DE102019134216A1

DE102019134216A1 - Optoelektronische Vorrichtung mit mehreren Epitaxieschichten und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102019134216A1
Application number: DE102019134216.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Tonkikh
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17
Also published as: US20230028464A1; CN114830359A; DE112020006081A5; WO2021116144A1

Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung (30) umfasst einen Epitaxieschichtstapel aus mindestens einer ersten Epitaxieschicht (31) und einer oberhalb der ersten Epitaxieschicht (31) angeordneten zweiten Epitaxieschicht (32), wobei in den Epitaxieschichtstapel folgende Schichten eingebettet sind: eine erste Halbleiterschicht (12) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht (12) angeordnete aktive Schicht (14), die zur Erzeugung von Licht ausgebildet ist, und eine oberhalb der aktiven Schicht (14) angeordnete zweite Halbleiterschicht (15) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei eine Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) zumindest teilweise durch die erste Halbleiterschicht (12) und/oder die zweite Halbleiterschicht (15) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung mit mehreren Epitaxieschichten und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optoelektronischen Vorrichtung.
Für viele Anwendungen von LEDs (light emitting diodes; deutsch: Leuchtdioden oder Licht emittierende Dioden) ist eine Miniaturisierung der LEDs erforderlich. Die Miniaturisierung führt jedoch häufig zu Effizienzverlusten, insbesondere im roten Spektralbereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung zu schaffen, die auch bei einer Ausführung mit kleinen Abmessungen eine hohe Effizienz aufweist. Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen der optoelektronischen Vorrichtung angegeben werden.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine optoelektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine optoelektronische Vorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst einen Epitaxieschichtstapel aus mindestens einer ersten Epitaxieschicht und einer oberhalb der ersten Epitaxieschicht angeordneten zweiten Epitaxieschicht. Der Epitaxieschichtstapel kann insbesondere weitere Epitaxieschichten enthalten. Die Epitaxieschichten des Epitaxieschichtstapels sind epitaktisch gewachsene Schichten, insbesondere Halbleiterschichten. Zwischen übereinanderliegenden Epitaxieschichten befindet sich jeweils eine Grenzfläche bzw. Schnittstelle. Insbesondere ist die zweite Epitaxieschicht direkt auf der ersten Epitaxieschicht gewachsen, d. h., es befindet sich keine Zwischenschicht zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht.
In den Epitaxieschichtstapel und insbesondere in die erste Epitaxieschicht und die zweite Epitaxieschicht sind eine erste Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht sowie eine aktive Schicht eingebettet.
Dabei ist die erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, und die zweite Halbleiterschicht ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp.
Die unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen können durch Dotieren, d. h. durch das Einbringen von Fremdatomen in das Halbleitermaterial, erzeugt werden. Einer der beiden Leitfähigkeitstypen kann ein n-Leitfähigkeitstyp und der andere Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp sein. Folglich ist entweder die erste Halbleiterschicht n-dotiert und die zweite Halbleiterschicht ist p-dotiert oder aber die erste Halbleiterschicht ist p-dotiert und die zweite Halbleiterschicht ist n-dotiert.
Die aktive Schicht ist oberhalb der ersten Halbleiterschicht angeordnet und zur Erzeugung von Licht ausgebildet. Die zweite Halbleiterschicht ist oberhalb der aktiven Schicht angeordnet. Folglich ist die aktive Schicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweite Halbleiterschicht angeordnet.
Eine Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht oder zwischen anderen Epitaxieschichten des Epitaxieschichtstapels verläuft zumindest teilweise durch die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht. Demnach ist die Grenzfläche bzw. Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Epitaxieschicht zumindest teilweise außerhalb des p-n-Übergangraumladungsbereichs (englisch: p-n junction space charge region) angeordnet. Defekte, die sich an der Grenzfläche bilden, werden während des Betriebs der optoelektronischen Vorrichtung nicht mit Ladungsträgern, d. h. Elektronen und Löchern, besetzt, wodurch nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern über derartige Zustände verhindert wird und die Effizienz der optoelektronischen Vorrichtung auch bei kleinen lateralen Abmessungen gesteigert wird.
Die optoelektronische Vorrichtung kann ein Halbleiterchip sein, der in einem Halbleiterwafer hergestellt wird und beispielsweise durch Sägen aus dem Waferverbund vereinzelt wird. Die optoelektronische Vorrichtung kann insbesondere ein Pixel oder ein Subpixel einer optoelektronischen Anwendung bilden.
Weiterhin kann die optoelektronische Vorrichtung beispielsweise als Licht emittierende Diode (englisch: light emitting diode; kurz: LED), als Superlumineszenzdiode (englisch: superluminescent light emitting diode; kurz: SLED oder SLD), als Laserdiode (auch Halbleiterlaser genannt; englisch: laser diode; kurz: LD), als Oberflächenemitter (englisch: verticalcavity surface-emitting laser; kurz: VCSEL), als Resonanztunneldiode (englisch: resonant-tunneling diode; kurz: RTD), als Bipolartransistor mit Heteroübergang (englisch: heterojunction bipolar transistor; kurz: HBT) oder als Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (englisch: high-electron-mobility transistor; kurz: HEMT) ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die optoelektronische Vorrichtung als µLED, d. h. Mikro-LED, ausgeführt. Eine µLED verfügt über kleine laterale Ausdehnungen, insbesondere im µm-Bereich.
Als epitaktische Materialien für die erste und zweite Epitaxieschicht können beispielsweise InGaAlP-, InAlGaN- oder AlGaAs-Materialien eingesetzt werden.
In besonderer Weise kann die Erfindung eingesetzt werden für optoelektronische Vorrichtungen, die aufgrund von technologischen Anforderungen eine zusätzliche künstliche Schnittstelle zwischen zwei Epitaxieschichten benötigen.
Das von der optoelektronischen Vorrichtung emittierte Licht kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV)-Licht und/oder Infrarot (IR)-Licht sein.
Insbesondere kann die Vorrichtung rotes Licht emittieren und beispielsweise als rotes Licht emittierende µLED ausgebildet sein.
Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise in Augmented reality (deutsch: erweiterte Realität)- oder Mixed reality (deutsch: vermischte oder gemischte Realität)-Anwendungen eingesetzt werden. Weiterhin kann die optoelektronische Vorrichtung in pixelierten Arrays bzw. pixelierten Lichtquellen eingesetzt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass alle Teile der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht, die parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht verlaufen, nicht durch die aktive Schicht und insbesondere nicht durch die weiter unten beschriebene undotierte Sperrschicht, in welche die aktive Schicht eingebettet ist, verlaufen. Dies kann insbesondere auch für weitere Grenzflächen zwischen aufeinanderliegenden Epitaxieschichten des Epitaxieschichtstapels gelten. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass sämtliche Teile der Grenzschichten zwischen zwei aufeinanderliegenden Epitaxieschichten des Epitaxieschichtstapels, die parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht verlaufen, nicht durch die aktive Schicht und insbesondere nicht durch die Sperrschicht verlaufen.
Ein erster Teil der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht kann durch die erste Halbleiterschicht verlaufen und ein zweiter Teil der Grenzfläche kann durch die zweite Halbleiterschicht verlaufen. Der erste und der zweite Teil können lateral versetzt zueinander und insbesondere beabstandet voneinander angeordnet sein. Lateral versetzt bedeutet, dass sie in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht zueinander versetzt sind.
Weiterhin kann der erste Teil der Grenzfläche außerhalb eines Umrisses der aktiven Schicht liegen, wohingegen der zweite Teil der Grenzfläche innerhalb eines Umrisses der aktiven Schicht liegt. Der Umriss der aktiven Schicht gibt dabei die laterale Ausdehnung der aktiven Schicht an. D. h., der erste Teil der Grenzfläche ist seitlich beabstandet von der aktiven Schicht angeordnet, während der zweite Teil direkt ober- bzw. unterhalb der aktiven Schicht liegt.
Der erste Teil und/oder der zweite Teil der Grenzfläche können parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht verlaufen. Die Grenzfläche kann darüber hinaus einen oder mehrere weitere Teile aufweisen. Beispielsweise kann ein weiterer Teil der Grenzfläche die ersten und zweiten Teile miteinander verbinden.
Ganz allgemein kann zumindest ein Teil der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht und außerdem ober- oder unterhalb der Hauptoberfläche der aktiven Schicht verlaufen.
Die aktive Schicht kann eine oder mehrere Seitenflächen aufweisen, welche die beiden Hauptoberflächen der aktiven Schicht miteinander verbinden. Zumindest ein Teil der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Epitaxieschicht kann entlang zumindest einer der Seitenflächen der aktiven Schicht verlaufen.
Die aktive Schicht kann eine Mesa-Struktur aufweisen, was bedeutet, dass die eine oder mehreren Seitenflächen keinen Winkel von 90° mit den Hauptoberflächen bilden. Beispielsweise kann sich die aktive Schicht nach oben hin verjüngen, d. h., der Querschnitt der aktiven Schicht verringert sich nach oben. Mindestens eine Seitenfläche der aktiven Schicht bildet folglich einen Winkel mit der unteren Hauptoberfläche von weniger als 90°. Ein Teil der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Epitaxieschicht kann entlang dieser Seitenfläche verlaufen.
Die aktive Schicht kann in eine nicht dotierte Sperrschicht eingebettet sein. Die Sperrschicht kann die Hauptoberflächen und eine oder mehrere Seitenflächen der aktiven Schicht bedecken. Die Sperrschicht ist oberhalb der ersten Halbleiterschicht angeordnet. Die zweite Halbleiterschicht ist oberhalb der Sperrschicht angeordnet.
Weiterhin kann die erste Halbleiterschicht auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat angeordnet sein. Das Halbleitersubstrat kann Bestandteil der ersten Epitaxieschicht sein.
Ein Verfahren gemäß einem zweiten Aspekt der Anmeldung dient zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung. Das Verfahren sieht vor, dass ein Epitaxieschichtstapel aus mindestens einer ersten Epitaxieschicht und einer oberhalb der ersten Epitaxieschicht angeordneten zweiten Epitaxieschicht erzeugt wird. Ferner kann der Epitaxieschichtstapel weitere Epitaxieschichten enthalten. In den Epatxieschichtstapel und insbesondere in die erste und zweite Epitaxieschicht werden folgende Schichten eingebettet: eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht angeordnete aktive Schicht, die zur Erzeugung von Licht ausgebildet ist, und eine oberhalb der aktiven Schicht angeordnete zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Eine Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxieschicht und der zweiten Epitaxieschicht verläuft zumindest teilweise durch die erste Halbleiterschicht und/oder die zweite Halbleiterschicht.
Nach dem Wachsen der ersten Epitaxieschicht kann die erste Epitaxieschicht strukturiert werden, wodurch sie eine dreidimensionale Oberfläche erhält. Auf dieser Oberfläche wird die zweite Epitaxieschicht gewachsen.
Durch das das Strukturieren der ersten Epitaxieschicht wird insbesondere die aktive Schicht strukturiert.
Die zweite Epitaxieschicht kann direkt auf der ersten Epitaxieschicht erzeugt werden.
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der optoelektronischen Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt aufweisen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

1A eine Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung;
1B und 1C Darstellungen der Bandstruktur der optoelektronischen Vorrichtung aus 1A an verschiedenen Stellen;
2A eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung;
2B eine Darstellung der Bandstruktur der optoelektronischen Vorrichtung aus 2A an einer Stelle;
3A eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung; und
3B eine Darstellung der Bandstruktur der optoelektronischen Vorrichtung aus 3A an einer Stelle.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1A zeigt einen schematischen Aufbau einer als µLED 10 ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtung in einem Schnitt in einer x-z-Ebene gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Die µLED 10 ist beispielsweise aus einer InGaAlP-Verbindung hergestellt und emittiert rotes Licht. Die µLED 10 enthält ein Substrat 11, auf das eine n-dotierte erste Halbleiterschicht 12 aufgebracht ist. Auf der ersten Halbleiterschicht 12 ist eine undotierte Sperrschicht 13 aufgebracht, in die eine aktive Schicht 14 integriert ist. Die aktive Schicht 14 weist eine direkte Bandlücke auf, die niedriger ist als die umgebenden Barrieren von der Sperrschicht 13. Auf die Sperrschicht 13 ist eine p-dotierte zweite Halbleiterschicht 15 aufgebracht.
Die µLED 10 weist ferner einen Stapel aus mehreren Epitaxieschichten auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Stapel aus einer ersten Epitaxieschicht 16 und eine oberhalb der ersten Epitaxieschicht 16 angeordneten zweiten Epitaxieschicht 17. In die beiden Epitaxieschichten 16 und 17 sind wie in 1A gezeigt das Substrat 11, die n-dotierte erste Halbleiterschicht 12, die undotierte Sperrschicht 13, die aktive Schicht 14 sowie die p-dotierte zweite Epitaxieschicht 15 eingebettet. Zwischen der ersten Epitaxieschicht 16 und der zweiten Epitaxieschicht 17 verläuft eine Grenzfläche 18, die in 1A durch einen Pfeil und eine punktierte Linie dargestellt ist. Die Grenzfläche 18 verläuft im Wesentlichen durch die undotierte Sperrschicht 13 und erstreckt sich über die Oberseite der aktiven Schicht 14.
Ferner ist in 1A die Breite der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht 14 in der dargestellten x-z-Ebene mit Sa gekennzeichnet. W kennzeichnet die vertikale Ausdehnung der aktiven Schicht 14 und Sm bezeichnet die seitliche Breite der Grenzfläche 18 benachbart zu der aktiven Schicht 14.
In 1B und 1C ist die Bandstruktur der µLED 10 an der in 1A dargestellten Stelle x₁ bzw. x₂ dargestellt. D. h., 1B zeigt die Bandstruktur der µLED 10 in einem Bereich außerhalb der aktiven Schicht 14, während 1C die Bandstruktur in einem Bereich zeigt, der durch die aktive Schicht 14 verläuft. In 1B und 1C ist jeweils die Energie über die z-Koordinate an der Stelle x₁ bzw. x₂ aufgetragen. Der Verlauf der Grenzfläche 18 ist in 1B und 1C wie in 1A durch einen Pfeil und eine punktierte Linie dargestellt. Ferner veranschaulichen Pfeile den Fluss von Elektronen („e“) und Löchern („h“) während eines Schwachstrombetriebs der µLED 10.
In 1B ist die Grenzfläche 18 innerhalb des p-n-Übergangraumladungsbereichs angeordnet. An der Stelle x₁ rekombinieren Elektronen und Löcher strahlungslos über Zustände an der Grenzfläche 18. Diese Rekombination konkurriert mit der strahlenden Rekombination in der aktiven Schicht 14.
1C zeigt, dass auch an der Stelle x₂ die Grenzfläche 18 innerhalb des p-n-Übergangs liegt. Die Bandlücke ist im Bereich der aktiven Schicht 14 verringert. In diesem Bereich erfolgt eine strahlende Rekombination der Ladungsträger, wie durch Pfeile 20 dargestellt ist. Allerdings gibt es auch einen durch Pfeile 21 gekennzeichneten Pfad der Ladungsträger entlang der Grenzfläche 18, der zu einer nichtstrahlenden Rekombination der Ladungsträger führt.
Durch die vorstehend beschriebene nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern wird die Effizienz der rotes Licht emittierenden µLED 10 deutlich verringert.
2A zeigt einen schematischen Aufbau einer als µLED 30 ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtung in einem Schnitt in einer x-z-Ebene gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Die µLED 30 weist eine erste Epitaxieschicht 31 und eine oberhalb der ersten Epitaxieschicht 31 angeordnete zweite Epitaxieschicht 32 auf. Zur Herstellung der µLED 30 wird zunächst die erste Epitaxieschicht 31 gewachsen. Diese wird danach strukturiert, insbesondere durch Ätzen, um ihr an ihrer Oberseite eine dreidimensionale Struktur zu verleihen. Anschließend wird direkt auf die strukturierte erste Epitaxieschicht 31 die zweite Epitaxieschicht 32 gewachsen. Eine Grenzfläche 33 zwischen der ersten Epitaxieschicht 31 und der zweiten Epitaxieschicht 32 ist in 2A durch eine punktierte Linie und zusätzlich durch Pfeile gekennzeichnet.
In die erste Epitaxieschicht 31 und die zweite Epitaxieschicht 32 sind genauso wie bei der µLED 10 aus 1A ein Substrat 11, eine n-dotierte erste Halbleiterschicht 12, eine undotierte Sperrschicht 13, eine aktive Schicht 14 mit einer direkten Bandlücke sowie eine p-dotierte zweite Halbleiterschicht 15 eingebettet bzw. integriert.
Die n-dotierte erste Halbleiterschicht 12 sowie die p-dotierte zweite Halbleiterschicht 15 enthalten jeweils Kontaktierungs- und Umverdrahtungsschichten.
Die aktive Schicht 14 weist eine untere Hauptoberfläche 34, eine der unteren Hauptoberfläche 34 gegenüberliegende obere Hauptoberfläche 35 sowie Seitenflächen 36 auf. Die Seitenflächen 36 bilden jeweils einen Winkel α mit der unteren Hauptoberfläche 34, der kleiner als 90° ist.
Die Grenzfläche 33 zwischen der ersten Epitaxieschicht 31 und der zweiten Epitaxieschicht 32 weist einen ersten Teil 40 und einen zweiten Teil 41 auf. Der erste Teil 40 der Grenzfläche 33 verläuft innerhalb der n-dotierten ersten Halbleiterschicht 12 und parallel zu den Hauptoberflächen 34, 35 der aktiven Schicht 14.
Weiterhin verläuft der erste Teil 40 der Grenzfläche 33 außerhalb eines Umrisses 42 der aktiven Schicht 14, der in 2A durch gestrichelte Linien gekennzeichnet ist. Der Umriss 42 gibt die laterale Ausdehnung, d. h. die Ausdehnung in x-Richtung, der aktiven Schicht 14 an.
Der zweite Teil 41 der Grenzfläche 33 verläuft innerhalb der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht 15 und parallel zu den Hauptoberflächen 34, 35 der aktiven Schicht 14. Ferner verläuft der zweite Teil 41 innerhalb des Umrisses 42 der aktiven Schicht 14 und somit direkt oberhalb der aktiven Schicht 14.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der auf der Höhe der aktiven Schicht 14 befindliche zweite Teil 41 der Grenzfläche 33 sich in der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht 15 befindet, während der außerhalb der aktiven Schicht 14 befindliche erste Teil 40 der Grenzfläche 33 in der n-dotierten ersten Halbleiterschicht 12 angeordnet ist. Folglich liegen die beiden Teile 41 und 42 der Grenzfläche 33 außerhalb des p-n-Übergangs.
Ferner weist die Grenzfläche 33 einen oder mehrere seitliche Teile 43 auf, welche den ersten Teil 40 mit dem zweiten Teil 41 verbinden. Die seitlichen Teile 43 verlaufen entlang der Seitenflächen 36 der aktiven Schicht 36 und haben insbesondere dieselbe Neigung wie die Seitenflächen 36.
In 2B ist die Bandstruktur der µLED 30 an der in 2A dargestellten Stelle x₂, die sich auf der Höhe der aktiven Schicht 14 befindet, dargestellt. In 2B ist die Energie über die z-Koordinate an der Stelle x₂ aufgetragen. Der Verlauf der Grenzfläche 33 ist durch einen Pfeil und eine punktierte Linie dargestellt. Ferner veranschaulichen Pfeile den Fluss von Elektronen („e“) und Löchern („h“) während eines Schwachstrombetriebs der µLED 30.
Da sich die Grenzfläche 33 außerhalb des p-n-Übergangs befindet, findet in 2B nur strahlende Rekombination von Ladungsträgern statt, wodurch die Effizienz der µLED 30 gegenüber der µLED 10 aus 1A deutlich erhöht wird.
Die nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern über Zwischenzustände außerhalb der aktiven Schicht 33, wie sie in 1B gezeigt ist, findet auch bei der µLED 30 statt. Jedoch ist im Schwachstrombetrieb die Population der Ladungsträger in der aktiven Schicht 14 eine exponentielle Funktion der angelegten Spannung. Daher findet deutlich mehr strahlende Rekombination von Ladungsträgern im Bereich der aktiven Schicht 14 statt, wodurch die Effizienz um beispielsweise mehr als eine Größenordnung gegenüber der µLED 10 gesteigert werden kann.
Durch das Strukturieren der erste Epitaxieschicht 31 wird auch die aktive Schicht 14 strukturiert, wodurch während des Betriebs der µLED 30 Ladungsträger über Zustände an der Grenzfläche 33 im Bereich der Seitenflächen 36 der aktiven Schicht 14 nichtstrahlend rekombinieren können. Jedoch beträgt, bei einer typischen vertikalen Ausdehnung W der aktiven Schicht 14 von 5 nm bis 100 nm und einer lateralen Ausdehnung der µLED 30 von 1 µm bis 100 µm, das Verhältnis der Breite der oberen Hauptoberfläche 35 der aktiven Schicht 14 zu dem Teil der Grenzfläche 33 an den Seitenflächen 36 der aktiven Schicht 14 mindestens 10. pLEDs, die für Augmented- oder Mixed-reality-Anwendungen geeignet sind, haben beispielsweise eine laterale Ausdehnung von 1 µm bis 5 µm und eine vertikale Ausdehnung W der aktiven Schicht 14 von 5 nm bis 50 nm. Daher beträgt bei diesen pLEDs das Verhältnis der Breite der oberen Hauptoberfläche 35 der aktiven Schicht 14 zu dem Teil der Grenzfläche 33 an den Seitenflächen 36 der aktiven Schicht 14 mindestens 20.
3A zeigt einen schematischen Aufbau einer als µLED 50 ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtung in einem Schnitt in einer x-z-Ebene gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Die in 3A dargestellte µLED 50 ist weitgehend identisch mit der µLED 30 aus 2A. Der Unterschied besteht darin, dass in der µLED 50 die erste Halbleiterschicht 12 unterhalb der aktiven Schicht 14 p-dotiert ist, während die zweite Halbleiterschicht 15 oberhalb der aktiven Schicht 14 n-dotiert ist.
Folglich befindet sich der auf der Höhe der aktiven Schicht 14 angeordnete zweite Teil 41 der Grenzfläche 33 in der n-dotierten zweiten Halbleiterschicht 15, während der außerhalb der aktiven Schicht 14 befindliche erste Teil 40 der Grenzfläche 33 in der p-dotierten ersten Halbleiterschicht 12 liegt.
Dadurch ändert sich auch die Bandstruktur der µLED 50, die in 3B an der in 3A dargestellten Stelle x₂, die sich auf der Höhe der aktiven Schicht 14 befindet, dargestellt ist. In 3B ist die Energie über die z-Koordinate an der Stelle x₂ aufgetragen. Der Verlauf der Grenzfläche 33 ist durch einen Pfeil und eine punktierte Linie dargestellt. Da die Grenzfläche 33 außerhalb des p-n-Übergangs verläuft, findet in 3B im Wesentlichen nur strahlende Rekombination von Ladungsträgern statt.
Bezugszeichenliste

10: µLED
11: Substrat
12: erste Halbleiterschicht
13: Sperrschicht
14: aktive Schicht
15: zweite Halbleiterschicht
16: erste Epitaxieschicht
17: zweite Epitaxieschicht
18: Grenzfläche
20: Pfeil
21: Pfeil
30: µLED
31: erste Epitaxieschicht
32: zweite Epitaxieschicht
33: Grenzfläche
34: untere Hauptoberfläche
35: obere Hauptoberfläche
36: Seitenfläche
40: erster Teil
41: zweiter Teil
42: Umriss
43: seitlicher Teil
50: µLED

Claims

Optoelektronische Vorrichtung (30, 50), umfassend: einen Epitaxieschichtstapel aus mindestens einer ersten Epitaxieschicht (31) und einer oberhalb der ersten Epitaxieschicht (31) angeordneten zweiten Epitaxieschicht (32), wobei in den Epitaxieschichtstapel folgende Schichten eingebettet sind: eine erste Halbleiterschicht (12) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht (12) angeordnete aktive Schicht (14), die zur Erzeugung von Licht ausgebildet ist, und eine oberhalb der aktiven Schicht (14) angeordnete zweite Halbleiterschicht (15) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei eine Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) zumindest teilweise durch die erste Halbleiterschicht (12) und/oder die zweite Halbleiterschicht (15) verläuft.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach Anspruch 1, wobei ein erster Teil (40) der Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) durch die erste Halbleiterschicht (12) und ein zweiter Teil (41) der Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) durch die zweite Halbleiterschicht (15) verläuft.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach Anspruch 2, wobei der erste Teil (40) der Grenzfläche (33) außerhalb eines Umrisses (42) der aktiven Schicht (14) liegt und der zweite Teil (41) der Grenzfläche (33) innerhalb des Umrisses (42) der aktiven Schicht (14) liegt.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Teil (40) und/oder der zweite Teil (41) der Grenzfläche (33) parallel zu einer Hauptoberfläche (34, 35) der aktiven Schicht (14) verlaufen.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil (40) der Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) parallel zu einer Hauptoberfläche (34, 35) der aktiven Schicht (14) und ober- oder unterhalb der Hauptoberfläche (34, 35) der aktiven Schicht (14) verläuft.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (14) eine oder mehrere Seitenflächen (36) aufweist und zumindest ein Teil (43) der Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) entlang zumindest einer der Seitenflächen (36) der aktiven Schicht (14) verläuft.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (14) eine Mesa-Struktur aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (14) in eine nicht dotierte Sperrschicht (13) eingebettet ist.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer des ersten und des zweiten Leitfähigkeitstyps ein p-Leitfähigkeitstyp ist und der andere Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp ist.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronische Vorrichtung eine µLED (30, 50) ist.
Optoelektronische Vorrichtung (30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (12) auf einem Substrat (11) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung (30, 50), umfassend: Erzeugen eines Epitaxieschichtstapels aus mindestens einer ersten Epitaxieschicht (31) und einer oberhalb der ersten Epitaxieschicht (31) angeordneten zweiten Epitaxieschicht (32), wobei in den Epitaxieschichtstapel folgende Schichten eingebettet werden: eine erste Halbleiterschicht (12) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht (12) angeordnete aktive Schicht (14), die zur Erzeugung von Licht ausgebildet ist, und eine oberhalb der aktiven Schicht (14) angeordnete zweite Halbleiterschicht (15) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei eine Grenzfläche (33) zwischen der ersten Epitaxieschicht (31) und der zweiten Epitaxieschicht (32) zumindest teilweise durch die erste Halbleiterschicht (12) und/oder die zweite Halbleiterschicht (15) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Erzeugen der ersten Epitaxieschicht (31) die erste Epitaxieschicht (31) strukturiert wird und auf der strukturierten ersten Epitaxieschicht (31) die zweite Epitaxieschicht (32) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei durch das Strukturieren der ersten Epitaxieschicht (31) die aktive Schicht (14) strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zweite Epitaxieschicht (32) direkt auf der ersten Epitaxieschicht (31) erzeugt wird.