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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauelements mit den Schritten des Patentanspruchs 7.
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Die Druckschrift
DE 41 13 969 C2 beschriebt ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten.
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Bei kommerziellen auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Halbleiterbauelementen ist die Vorderseite, d.h. die von einem Aufwachssubstrat abgewandte Seite einer Halbleiterschichtenfolge, in der Regel derart dotiert, dass sie p-leitend ist. Dies liegt insbesondere in der Tatsache begründet, dass kommerzielle GaAs-Substrate in der erforderlichen Qualität nur als n-dotierte Substrate verfügbar sind, auf denen zunächst eine n-dotierte epitaktische Halbleiterstruktur aufgebracht wird. Aus diesem Grunde werden elektrische Kontakte bei auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Halbleiterschichtenfolgen bislang fast ausschließlich auf p-dotierten Schichten erzeugt.
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„Auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein derart bezeichnetes Bauelement oder Teil eines Bauelements vorzugsweise AlnGamIn1-n-mP umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Unter Außenschichten sind im Folgenden Halbleiterschichten einer Halbleiterschichtenfolge zu verstehen, denen auf einer Seite zumindest in Teilbereichen keine weiteren Halbleiterschichten nachgeordnet sind.
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Strukturen mit auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Halbleiterschichtenfolgen, bei denen eine Außenschicht n-leitend dotiert ist, sowie Verfahren zu dessen Herstellung sind beispielsweise in der Deutschen Offenlegung
DE 103 08 322 A1 beschrieben.
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In letzter Zeit gewinnen auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierende Bauelemente mit n-leitend dotierten Außenschichten vermehrt an Bedeutung, was insbesondere auch elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelemente dieser Art betrifft.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe ein deratiges, elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement bereitzustellen, das eine verbesserte Strahlungsausbeute und/oder einen verbesserten elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Außenschicht und einem Kontaktmaterial aufweist. Desweiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich für das Bauelement aus den Unteransprüchen 2 bis 6 und für das Verfahren aus den Unteransprüchen 8 und 9.
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Bei einem Bauelement weist die Außenschicht beispielsweise zumindest teilweise A1 und Ga in einem Verhältnis x: (1-x) , mit 0,4 ≤ x ≤ 1 auf.
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Bei auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Bauelementen mit p-leitend dotierten Außenschichten weisen diese Außenschichten üblicherweise einen möglichst niedrigen Al-Gehalt auf, da sich mit steigendem Al-Gehalt deren elektrische Kontaktierbarkeit verschlechtert. Bei n-leitend dotierten Außenschichten von auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Bauelementen wurde dagegen die überraschende Feststellung gemacht, dass sich die Kontaktierbarkeit der Außenschicht ab einem gewissen Al-Anteil mit steigendem Al-Gehalt zunächst verbessert, um darauf ein Maximum zu durchlaufen und mit weiter steigendem Al-Gehalt wieder schlechter zu werden.
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Zudem konnte unerwartet festgestellt werden, dass sich bei elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelementen ab etwa dem gleichen Al-Anteil in der Außenschicht, ab dem eine Verbesserung der Kontaktierbarkeit beobachtet werden konnte, die Strahlungsausbeute des Bauelements mit steigendem Al-Gehalt verbessert.
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Über den Al-Gehalt bzw. über das Verhältnis von A1 und Ga in der Außenschicht lässt sich demnach sowohl die Strahlungsausbeute eines Bauelements als auch die elektrische Kontaktierbarkeit der Außenschicht deutlich verbessern. Je nachdem ob beispielsweise die Kontaktierbarkeit der Außenschicht oder die Strahlungsausbeute von größerer Bedeutung sind kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verhältnis x: (1-x) von A1 zu Ga in der Außenschicht ein Wert x, der knapp größer ist als 0,4, oder ein Wert, der deutlich größer ist als 0,4 besonders vorteilhaft sein.
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In einer Ausführungsform des Bauelements ist x vorteilhafterweise größer als oder gleich 0,45. In einer weiteren Ausführungsform ist x mit Vorteil größer oder gleich 0,5
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Bevorzugt beträgt der Wert für x maximal 0,65. Alternativ beträgt x bevorzugt maximal 0,6.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Außenschicht zumindest zum Teil (AlxGa1-x) yIn1-yP umfasst, wobei y ≤ 1. Analog dem vorhergehend mit der Formel AlnGamIn1-n-mP bezeichneten Material muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet auch die Formel (AlxGa1-x) yIn1-yP nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtenfolge eine zwischen der Außenschicht und der aktiven Zone angeordnete Stromaufweitungsschicht auf, die zumindest teilweise A1 und Ga in einem Verhältnis a: (1-a) aufweist, mit 0,4 ≤ a ≤ 1. Ähnlich wie bei der Außenschicht kann sich ein derartiger Al-Gehalt bzw. ein derartiges Verhältnis von A1 und Ga auch in der Stromaufweitungsschicht vorteilhaft auf Eigenschaften des Bauelements auswirken.
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Für den Parameter a sind in zwei vorteilhaften Ausführungsformen des Bauteils Werte von mindestens 0,45 bzw. von mindestens 0,5 vorgesehen.
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Bevorzugt entspricht das Verhältnis von A1 und Ga zumindest in Teilen der Stromaufweitungsschicht im Wesentlichen einem Verhältnis von A1 und Ga in Teilen der Außenschicht. Dadurch kann beispielsweise die Epitaxie zum Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht und der Außenschicht vereinfacht sein.
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Das auf die Außenschicht aufgebrachte elektrische Kontaktmaterial weist bevorzugt Au und mindestens einen Dotierstoff auf, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Ge, Si, Sn und Te enthält.
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Besonders bevorzugt beträgt der Anteil des Dotierstoffs im elektrischen Kontaktmaterial höchstens 5 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 und einschließlich 1,5 Gewichtsprozent.
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Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Bauelements ist zweckmäßigerweise eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, mit besonderem Vorteil für eine Dünnfilm-Leuchtdiode.
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Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:
- - an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- - die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20µm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 µm auf; und
- - die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Bauelements wird in einem Verfahrensschritt eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge bereitgestellt, die n-leitendes auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierendes Material, eine elektromagnetische Strahlung emittierende aktive Zone sowie eine Außenschicht umfasst. Die Außenschicht weist hierbei zumindest teilweise A1 und Ga in einem Verhältnis x:(1-x), mit 0,4 ≤ x ≤ 1 auf. Nachfolgend wird elektrisches Kontaktmaterial auf die Außenschicht aufgebracht sowie die Halbleiterschichtenfolge getempert.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelements und
- 2 die Strahlungsausbeute von elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelementen mit unterschiedlichen Werten für x in Abhängigkeit von x.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
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Das in 1 gezeigte Bauelement 1 ist eine Dünnfilm-Leuchtdiode und umfasst eine auf einem Trägersubstrat 14 angeordnete epitaktische Hableiterschichtenfolge 8, die eine strahlungserzeugende aktive Zone und an ihrer vom Trägersubstrat abgewandten Seite eine Außenschicht 7 umfasst. Zwischen der aktiven Zone und der Außenschicht 7 ist eine Stromaufweitungsschicht 17 angeordnet.
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Die Außenschicht 7 weist n-leitendes auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierendes Material auf und kann beispielsweise aus (AlxGa1-x) 0,5In0,5P bestehen, wobei x z.B. 0,55 beträgt. Dieser Wert für x ergibt eine gute elektrische Kontaktierbarkeit der Außenschicht 4 mittels einer Kontaktschichtenfolge 2. Diese weist beispielsweise eine etwa 10 nm dicke Ti-Schicht 16, ein Kontaktmaterial 3 aus Au:Ge mit etwa 1 Gewichtsprozent Ge sowie Anschlußmaterial 6 auf und ist auf der Außenschicht aufgebracht. Dabei dient die Ti-Schicht 16 u.a. zur besseren Haftung des Kontaktmaterials und kann im Sinne der Erfindung auch als Bestandteil des Kontaktmaterials selbst angesehen werden. Das Anschlußmaterial 6 umfasst eine auf dem Kontaktmaterial 3 aufgebrachte Sperrschicht 4, die aus Stickstoff dotiertem TiW besteht, sowie eine auf der Sperrschicht 4 angeordneten Bondschicht 5 aus Aluminium. Die Stromaufweitungsschicht 17 kann ebenfalls aus einem auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Material bestehen und weist A1 und Ga etwa im gleichen Verhältnis wie die Außenschicht auf.
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Die verschiedenen Materialschichten der elektrischen Kontaktschichtenfolge 2 können beispielsweise durch Lithographie mittels Maskenschichten und Aufdampfen aufgebracht werden. Die Oberfläche der Bondschicht 5 ist geeignet, um einen Bond-Draht anzuschließen.
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Die Kontaktschicht 3 kann alternativ aus zwei Teilschichten bestehen, von denen eine beispielsweise eine 10 nm dicke Ge-Schicht und die andere z.B. eine 200 nm dicke Au-Schicht sein kann. Hierbei sind beide Reihenfolgen möglich. Ebenfalls möglich ist eine Kontaktschicht, die aus einer Legierung von beispielsweise 88 Gewichtsprozenz Au und 12 Gewichtsprozent Ge besteht, was für diese Materialien die eutektische Zusammensetzung ist.
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Die aktive Zone weist beispielsweise einen strahlungserzeugenden pn-Übergang oder eine strahlungserzeugende Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur auf. Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher nicht näher erläutert.
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Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 8 ist mittels einer Lotschicht 11 mit dem Trägersubstrat 14 verbunden. Zwischen der Lotschicht 11 und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 sind, von der Lotschicht 11 aus gesehen, eine Sperrschicht 10 sowie eine AuZn-Schicht 9 angeordnet. Zwischen der Lotschicht 11 und dem Trägersubstrat 14 sind von der Lotschicht 11 aus gesehen eine weitere Sperrschicht 12 sowie eine elektrische Zwischenkontaktschicht 13 aufgebracht. Auf der von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 abgewandten Seite des Trägersubstrats 14 ist ein elektrischer Rückseitenkontakt 15 aufgebracht.
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Das Trägersubstrat 14 kann beispielsweise aus GaAs bestehen, die Zwischenkontaktschicht 13 und der Rückseitenkontakt 15 können im Wesentlichen aus Au:Ge gebildet sein. Die Lotschicht 11 besteht z.B. aus AuSn.
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Eine Möglichkeit, die Halbleiterschichtenfolge 8 herzustellen, ist, sie mit der Außenschicht 7 beginnend auf einem Aufwachssubstrat aufzuwachsen. Nachfolgend wird das Aufwachssubstrat zumindest teilweise von der Außenschicht 7 entfernt.
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Dabei kann die Außenschicht 7 mit Tellur dotiert sein, z.B. mit einer Konzentration von etwa 1·1019 cm-3.
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Die Halbleiterschichtenfolge wird vor oder nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats auf das Trägersubstrat 14 aufgebracht. Nachfolgend dem Entfernen des Aufwachssubstrats wird die Kontaktschichtenfolge 2 aufgebracht und wird das Bauelement getempert. Das Tempern kann beispielsweise bei etwa 400°C sowie ausreichend lange durchgeführt werden, so dass zwischen der Kontaktschichtenfolge 2 und der Außenschicht 8 ein gut leitender elektrischer Kontakt ausgebildet wird, der sich in guter Näherung ohmsch verhält.
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Bei dem in 2 gezeigten Graphen ist die gemessene Strahlungsausbeute Φ verschiedenener Bauelemente in Abhängigkeit von x (in Prozent) des jeweiligen Bauelements aufgetragen, wobei x: (1-x) das Verhältnis von A1 und Ga in der Außenschicht bezeichnet. Bis auf den Wert für x sind die vermessenen Bauelemente im Wesentlichen gleich und entsprechen jeweils einem Bauelement gemäß dem anhand 1 erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Außenschicht 7 besteht aus (AlxGa1-x) yIn1-yP, mit y ungefähr 0,5.
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Φ-Werte von Bauelementen mit x zwischen knapp 0,35 und knapp 0,65 sind aufgetragen. Die Strahlungsausbeute Φ nimmt mit steigendem x zu, wobei Φ(x≈0,65) gegenüber Φ(x≈0,35) um etwa 50 % erhöht ist.
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Zusätzlich zu den in 2 dargestellten Messungen wurde die Beobachtung gemacht, dass die elektrische Kontaktierbarkeit von Außenschichten 7 mit x≈0,35 relativ schlecht ist und sich ab x≈0,4 mit steigendem x zunächst verbessert, obwohl sich die Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 gleichzeitig etwas verringert. Abhängig vom Kontaktmaterial verschlechtert sich die Kontaktierbarkeit ab einem gewissen Wert von x mit steigendem x wieder. Ab x≈0,65 erscheint es problematisch, mittels Au:Ge einen ausreichend gut leitenden elektrischen Kontakt zu der Außenschicht 7 zu realisieren, was sich mit weiter steigendem Wert für x verstärkt.
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Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits beschrieben, können ganz unterschiedliche Werte für x von Vorteil sein, je nachdem wie groß beispielsweise die Bedeutung der Kontaktierbarkeit der Außenschicht 7, der Strahlungsausbeute oder der Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 für das konkrete Bauelement ist. Dies kann insbesondere auch von den Materialien der Kontaktschichtenfolge 2 und von dem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes zu der Außenschicht 7 abhängen. Demnach stellt der Wert für x von ungefähr 0,55, der vorhergehend im anhand 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel genannt wurde, keineswegs einen für alle Fälle optimalen Wert im Sinne der Erfindung dar. Vielmehr ist er als ein Beispiel zu verstehen, das unter bestimmten Aspekten besonders vorteilhaft sein kann.
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Beipielsweise kann die epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit einer n-leitenden auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden Außenschicht abschließend aufgewachsen sein, so dass diese von vornherein exponiert ist und direkt elektrisch kontaktiert werden kann. Zudem muss dass Kontaktmaterial und/oder das Anschlußmaterial nicht in Form einer Schicht aufgebracht werden. Vielmehr kann das elektrische Kontaktmaterial auch in beliebiger Form und auch auf mehrere, nicht zusammenhängende Bereiche verteilt aufgebracht werden.
