich oder im angrenzenden UV- oder IR-Spektralbereich emittieren.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren in einem ersten Schritt ein Halbleiterkörper mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht hergestellt, wobei die aktive Schicht eine Quantentopfstruktur aufweist. Die Quantentopfstruktur kann eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur sein. Die Quantentopfstruktur enthält mindestens eine Quantentopfschicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet ist. Im Fall einer MehrfachQuantentopfstruktur enthält die Quantentopfstruktur abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine dielektrische Schicht auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers aufgebracht. Der Kontaktbereich ist ein Bereich des Halbleiterkörpers, auf den in einem späteren Verfahrensschritt ein metallischer erster elektrischer Kontakt aufgebracht wird. Die dielektrische Schicht weist einen von dem Halbleiterkörper verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, insbesondere einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei einer Temperaturerhöhung bewirken die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Schicht und des angrenzen Halbleiterkörpers eine thermische Verspannung. Beispielsweise entsteht eine kompressive Verspannung in dem Halbleitermaterial, wenn die dielektrische Schicht einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Halbleiterkörper aufweist.
Nachfolgend wird eine Temperaturbehandlung durchgeführt, bei der Atome aus dem Halbleiterköper in die dielektrische Schicht diffundieren und so Leerstellen in dem Halbleiterkörper erzeugen. Die Diffusion von Atomen aus dem Halbleitermaterial in die dielektrische Schicht wird durch die bei der Temperaturbehandlung entstehende kompressive thermische Verspannung in dem Halbleitermaterial angetrieben. Die von den in die dielektrische Schicht diffundierten Atomen hinterlassenen Leerstellen können von anderen Atomen besetzt werden, die wiederum Leerstellen hinterlassen. Auf diese Weise wird erreicht, dass Leerstellen quasi in dem Halbleiterkörper diffundieren. Durch eine Diffusion der Leerstellen in dem Halbleiterkörper wird ein Durchmischungsbereich in der Quantentopfstruktur erzeugt, wobei die mindestens eine Quantentopfschicht und die Barriereschichten in dem Durchmischungsbereich zumindest teilweise durchmischt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht in dem nicht durchmischten Bereich.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird die dielektrische Schicht von dem Kontaktbereich des Halbleiterkörpers entfernt. Nachfolgend wird eine Metallschicht auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers aufgebracht. Auf diese Weise wird der erste elektrische Kontakt in dem Kontaktbereich ausgebildet, der oberhalb des Durchmischungsbereichs der Quantentopfstruktur angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht eine SiO₂-Schicht. SiO₂ weist im Vergleich zu III-Halbleitermaterialien wie beispielsweise Arsenid-, Phosphid- oder Nitridverbindungshalbleitermaterialien einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Der Halbleiterkörper wird deshalb bei der Temperaturbehandlung kompressiv verspannt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterkörper ein Ga enthaltendes Halbleitermaterial auf, wobei bei der Temperaturbehandlung Ga-Atome aus dem Halbleiterkörper in die dielektrische Schicht diffundieren.
Es hat sich herausgestellt, dass die Diffusion von Ga-Atomen aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Ga(In, Al)As oder Ga(In, Al)P durch eine kompressive Verspannung bewirkt werden kann, die insbesondere mit einer SiO₂-Schicht erzeugt werden kann. Die Ga-Atome hinterlassen Leerstellen in dem Halbleitermaterial, die nachfolgend durch das Halbleitermaterial diffundieren und auf diese Weise insbesondere den Durchmischungsbereich erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700°C, mindestens 800°C oder sogar mindestens 900°C durchgeführt. Die Temperaturbehandlung kann insbesondere im Temperaturbereich von 700 °C bis 1200 °C, bevorzugt im Bereich von 800°C bis 1000°C, beispielsweise bei etwa 900°C erfolgen. Mit einer derart hohen Temperatur kann eine mechanische Spannung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Halbleiterkörper bewirkt werden, die eine Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper in die dielektrische Schicht anregt. Die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt etwa 10 s bis 10 min, vorzugsweise 1 min bis 2 min.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird neben der dielektrischen Schicht eine weitere dielektrische Schicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Halbleiterkörper. Im Bereich der weiteren dielektrischen Schicht entsteht daher keine kompressive Verspannung, sondern eine tensile Verspannung. Die Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper und die dadurch bedingte Durchmischung der Quantentopfstruktur werden so vermindert oder sogar ganz verhindert. Die weitere dielektrische Schicht wird bei dem Verfahren beispielsweise zusammen mit der dielektrischen Schicht wieder vom Halbleiterkörper entfernt.
Vorzugsweise ist die weitere dielektrische Schicht eine SrF₂-Schicht. SrF₂ zeichnet sich durch einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Dieses Material ist besonders gut dazu geeignet, die thermisch bedingte kompressive Verspannung außerhalb des Bereichs der dielektrischen Schicht, beispielsweise einer SiO₂-Schicht, zu reduzieren und so die Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper in diesem Bereich zu vermindern.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel des optoelektronischen Bauelements,
1B eine schematische Detailansicht der aktiven Schicht in dem nicht durchmischten Bereich bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements,
1C eine schematische Darstellung des Verlaufs der elektronischen Bandlücke der aktiven Schicht in lateraler Richtung bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements, und
2A bis 2D eine schematische Darstellung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1A ist ein Beispiel des optoelektronischen Bauelements 10 dargestellt. Das optoelektronische Bauelement 10 kann insbesondere ein LED sein. Das optoelektronische Bauelement 10 weist einen Halbleiterkörper 6 auf, der einen p-Typ Halbleiterbereich 3, einen n-Typ Halbleiterbereich 5 und eine zwischen dem p-Typ Halbleiterbereich 3 und dem n-Typ Halbleiterbereich 5 angeordnete aktive Schicht 4 aufweist. Die aktive Schicht 4 ist insbesondere eine strahlungsemittierende aktive Schicht 4. Der p-Typ Halbleiterbereich 3 und der n-Typ Halbleiterbereich 5 können jeweils eine oder mehrere Halbleiterschichten umfassen. Der p-Typ Halbleiterbereich 3 enthält eine oder mehrere p-dotierte Halbleiterschichten und der n-dotierte Halbleiterbereich 5 eine oder mehrere n-dotierte Halbleiterschichten. Es ist auch möglich, dass der p-Typ Halbleiterbereich 3 und/oder der n-Typ Halbleiterbereich 5 eine oder mehrere undotierte Halbleiterschichten enthalten.
Der Halbleiterkörper 6 des optoelektronischen Bauelements 10 basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Arsenid-, Phosphid- oder Nitridverbindungshalbleitermaterial.
Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des optoelektronischen Bauelements 10. Mit einem Nitridverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im UV-, blauen und grünen Spektralbereich erzeugt werden. Mit einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im grünen bis roten Spektralbereich erzeugt werden. Mit einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im roten bis infraroten Spektralbereich erzeugt werden.
Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 6 In_xAl_yGa_1-x-yAs, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yN, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die aktive Schicht 4 des optoelektronischen Bauelements 10 ist eine Quantentopfstruktur, die einen nicht durchmischten Bereich 43 und einen Durchmischungsbereich 44 aufweist. Eine Detailansicht der aktiven Schicht 4 in dem nicht durchmischten Bereich 43 ist in 1B dargestellt. Die aktive Schicht 4 weist abwechselnde Quantentopfschichten 41 und Barriereschichten 42 auf. Die Barriereschichten 42 weisen eine größere elektronische Bandlücke auf als die Quantentopfschichten 41.
Die Quantentopfschichten 41 und Barriereschichten 42 der aktiven Schicht 4 sind bei dem in 1A dargestellten optoelektronischen Bauelement 10 in einem Durchmischungsbereich 44 zumindest teilweise durchmischt. In dem Durchmischungsbereich 44 ist insbesondere das Halbleitermaterial der Quantentopfschichten 41 zumindest teilweise mit dem Halbleitermaterial der Barriereschichten 42, das die größere elektronische Bandlücke aufweist, durchmischt. Dies hat zur Folge, dass die aktive Schicht 4 in dem Durchmischungsbereich 44 eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die Quantentopfschichten 41 in dem nicht durchmischten Bereich 43.
Das optoelektronische Bauelement 10 weist zur elektrischen Kontaktierung einen ersten elektrischen Kontakt 1 und einen zweiten elektrischen Kontakt 2 auf. Beispielsweise ist der erste elektrische Kontakt der p-Kontakt und der zweite elektrisch Kontakt 2 der n-Kontakt des optoelektronischen Bauelements 10. Der erste elektrische Kontakt 1 ist ein Metallkontakt, der an einer Strahlungsaustrittsfläche 9 des optoelektronischen Bauelements 10 angeordnet ist. Der erste elektrische Kontakt 1 und/oder der zweite elektrisch Kontakt 2 können insbesondere jeweils ein Metall wie beispielsweise Gold, Silber, Aluminium, Titan oder Platin oder eine Legierung oder eine Schichtenfolge dieser Metalle aufweisen.
Der Durchmischungsbereich 44 der aktiven Schicht 4 ist bei dem optoelektronischen Bauelement 10 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet. Vorzugsweise weist der Durchmischungsbereich 44 im Wesentlichen die gleiche Breite auf wie der erste elektrische Kontakt 1. Der Durchmischungsbereich 44 ist insbesondere zentriert unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet. In senkrechter Richtung grenzt der Durchmischungsbereich 44 nicht direkt an den ersten elektrischen Kontakt 1 an, sondern ist beispielsweise durch eine oder mehrere Halbleiterschichten des n-Typ Halbleiterbereichs 5 von dem ersten elektrischen Kontakt 1 beanstandet.
Die Anordnung des Durchmischungsbereichs 44 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 hat den Vorteil, dass in diesem Bereich die elektronische Bandlücke vergrößert ist. Der Verlauf der elektronischen Bandlücke in lateraler Richtung bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements 10 ist schematisch in 1C dargestellt. Im Bereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 ist der Abstand zwischen der Leitungsbandkante E_L und der Valenzbandkante E_B und somit die elektronische Bandlücke im Vergleich zu den benachbarten nicht durchmischten Bereichen der Quantentopfstruktur vergrößert. Vorzugsweise ist die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts um mindestens 0,05 eV, beispielsweise zwischen 0,05 eV und 0,3 eV und bevorzugt zwischen 0,08 eV und 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich. Die in dem Durchmischungsbereich vergrößerte elektronische Bandlücke kann beispielsweise durch eine Messung der Photolumineszenz in diesem Bereich nachgewiesen werden.
Wie in 1A zu sehen, führt die vergrößerte elektronische Bandlücke in den Durchmischungsbereich 44 dazu, dass Elektronen e, die sich vom ersten elektrischen Kontakt 1 zur aktiven Zone 4 bewegen, und Löcher h, die sich vom zweiten elektrischen Kontakt 2 in Richtung zur aktiven Zone 4 bewegen, im Wesentlichen nicht in dem Durchmischungsbereich 44 miteinander rekombinieren. Stattdessen diffundieren die Elektronen e und die Löcher h, wie in 1A durch Pfeile skizziert, in die benachbarten nicht durchmischten Bereiche 43 und rekombinieren erst dort unter Emission von Strahlung.
Damit möglichst viele Elektronen und Löchern in die nicht durchmischten Bereiche 43 diffundieren, ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Durchmischungsbereichs 44 kleiner ist als Diffusionslänge der Ladungsträger e, h in dem Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper 6 basiert deshalb vorteilhaft auf einem Materialsystem mit großer Ladungsträgerdiffusionslänge wie beispielsweise GaAs, InAlGaAs, InGaAlP oder InP. Der Durchmischungsbereich 44 ist aber auch in Nitrid-Halbleitermaterialien wie beispielsweise InGaN, GaN oder AlGaN realisierbar.
Die Breite des Durchmischungsbereichs 44 und/oder des ersten Kontakts 1 beträgt vorzugsweise weniger als 10 µm und besonders bevorzugt weniger als 2 µm. Beispielsweise beträgt die Breite des Durchmischungsbereichs und/oder des ersten Kontakts zwischen 100 nm und 10 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 2 µm.
Die im Bereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 verminderte Rekombination von Ladungsträgern hat den Vorteil, dass unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 weniger Strahlung entsteht, die an dem ersten elektrischen Kontakt 1 absorbiert werden könnte. Vielmehr erfolgt die Rekombination von Ladungsträgern und somit die Emission von Strahlung vermehrt in den nicht durchmischten Bereichen 43, über denen kein elektrischer Kontakt angeordnet ist und somit die Strahlungsaustrittsfläche 9 freiliegt. Die Lichtauskopplung aus dem optoelektronischen Bauelement 10 wird auf diese Weise verbessert.
In den folgenden 2A bis 2D ist beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements 10 anhand von Zwischenschritten dargestellt.
Bei dem in 2 dargestellten Zwischenschritt ist ein Halbleiterkörper 6 hergestellt worden, der den p-Typ Halbleiterbereich 3, die als Quantentopfstruktur ausgebildete aktive Schicht 4 und den n-Typ Teilbereich 5 aufweist. Die aktive Schicht 4 weist abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten auf, wie zuvor im Zusammenhang mit der 1B beschrieben.
Auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers 6, bei dem es sich um einen Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 handelt, auf den in einem späteren Verfahrensschritt der erste elektrische Kontakt aufgebracht werden soll, ist eine dielektrische Schicht 7 aufgebracht worden, die einen von dem Halbleiterkörper 6 verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die dielektrische Schicht 7 ist zum Beispiel eine SiO₂-Schicht. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von SiO₂ ist geringer als der thermische Ausdehnungskoeffizient von III-V-Halbleitermaterialien wie beispielsweise Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien. Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient von SiO₂ etwa 0,5 * 10^-6/K und der thermische Ausdehnungskoeffizient von GaAs etwa 6 * 10^-6/K. Die thermische Ausdehnung des Halbleitermaterials ist also wesentlich größer als die thermische Ausdehnung der dielektrischen Schicht 7.
Auf die Bereiche der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6, die neben der dielektrischen Schicht 7 angeordnet sind, kann eine weitere dielektrische Schicht 8 aufgebracht werden, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die dielektrische Schicht und der Halbleiterkörper aufweist. Die weitere dielektrische Schicht 8 ist beispielsweise eine SrF₂-Schicht. Es ist möglich, dass die weitere dielektrische Schicht 8 auch auf eine gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht wird.
In einem weiteren Schritt, der in 2B schematisch dargestellt ist, wird eine Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers 6 durchgeführt. Die Temperaturbehandlung kann im Temperaturbereich von etwa 700°C bis 1200°C, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 900°C erfolgen. Die Temperaturbehandlung dauert beispielsweise 10 s bis 10 min, vorzugsweise etwa 1 min bis 2 min. Aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers 6 und der dielektrischen Schicht 7 entsteht im Bereich der dielektrischen Schicht 7 eine Verspannung zwischen den Materialien der dielektrischen Schicht 7 und dem Halbleiterkörper 6.
Im Fall einer dielektrischen Schicht aus SiO₂ entsteht durch die Temperaturbehandlung insbesondere eine große kompressive Verspannung in dem Halbleiterkörper. Die thermisch induzierte Verspannung bewirkt, dass sich Atome 11 aus dem Halbleiterkörper 6 in die dielektrische Schicht 7 bewegen. Beispielsweise können Gallium-Atome 11 aus dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 6 bei der Temperaturbehandlung in die dielektrische Schicht 7 diffundieren. Die aus dem Halbleiterkörper 6 diffundierten Atome 11 hinterlassen Leerstellen, die in dem Halbleiterkörper 6 diffundieren. Durch die Diffusion der Leerstellen werden die Quantentopfschichten und Barriereschichten in dem Bereich unterhalb der dielektrischen Schicht 7 zumindest teilweise durchmischt und so der Durchmischungsbereich 44 in der aktiven Schicht 4 erzeugt.
In den seitlich von der dielektrischen Schicht 7 angeordneten Bereichen des Halbleiterkörpers 6, in denen eine SrF₂-Schicht als weitere dielektrische Schicht 8 angeordnet ist, ist die thermische Verspannung aufgrund des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der weiteren dielektrischen Schicht 8 wesentlich geringer und bewirkt deshalb im Wesentlichen keine Diffusion von Atomen des Halbleiterkörpers 6 in die weitere dielektrische Schicht 8. Außerhalb des Bereichs der dielektrischen Schicht 7 findet daher im Wesentlichen keine Leerstellendiffusion statt, so dass die aktive Schicht 4 dort nicht durchmischt wird. Nach der Temperaturbehandlung liegen daher außerhalb des Kontaktbereichs des Halbleiterkörpers 6, auf den die dielektrischen Schicht 7 aufgebracht ist, nicht durchmischte Bereiche 43 der aktiven Schicht 4 vor.
Die Herstellung des Durchmischungsbereichs 44 in der aktiven Schicht 4 erfolgt bei dem hier beschriebenen Beispiel vorteilhaft durch einen thermisch induzierten Diffusionsprozess, bei dem keine Fremdatome in den Durchmischungsbereich 44 eingebracht werden. Die Dotierung des Halbleiterkörpers 6 wird daher bei der Herstellung des Durchmischungsbereichs 44 nicht gezielt verändert. Insbesondere weisen die nicht durchmischten Bereiche 43 und der Durchmischungsbereich 44 der aktiven Schicht 4 nominell die gleiche oder gar keine Dotierung auf.
In einem weiteren Zwischenschritt des Verfahrens, der in 2C schematisch dargestellt ist, sind die dielektrische Schicht 7 und die weitere dielektrische Schicht 8 wieder von dem Halbleiterkörper 6 entfernt worden. Dies kann beispielsweise mit einem dazu geeigneten Ätzprozess erfolgen.
In einem nächsten Schritt des Verfahrens, der in 2D dargestellt ist, sind der erste elektrische Kontakt 1 und der zweite elektrischen Kontakt 2 auf den Halbleiterkörper 6 aufgebracht worden. Der erste elektrische Kontakt 1 wird auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht, auf dem zuvor die dielektrische Schicht 7 angeordnet war. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich 44 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet ist. Der erste elektrische Kontakt 1 wird vorzugsweise derart aufgebracht, dass die Form und/oder Breite des ersten elektrischen Kontakts 1 im Wesentlichen der Form und/oder Breite des Durchmischungsbereichs 44 entsprechen. Besonders bevorzugt sind der erste elektrische Kontakt 1 und der Durchmischungsbereich 44 in Draufsicht auf den Halbleiterkörper 6 deckungsgleich. Der erste elektrische Kontakt 1 ist beispielsweise der n-Kontakt des optoelektronischen Bauelements.
Der zweite elektrische Kontakt 2 ist auf eine dem ersten elektrischen Kontakt 2 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht. Der zweite elektrische Kontakt 2 kann beispielsweise ganzflächig auf die der Strahlungsaustrittsfläche 9 gegenüberliegende Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht sein. Der zweite elektrische Kontakt 2 kann beispielsweise als Spiegelkontakt ausgeführt sein, der ein für die von der aktiven Schicht 4 emittierte Strahlung reflektierendes Material wie beispielsweise Silber oder Aluminium aufweist. Es ist möglich, dass der zweite elektrische Kontakt 2 zwischen dem Halbleiterkörper 6 und einem Träger (nicht dargestellt) des Halbleiterkörpers 6 angeordnet ist. Der zweite elektrische Kontakt 2 ist beispielsweise der p-Kontakt des optoelektronischen Bauelements 10.
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: erster Kontakt
2: zweiter Kontakt
3: p-Typ Halbleiterbereich
4: aktive Schicht
41: Quantentopfschicht
42: Barriereschicht
43: nicht durchmischter Bereich
44: Durchmischungsbereich
5: n-Typ Halbleiterbereich
6: Halbleiterkörper
7: dielektrische Schicht
8: weitere dielektrische Schicht
9: Strahlungsaustrittsfläche
10: optoelektronisches Bauelement
11: Ga-Atom

Claims

Optoelektronisches Bauelement (10), umfassend - einen Halbleiterkörper (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mindestens eine Quantentopfschicht (41) und Barriereschichten (42) enthält, - einen ersten elektrischen Kontakt (1) und einen zweiten elektrischen Kontakt (2), wobei - die aktive Schicht (4) mindestens einen Durchmischungsbereich (44) und mindestens einen nicht durchmischten Bereich (43) aufweist, - die mindestens eine Quantentopfschicht (41) und die Barriereschichten (42) in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt sind, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43), - der erste elektrische Kontakt (1) ein Metallkontakt ist, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, und - der Durchmischungsbereich (44) in vertikaler Richtung unterhalb des ersten Kontakts (1) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Durchmischungsbereich (44) und/oder der erste Kontakt (1) eine Breite von weniger als 10 µm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich (44) um mindestens 0,05 eV größer ist als in dem nicht durchmischten Bereich (43).
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kontakt (1) ein n-Kontakt und der zweite Kontakt (2) ein p-Kontakt des Halbleiterkörpers (6) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontakt (2) an einer der Strahlungsaustrittsfläche (9) gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (6) auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmischungsbereich (44) und der nicht durchmischte Bereich (43) die gleiche Dotierstoffkonzentration aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Bauelement (10) eine LED ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, umfassend die Schritte: - Herstellen eines Halbleiterkörpers (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mindestens eine Quantentopfschicht (41) und Barriereschichten (42) enthält, - Aufbringen einer dielektrischen Schicht (7) auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6), wobei die dielektrische Schicht (7) einen von dem Halbleiterkörper verschiedenen (6) thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, - Durchführen einer Temperaturbehandlung, bei der Atome aus dem Halbleiterköper (6) in die dielektrische Schicht (7) diffundieren und Leerstellen in dem Halbleiterkörper (6) erzeugen, wobei durch eine Diffusion der Leerstellen in dem Halbleiterkörper (6) ein Durchmischungsbereich (44) in der aktiven Schicht (4) erzeugt wird, und wobei die mindestens eine Quantentopfschicht (41) und die Barriereschichten (42) in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt werden, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43), - Entfernen der dielektrischen Schicht (7) von dem Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6), und - Aufbringen einer Metallschicht auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6) zur Ausbildung eines ersten elektrischen Kontakts (1) in dem Kontaktbereich.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die dielektrische Schicht (7) eine SiO₂-Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Halbleiterkörper (6) ein Ga enthaltendes Halbleitermaterial aufweist, und wobei bei der Temperaturbehandlung Ga-Atome (11) aus dem Halbleiterkörper (6) in die dielektrische Schicht (7) diffundieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei neben der dielektrischen Schicht (7) eine weitere dielektrische Schicht (8) auf den Halbleiterkörper (6) aufgebracht wird, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Halbleiterkörper (6).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die weitere dielektrische Schicht (8) eine SrF₂-Schicht ist.