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Es wird ein Strahlung emittierender Halbleiterchip mit integriertem ESD-(„Electro-static Discharge“) Schutz angegeben. Ein Strahlung emittierender Halbleiterchip der genannten Art ist beispielsweise in der Druckschrift
WO 2011/ 080 219 A1 beschrieben.
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Die Druckschriften
JP 2007 - 180 495 A ,
JP 2010 - 232 485 A und
US 2009 / 0 014 713 A1 offenbaren jeweils einen auf einem Nitrid basierenden Halbleiterchip, der zur Emission von Strahlung eingerichtet ist.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlung emittierenden Halbleiterchip anzugeben, der besonders stabil ist gegen elektrostatische Entladungspulse, so genannte ESD-Spannungspulse, ohne dass dies mit einem merklichen Strahlungsverlust einhergeht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Strahlung emittierenden Halbleiterchip mit einer auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierenden Halbleiterschichtenfolge mit einem pn-Übergang gelöst, umfassend
- - eine erste Schutzschicht, die gezielt eingebrachte Kristalldefekte aufweist,
- - eine zweite Schutzschicht, die eine höhere Dotierung aufweist als die erste Schutzschicht, wobei die erste Schutzschicht zum Schutz des Halbleiterchips vor elektrostatischen Entladungspulsen vorgesehen ist,
- - eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung, die der ersten Schutzschicht in Wachstumsrichtung nachgeordnet ist, wobei
- - die Halbleiterschichtenfolge eine weitere Schutzschicht aufweist, wobei die weitere Schutzschicht eine niedrigere Dotierung aufweist als die erste Schutzschicht,
- - die zweite Schutzschicht zwischen der ersten Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet ist,
- - eine Injektionsschicht zwischen der zweiten Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet ist,
- - die weitere Schutzschicht zwischen der Injektionsschicht und der aktiven Zone angeordnet ist, und
- - im Betrieb des Halbleiterchips ein elektrischer Widerstand der Halbleiterschichtenfolge in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten gegenüber Bereichen ohne Kristalldefekte verringert ist, und die zweite Schutzschicht aufgrund der höheren Dotierung den Stromfluss homogenisiert, so dass bei elektrostatischen Entladungspulsen elektrische Ladung homogen verteilt über die Bereiche mit Kristalldefekten abgeleitet wird.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem Strahlung emittierenden Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb grünes und/oder blaues Licht emittiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlung emittierende Halbleiterchip eine auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierende Halbleiterschichtenfolge auf. Unter einer Halbleiterschichtenfolge ist dabei eine Abfolge von Halbleiterschichten zu verstehen. Eine Halbleiterschicht ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialzusammensetzung innerhalb der Schicht nicht oder kaum ändert und/oder dass der Bereich, den die Schicht bildet, eine bestimmte Funktion im Halbleiterchip wahrnimmt. Eine Halbleiterschicht kann dabei eine Vielzahl von Monolagen eines Halbleitermaterials umfassen.
Weiterhin bedeutet „auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN 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 einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge des Strahlung emittierenden Halbleiterchips einen pn-Übergang auf. Der pn-Übergang befindet sich zwischen einem p-leitenden Bereich und einem n-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge. Die zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone ist zwischen dem p-leitenden Bereich und dem n-leitenden Bereich angeordnet und umfasst den pn-Übergang. Die aktive Zone ist insbesondere als Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine erste Schutzschicht, die gezielt eingebrachte Kristalldefekte aufweist. „Gezielt eingebracht“ bedeutet hierbei, dass bei der Herstellung der ersten Schutzschicht Wachstumsparameter, insbesondere eine Wachstumstemperatur, so eingestellt werden, dass Kristalldefekte entstehen.
Insbesondere sind die Kristalldefekte sogenannte V-Defekte. Ein V-Defekt hat im Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial beispielsweise die Form einer offenen, in Wachstumsrichtung invertierten Pyramide, die beispielsweise eine hexagonale Grundfläche aufweist. Im Querschnitt hat dieser Defekt die Form eines Vs. V-Defekte bilden sich beispielsweise im Bereich von Fadenversetzungen (englisch: threading dislocations) aus, die zum Beispiel bei der Heteroepitaxie des Halbleitermaterials auf ein Wachstumssubstrat entstehen, das eine andere Gitterkonstante als das Halbleitermaterial aufweist. Beispielsweise wird das Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial vorliegend auf ein Wachstumssubstrat aus Saphir aufgewachsen, zu dem das Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial eine Gitterfehlanpassung von zirka 14 % aufweist. Fadenversetzungen werden jedoch auch bei der Homoepitaxie beobachtet, so dass die Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel auch auf ein Wachstumssubstrat abgeschieden werden kann, das auf GaN basiert oder aus GaN besteht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Großteil der Kristalldefekte ähnliche Abmessungen auf. Das heißt, wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 75 % oder im Extremfall 100 % der Kristalldefekte weisen ähnliche Abmessungen auf. Die Kristalldefekte weisen dabei ähnliche Abmessungen auf, wenn beispielsweise die Grundfläche der Kristalldefekte in einer Ebene senkrecht zur Wachstumsrichtung höchstens um ±25 %, insbesondere höchstens um ±10 % um einen Mittelwert der Grundfläche der Kristalldefekte in dieser Ebene schwankt. Das heißt, ein Großteil der Kristalldefekte zeichnet sich dann durch eine gleiche oder ähnliche Grundfläche aus. Im Bereich der Kristalldefekte mit ähnlichen Abmessungen weist die Halbleiterschichtenfolge ein gleichartiges Durchbruchverhalten auf, was sich vorzugsweise in gleichartigen elektrischen Eigenschaften bemerkbar macht. Insbesondere ist ein elektrischer Widerstand in Sperrrichtung in diesen Bereichen etwa gleich groß.
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Der pn-Übergang der Halbleiterschichtenfolge führt im Bereich der Kristalldefekte zu sogenannten Mikrodioden, welche eine für eine Halbleiterdiode typische Strom-Spannungskennlinie aufweisen. Im Betrieb des Strahlung emittierenden Halbleiterchips findet im Bereich der Kristalldefekte vorzugsweise keine strahlende Rekombination von Ladungsträgern statt. Das heißt, die Mikrodioden sind nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, zumindest nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich, vorgesehen.
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Vorzugsweise unterscheidet sich im Betrieb des Halbleiterchips ein Durchbruchverhalten der Halbleiterschichtenfolge in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten von Bereichen ohne Kristalldefekte, wobei bei elektrostatischen Entladungspulsen elektrische Ladung homogen verteilt über die Bereiche mit Kristalldefekten abgeleitet wird. Durch die homogene Ladungsverteilung können kritische Stromdichten im Halbleiterchip verhindert werden, die zu einer Schädigung des Strahlung emittierenden Halbleiterchips führen würden.
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Weiterhin ist im Betrieb des Halbleiterchips vorzugsweise der elektrische Widerstand der Halbleiterschichtenfolge in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten gegenüber Bereichen ohne Kristalldefekte reduziert. Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen mit Kristalldefekten eine niedrigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung auf als in den Bereichen ohne Kristalldefekte.
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Weiterhin weist der pn-Übergang der Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen mit Kristalldefekten vorzugsweise eine höhere Einsatzspannung in Durchlassrichtung auf als in Bereichen ohne Kristalldefekte. Dadurch findet im Betrieb insbesondere in den Bereichen der aktiven Zone, die keine Kristalldefekte aufweisen, strahlende Rekombination statt. Weiterhin wird die Ladung bei einem ESD-Puls bevorzugt nicht durch die für die Strahlungserzeugung vorgesehenen Bereiche der aktiven Zone abgeleitet, sondern durch die Bereiche, in welchen vorzugsweise keine strahlende Rekombination stattfindet.
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Problematisch ist jedoch, dass durch die Kristalldefekte der ersten Schutzschicht die Morphologie des Halbleitermaterials verschlechtert wird, was mit einem Strahlungsverlust einhergehen kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine zweite Schutzschicht, die eine höhere Dotierung aufweist als die erste Schutzschicht. Insbesondere ist die mittlere Dotierung der zweiten Schutzschicht höher als die mittlere Dotierung der ersten Schutzschicht. Die zweite Schutzschicht weist mit Vorteil eine mittlere Dotierung zwischen 2*1018/cm3 und 2*1019/cm3 auf. Eine bevorzugte mittlere Dotierung für die zweite Schutzschicht beträgt 6*1018/cm3. Besonders bevorzugt ist die zweite Schutzschicht n-dotiert, wobei als Dotierstoffe beispielsweise Silizium oder Germanium in Frage kommen.
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Insbesondere sind die erste und die zweite Schutzschicht zum Schutz des Halbleiterchips vor elektrostatischen Entladungspulsen vorgesehen. Vorteilhafterweise kann mittels der zweiten Schutzschicht, die aufgrund ihrer höheren Dotierung zu einer Homogenisierung des Stromflusses beiträgt, die erste Schutzschicht vergleichsweise dünn ausgebildet werden, wodurch morphologische Störungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der ESD-Stabilität reduziert werden können. Mittels der verbesserten Kristallqualität kann gegenüber einem bisherigen Halbleiterchip die Helligkeit gesteigert werden.
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Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine weitere Schutzschicht. Die weitere Schutzschicht ist zwischen der ersten Schutzschicht und dem aktiven Bereich angeordnet. Die weitere Schutzschicht weist eine niedrigere Dotierung auf als die erste Schutzschicht. Vorzugsweise ist die Dotierung der weiteren Schutzschicht höchstens halb so hoch wie die Dotierung der ersten Schutzschicht. Besonders bevorzugtist die weitere Schutzschicht nominell undotiert ausgebildet. Nominell undotiert bedeutet, dass bei der Herstellung keine Dotierstoffe gezielt in das Material der weiteren Schutzschicht eingebracht werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Stabilität gegenüber elektrostatischer Entladung mittels einer solchen weiteren Schutzschicht weiter erhöht werden kann, ohne dass die Dicke des der aktiven Zone in Wachstumsrichtung vorgeordneten Halbleitermaterials insgesamt wesentlich erhöht werden muss. Die Gefahr einer verringerten optischen Ausgangsleistung aufgrund einer vergrößerten Schichtdicke kann so vermieden oder zumindest vermindert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt eine Dicke der weiteren Schutzschicht zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 4 nm und 7 nm, beispielsweise 5 nm.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält die weitere Schutzschicht InxGa1-xN. Der Indiumgehalt x ist bevorzugt kleiner als der Indiumgehalt der Quantenschichten der aktiven Zone. Weiterhin bevorzugt ist der Indiumgehalt größer als der Indiumgehalt der ersten Schutzschicht.
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Der Strahlung emittierende Halbleiterchip weist durch die erste und zweite Schutzschicht eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV auf. Beispielsweise wird eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV, typisch von etwa 2 kV erreicht. Mittels der weiteren Schutzschicht kann die ESD-Festigkeit weiter erhöht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Schutzschicht eine Dicke zwischen 20 nm und 100 nm auf. Insbesondere beträgt die Dicke zwischen 20 nm und 80 nm.
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Weiterhin weist die zweite Schutzschicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 2 nm und 50 nm, bevorzugt zwischen 2 nm und 30 nm, besonders bevorzugt zwischen 2 nm und 15 nm auf. Insbesondere ist die zweite Schutzschicht 5 nm dick.
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Je dünner die erste Schutzschicht ausgebildet wird, umso kleiner wird der Durchmesser der Kristalldefekte. Die Dichte der Kristalldefekte bleibt jedoch unverändert. Vorzugsweise beträgt die Dichte der Kristalldefekte wenigstens 5*107/cm2. Beispielsweise beträgt die Dichte der Kristalldefekte wenigstens 108/cm2. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Wachstumstemperatur erreicht werden, bei der die erste Schutzschicht aufgewachsen wird, in der die Kristalldefekte angeordnet sind. Die angegebene Dichte bezieht sich dabei insbesondere auf den Fall der Epitaxie auf ein Saphir, SiC oder GaN -Substrat.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die aktive Zone der ersten und der zweiten Schutzschicht in Wachstumsrichtung nachgeordnet. Das heißt, bei der Herstellung der Halbleiterschichtenfolge werden zunächst die erste und zweite Schutzschicht und nachfolgend die aktive Zone aufgewachsen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Schutzschicht in einem Abstand größer Null zur aktiven Zone angeordnet. Das heißt, die zweite Schutzschicht und die aktive Zone grenzen nicht unmittelbar aneinander. Insbesondere ist die zweite Schutzschicht in einem Abstand von mindestens 20 nm und höchstens 100 nm, vorzugsweise von 60 nm, zur aktiven Zone angeordnet.
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Die zweite Schutzschicht ist zwischen der ersten Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet. Insbesondere ist die zweite Schutzschicht direkt auf der ersten Schutzschicht angeordnet.
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Die Halbleiterschichtenfolge weist eine Injektionsschicht auf. Insbesondere ist die Injektionsschicht dafür vorgesehen, die Elektroneninjektion in die aktive Zone zu verbessern. Die Injektionsschicht ist zwischen der zweiten Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet. Die Dicke der Injektionsschicht nimmt vorzugsweise Werte zwischen 20 nm und 100 nm an. Die Injektionsschicht kann eine Übergitterstruktur aufweisen, das heißt abwechselnd angeordnete Schichten verschiedener Materialzusammensetzung. Beispielsweise kann die Injektionsschicht abwechselnd angeordnete InGaN-Schichten und GaN-Schichten aufweisen. Darüber hinaus können die GaN-Schichten n-dotiert sein, wobei als Dotierstoff beispielsweise Silizium in Frage kommt. Die InGaN-Schichten können hierbei n-dotiert oder undotiert sein.
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Die weitere Schutzschicht ist zwischen der Injektionsschicht und der aktiven Zone angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist die weitere Schutzschicht von einer der weiteren Schutzschicht nächstgelegenen Quantenschicht der aktiven Zone beabstandet. Insbesondere kann zwischen der weiteren Schutzschicht und der nächstgelegenen Quantenschicht eine Trennschicht ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Trennschicht stärker dotiert als die weitere Schutzschicht. Die weitere Schutzschicht grenzt also auf beiden Seiten an Material an, das stärker dotiert ist als die weitere Schutzschicht. Bevorzugt ist das angrenzende Material mindestens doppelt so stark dotiert.
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Alternativ kann die weitere Schutzschicht auf der dem aktiven Bereich abgewandten Seite der ersten Schutzschicht angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Schutzschicht eine höhere Dotierung auf als die Injektionsschicht. Insbesondere ist die mittlere Dotierung der zweiten Schutzschicht höher als die mittlere Dotierung der Injektionsschicht. Beispielsweise kann die mittlere Dotierung in der Injektionsschicht Werte zwischen 0 und 4*1018/cm3, insbesondere den Wert 5*1017/cm3, annehmen.
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Weiterhin kann die mittlere Dotierung der ersten Schutzschicht Werte zwischen 0 und 4*1018/cm3, insbesondere den Wert 1.5*1018/cm3, annehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich eine Materialzusammensetzung und/oder die Dotierung von mindestens einer der drei Schichten umfassend die erste Schutzschicht, die zweite Schutzschicht und die Injektionsschicht innerhalb der jeweiligen Schicht.
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Beispielsweise kann die erste Schutzschicht eine gleich bleibende Materialzusammensetzung aufweisen und insbesondere aus GaN gebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich die Materialzusammensetzung in der ersten Schutzschicht ändert. Zum Beispiel kann die erste Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten aufweisen, von welchen beispielsweise die eine aus GaN und die andere aus InGaN gebildet ist.
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Insbesondere ist die erste Schutzschicht n-dotiert. Die Dotierung kann innerhalb der ersten Schutzschicht konstant sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Dotierung innerhalb der ersten Schutzschicht ändert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten, von denen die der zweiten Schutzschicht zugewandte Teilschicht eine geringere Dotierung aufweist als die der zweiten Schutzschicht abgewandte Teilschicht.
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Entsprechend kann auch die zweite Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten verschiedener Materialzusammensetzung und/oder Dotierung aufweisen.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art angegeben. Das heißt, die für das Verfahren beschriebenen Merkmale sind auch für den Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.
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Das Verfahren umfasst beispielsweise die folgenden Schritte:
- Zunächst wird ein Wachstumssubstrat bereitgestellt.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt können eine erste Schutzschicht, eine zweite Schutzschicht und eine aktive Zone, die der ersten und zweiten Schutzschicht nachfolgt, epitaktisch abgeschieden werden. Die erste Schutzschicht wird bei einer Wachstumstemperatur abgeschieden, bei der Kristalldefekte in hoher Dichte entstehen.
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Üblicherweise versucht man bei der Epitaxie das Auftreten der Kristalldefekte zu vermeiden. Vorliegend wird jedoch zu Erzeugung der sogenannten Mikrodioden die erste Schutzschicht bei niedrigen Wachstumstemperaturen aufgewachsen, um Kristalldefekte, insbesondere V-Defekte, in ausreichender Dichte zu erzeugen. Der tatsächliche Temperaturbereich, der zur Erzeugung der Kristalldefekte geeignet ist, hängt dabei von der verwendeten Wachstumsanlage ab. Er kann ermittelt werden, indem eine erste Schutzschicht bei unterschiedlichen Temperaturen gewachsen wird, und ein Temperaturbereich ausgewählt wird, bei dem die Dichte der Kristalldefekte ausreichend oder besonders hoch ist.
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Vorliegend wird ein Temperaturbereich von weniger 920°C, insbesondere von wenigstens 790° C und höchstens 870° C gewählt, bei dem die erste Schutzschicht abgeschieden wird.
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Dieser Temperaturbereich hat sich als geeignet zur Bildung von Kristalldefekten herausgestellt, in deren Bereich sich die sogenannten Mikrodioden bilden, über die bei einem ESD-Puls Ladung abgeführt werden kann.
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Die erste Schutzschicht wird insbesondere bei einer Wachstumstemperatur von höchstens 920°C, insbesondere unter Verwendung eines Tri-Ethyl-Gallium Precursors mit dem Trägergas Stickstoff (N2) aufgewachsen. Dieser Wachstumsmodus hat sich als besonders vorteilhaft zur Erzeugung von Kristalldefekten, insbesondere V-Defekten, mit ähnlichen Abmessungen und damit zur Erzeugung von Mikrodioden mit einem gleichartigen Durchbruchverhalten, insbesondere mit gleichartigen elektrischen Eigenschaften, herausgestellt. Im Unterschied zu üblichen Wachstumsbedingungen für beispielsweise n-dotierte GaN-Schichten, bei denen die Schichten mit einem Tri-Methyl-Gallium Precursor mit dem Trägergas Wasserstoff (H2) aufgewachsen werden, entstehen unter diesen Wachstumsbedingungen geometrisch sehr ähnliche Kristalldefekte in großer Dichte. Mit anderen Worten wird das Wachstum in lateraler Richtung, quer zur Wachstumsrichtung beschränkt. Auf diese Weise entstehen Kristalldefekte insbesondere an Versetzungslinien in einer klar definierten Schicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Material des Wachstumssubstrats eine Gitterfehlanpassung zum Material der aufzuwachsenden Halbleiterschichtenfolge auf. Beispielsweise wird als Wachstumssubstrat Saphir, SiC oder GaN gewählt, und die nachfolgende Halbleiterschichtenfolge basiert auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. In diesem Fall entstehen Kristalldefekte, insbesondere V-Defekte, in besonders großer Dichte.
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Die zweite Schutzschicht wird insbesondere auf die erste Schutzschicht aufgewachsen und im Vergleich zur ersten Schutzschicht mit einer höheren mittleren Dotierung und dünner ausgebildet.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich selbstverständlich auch für die Herstellung eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips, bei dem alternativ zur zweiten Schutzschicht oder zusätzlich zur zweiten Schutzschicht eine weitere Schutzschicht vorgesehen ist. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen Halbleiterchips. Im Zusammenhang mit dem Halbleiterchip beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
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Im Folgenden wird der hier beschriebene Strahlung emittierende Halbleiterchip anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- Anhand der 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art beschrieben.
- Anhand der Diagramme der 2 und 3 werden zwei verschiedene Varianten für die Materialzusammensetzung und Dotierung der ersten und zweiten Schutzschicht sowie der Injektionsschicht und der aktiven Zone eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art angegeben.
- Anhand des Diagramms der 4 wird eine dritte Variante für die Materialzusammensetzung und Dotierung der Schutzschichten sowie der Injektionsschicht und der aktiven Zone eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art angegeben.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Strahlung emittierende Halbleiterchip 1 umfasst ein Substrat 10 und eine Halbleiterschichtenfolge 2, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist. Das Substrat 10 kann Saphir enthalten oder daraus bestehen. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert vorzugsweise auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial.
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Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist einen n-dotierten Bereich 8 und einen p-dotierten Bereich 9 auf, wobei zwischen dem n-dotierten Bereich 8 und dem p-dotierten Bereich 9 ein pn-Übergang ausgebildet ist. Sowohl der n-dotierte Bereich 8 als auch der p-dotierte Bereich 9 können mehrere Halbleiterschichten umfassen, wobei nicht jede der Halbleiterschichten dotiert sein muss.
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Weiterhin umfasst die Halbleiterschichtenfolge 2 eine erste Schutzschicht 3 und eine zweite Schutzschicht 5. Die erste Schutzschicht 3 ist in einer Wachstumsrichtung W auf dem n-dotierten Bereich 8 angeordnet. Die zweite Schutzschicht 5 ist in der Wachstumsrichtung W auf der ersten Schutzschicht 3 angeordnet.
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Darüber hinaus weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine aktive Zone 7 zur Strahlungserzeugung auf, die der ersten und der zweiten Schutzschicht 3, 5 in der Wachstumsrichtung W nachgeordnet ist. Zwischen der aktiven Zone 7 und der zweiten Schutzschicht 5 ist eine Injektionsschicht 6 angeordnet.
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Der Strahlung emittierende Halbleiterchip 1 ist von Versetzungen, beispielsweise so genannten Fadenversetzungen 11 durchzogen. Diese treten insbesondere bei der Heteroepitaxie des Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials auf Saphir in hoher Dichte auf. Die Fadenversetzungen 11 stellen dabei potentielle Pfade für einen ESD-Spannungspuls dar, dessen elektrische Ladung in Sperrrichtung des pn-Übergangs abgeleitet wird.
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Die erste Schutzschicht 3 des Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 ist mit Kristalldefekten 4 ausgebildet. Insbesondere entstehen die Kristalldefekte 4 an den Linien der Fadenversetzungen 11. Der pn-Übergang der Halbleiterschichtenfolge 2 führt in Bereichen mit Kristalldefekten 4 zu sogenannten Mikrodioden, über welche die durch die Fadenversetzungen 11 gebildeten Leckstrompfade in der ersten Schutzschicht 3 gekapselt werden. Vorzugsweise umfassen wenigstens 75 %, besonders bevorzugt alle Fadenversetzungen 11 eine Mikrodiode.
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Die zweite Schutzschicht 5 des Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 ist insbesondere direkt auf der ersten Schutzschicht 3 angeordnet. Die zweite Schutzschicht 5 sorgt für eine Homogenisierung des Stromflusses über die Mikrodioden.
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Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist in Bereichen mit Kristalldefekten 4 insbesondere ein gleichartiges Durchbruchverhalten auf, das heißt insbesondere, die Halbleiterschichtenfolge 2 weist in diesen Bereichen die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Durchbruchspannung auf. Die Durchbruchspannung des pn-Übergangs in den Bereichen mit Kristalldefekten 4 ist dabei kleiner als die Durchbruchspannung in den Bereichen ohne Kristalldefekte. Die sogenannten Mikrodioden öffnen daher bei einem ESD-Spannungspuls in Sperrrichtung gleichzeitig. Im Betrieb des Halbleiterchips 1 ist vorzugsweise ein elektrischer Widerstand der Halbleiterschichtenfolge 2 in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten 4 gegenüber Bereichen ohne Kristalldefekte reduziert. Damit fließt die durch den ESD-Spannungspuls eingeprägte Ladung nicht über den oder die schwächsten Leckpfade entlang der Versetzungslinien 11 ab, sondern die Ladung verteilt sich auf das Ensemble der Mikrodioden. Weiterhin sorgt die zweite Schutzschicht 5 für eine gleichmäßige Ladungsverteilung auf das Ensemble der Mikrodioden. Damit wird an keinem der Pfade eine kritische Stromdichte erreicht, die zur Zerstörung des Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 führt. Es findet ein quasizweidimensionaler Durchbruch über die gesamte Querschnittsfläche des Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 statt, sodass eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV, beispielsweise von typisch 2 kV erreicht wird.
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Durch Einführung der zweiten Schutzschicht 5 kann eine Dicke d1 der ersten Schutzschicht 3 reduziert werden. Die Dicke d1 der ersten Schutzschicht 3 nimmt Werte zwischen 20 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 20 nm und 80 nm, an. Die zweite Schutzschicht 5 ist dünner ausgebildet als die erste Schutzschicht 3. Beispielsweise kann die Dicke d2 der zweiten Schutzschicht 5 Werte zwischen 2 nm und 15 nm annehmen.
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Weiterhin ist die zweite Schutzschicht 5 eine hochdotierte Schicht mit einer mittleren n-Dotierung zwischen 2*1018/cm3 und 2*1019/cm3 und einer bevorzugten mittleren n-Dotierung von 6*1018/cm3. Hingegen weist die erste Schutzschicht 3 eine geringere mittlere n-Dotierung auf, die insbesondere zwischen 0 und 4*1018/cm3, bevorzugt 1.5*1018/cm3, beträgt.
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Die zwischen der zweiten Schutzschicht 5 und der aktiven Zone 7 angeordnete Injektionsschicht 6 ist zur Verbesserung der Elektroneninjektion in die aktive Zone 7 vorgesehen. Ferner erfolgt durch die Injektionsschicht 6 mit Vorteil eine Materialanpassung zwischen dem n-dotierten Bereich 8 und der aktiven Zone 7, die insbesondere einen höheren In-Anteil aufweist als der n-dotierte Bereich 8. Vorzugsweise umfasst die Injektionsschicht 6 eine Abfolge von Schichten verschiedener Materialzusammensetzung. Insbesondere ist der mittlere In-Anteil in der Injektionsschicht 6 größer als in dem n-dotierten Bereich 8 und kleiner als in der aktiven Zone 7.
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Weiterhin ist die mittlere n-Dotierung der Injektionsschicht 6 geringer als die mittlere n-Dotierung der zweiten Schutzschicht 5. Die mittlere n-Dotierung der Injektionsschicht 6 nimmt insbesondere Werte zwischen 0 und 4*1018/cm3, bevorzugt den Wert 5*1017/cm3 an.
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Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann die Halbleiterschichtenfolge eine weitere Schutzschicht aufweisen (in 1 nicht explizit dargestellt). Die weitere Schutzschicht kann alternativ zur zweiten Schutzschicht oder ergänzend zur zweiten Schutzschicht vorgesehen sein. Dies wird im Zusammenhang mit der 4 näher erläutert.
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Mögliche Materialzusammensetzungen und Dotierungen für die erste und zweite Schutzschicht 3, 5 sowie die Injektionsschicht 6 und die aktive Zone 7 gehen aus den Diagrammen der 2 und 3 hervor.
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Die 2 zeigt die Materialzusammensetzung und Dotierung für eine erste Variante einer Halbleiterschichtenfolge eines hier beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips.
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Das obere Diagramm der 2 zeigt in Abszissenrichtung die Wachstumsrichtung W der Halbleiterschichtenfolge. Auf der Ordinatenachse ist die Energie Eg der Bandlücke für die verschiedenen Halbleiterschichten 3, 5, 6, 7 der Halbleiterschichtenfolge aufgetragen. Wie zu sehen ist, besteht die erste Schutzschicht 3 aus GaN. Auch die zweite Schutzschicht 5 ist aus GaN gebildet. Die Injektionsschicht 6 umfasst eine Übergitterstruktur mit einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten, wobei ein In-Anteil x1 der InGaN-Schichten zwischen 0 und 0.12, vorzugsweise 0.06, beträgt. Die Injektionsschicht 6 kann insbesondere bis zu 20 Perioden einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten aufweisen. Die aktive Zone 7 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, die aus einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten gebildet ist, wobei ein In-Anteil der InGaN-Schichten beispielsweise x2 = 0.3 beträgt. Die aktive Zone 7 kann insbesondere zwischen 3 und 7 Perioden einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten aufweisen.
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In dem unteren Diagramm der 2 ist die n-Dotierung D der verschiedenen Halbleiterschichten 3, 5 , 6, 7 der Halbleiterschichtenfolge gegenüber der Wachstumsrichtung W aufgetragen. Mögliche Dotierstoffe sind Silizium oder Germanium. Wie aus dem unteren Diagramm hervorgeht, weist die erste Schutzschicht 3 eine konstante Dotierung n1 auf, die 1.5*1018/cm3 beträgt. Die erste Schutzschicht 3 weist eine Dicke d1 = 60 nm auf. Weiterhin weist auch die zweite Schutzschicht 5 eine konstante Dotierung n2 auf, die höher ist als die Dotierung n1 und 6*1018/cm3 beträgt. Die Dicke d2 der zweiten Schutzschicht 5 beträgt hierbei 5 nm. Die Injektionsschicht 6 weist ebenfalls eine konstante Dotierung n3 auf, die geringer ist als die Dotierungen n1 und n2 der ersten und der zweiten Schutzschicht 3, 5. Die Injektionsschicht 6 ist d3 = 60 nm dick. Die Dicke d3 der Injektionsschicht 6 entspricht dem Abstand der zweiten Schutzschicht 5 von der aktiven Zone 7, der somit 60 nm beträgt.
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Die 3 zeigt die Materialzusammensetzung und Dotierung für eine zweite Variante einer Halbleiterschichtenfolge eines hier beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips.
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Wie aus dem oberen Diagramm der 3 hervorgeht, ist die erste Schutzschicht 3 aus InGaN mit einem In-Anteil x1 gebildet. Die zweite Schutzschicht 5 kann aus GaN oder InGaN gebildet sein. Weiterhin umfasst die Injektionsschicht 6 eine Übergitterstruktur mit einer Abfolge von GaN-Schichten, die ebenfalls In enthalten können, und InGaN-Schichten, wobei der In-Anteil x2 der InGaN-Schichten größer ist als der In-Anteil x1 der ersten Schutzschicht 3. Die Injektionsschicht 6 kann insbesondere bis zu 20 Perioden einer Abfolge von (In)GaN-Schichten und InGaN-Schichten aufweisen. Die aktive Zone 7 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, die aus einer Abfolge von (In)GaN-Schichten und InGaN-Schichten gebildet ist, wobei der In-Anteil der InGaN-Schichten beispielsweise x3 = 0.3 beträgt.
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Wie aus dem unteren Diagramm der 3 hervorgeht, ist die erste Schutzschicht 3 modulationsdotiert. Das heißt, die Dotierung ändert sich innerhalb der ersten Schutzschicht 3. In einer der zweiten Schutzschicht 5 abgewandten Teilschicht der ersten Schutzschicht 3 mit der Dicke d1a ist die Dotierung n1a höher als in einer der zweiten Schutzschicht 5 zugewandten Teilschicht mit der Dicke d1b. Die Dotierungen n2 und n3 der zweiten Schutzschicht 5 und der Injektionsschicht 6 können die gleichen Werte annehmen, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem unteren Diagramm der 2 erwähnt wurden. Entsprechendes gilt für die Dicken d1, d2 und d3.
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Die in 4 gezeigte Materialzusammensetzung und Dotierung für eine dritte Variante einer Halbleiterschichtenfolge entspricht im Wesentlichen der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen ersten Variante. Im Unterschied hierzu weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine weitere Schutzschicht 12 auf. Auf die zweite Schutzschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet. Davon abweichend kann die weitere Schutzschicht aber auch zusätzlich zur zweiten Schutzschicht vorgsehen sein. Die nachfolgend beschriebene weitere Schutzschicht 12 kann daher insbesondere auch bei den anhand der 2 und 3 beschriebenen Varianten Anwendung finden.
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Die weitere Schutzschicht 12 ist zwischen der ersten Schutzschicht 3 und der aktiven Zone 7, insbesondere zwischen der Injektionsschicht 6 und der aktiven Zone, angeordnet.
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Zwischen der weiteren Schutzschicht 12 und einer der weiteren Schutzschicht nächstgelegenen Quantenschicht 71 der Mehrfachquantenstruktur der aktiven Zone 7 ist eine Trennschicht 13 angeordnet.
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Die weitere Schutzschicht 12 ist mit einer Dotierkonzentration n2 dotiert, die höchstens halb so hoch ist wie die Dotierkonzentration n1, mit der die erste Schutzschicht 3 dotiert ist. Bevorzugt ist die weitere Schutzschicht nominell undotiert.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die erste Schutzschicht 3, die Injektionsschicht 6 und die Trennschicht 13 dieselbe Dotierkonzentration auf. Die Dotierkonzentrationen dieser Schichten können jedoch auch voneinander abweichen. Bevorzugt ist die Dotierkonzentration der weiteren Schutzschicht höchstens halb so hoch wie die Dotierkonzentration der auf beiden Seiten der weiteren Schutzschicht unmittelbar angrenzenden Schichten.
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Eine Dicke d4 der weiteren Schutzschicht 12 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 4 nm und 7 nm, beispielsweise 5 nm. Die weitere Schutzschicht 12 ist also wesentlich dünner als die erste Schutzschicht.
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Eine Dicke der Trennschicht 13 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15 nm.
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Die weitere Schutzschicht 12 enthält InxGa1-xN mit 0 ≤ x ≤ 1. Der Indiumgehalt x ist bevorzugt kleiner als der Indiumgehalt der Quantenschichten 71 der aktiven Zone 7. Weiterhin ist der Indiumgehalt der weiteren Schutzschicht größer als der Indiumgehalt der ersten Schutzschicht und größer als der maximale Indium-Gehalt der Injektionsschicht 6.
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Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend kann die weitere Schutzschicht 12 auch auf der der aktiven Zone 7 abgewandten Seite der ersten Schutzschicht 3 angeordnet sein.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch die undotierte oder zumindest verglichen mit den angrenzenden Schichten schwach dotierte weitere Schutzschicht die ESD-Festigkeit verbessert werden kann, ohne dass hierfür die Gesamtdicke der Schutzschichten wesentlich erhöht werden muss.
