DE112016002493B4 - Lichtemittierendes Halbleiterbauelement, lichtemittierendes Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements - Google Patents

Lichtemittierendes Halbleiterbauelement, lichtemittierendes Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit- einem ersten Spiegel (102, 202, 302, 402, 502),- einer ersten leitenden Schicht (103, 203, 303, 403, 503),- einer lichtemittierenden Schichtenfolge (104, 204, 304, 404, 504) an einer dem ersten Spiegel abgewandten Seite der ersten leitenden Schicht, und- einer zweiten leitenden Schicht (105, 205, 305, 405, 505) an einer der ersten leitenden Schicht abgewandten Seite der lichtemittierenden Schichtenfolge, wobei- der erste Spiegel, die erste leitende Schicht, die lichtemittierende Schichtenfolge und die zweite leitende Schicht auf einem III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren,- der erste Spiegel elektrisch leitfähig ist, und- der erste Spiegel eine periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex ist,- der erste Spiegel eine periodische Abfolge hochbrechender Spiegelschichten (102a, 202a, 302a, 402a, 502a) und niedrigbrechender Spiegelschichten (102b, 202b, 302b, 402b, 502b) umfasst, wobei sich die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten durch die Konzentration eines Dotierstoffs voneinander unterscheiden, und- an einer Grenzfläche zwischen einer niedrigbrechenden Spiegelschicht und einer hochbrechenden Spiegelschicht ein weiterer Dotierstoff eingebracht ist, der sich vom Dotierstoff unterscheidet.

Description

  • Es werden ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, ein lichtemittierendes Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements angegeben.
  • Die Druckschrift US 2014 / 0 003 458 A1 beschreibt elektrochemischen Ätztechniken, die sich für die Großserienproduktion von Lasern und anderen III-Nitrid-Bauelementen, wie z. B. Lasern, HEMT-Transistoren, Leistungstransistoren, MEMs-Strukturen und LEDs eignen.
  • Die Druckschrift US 2006 / 0 215 720 A1 beschreibt Quantenkaskadenlaser mit einem Gitter, das durch eine periodische Variation der Dotierung gebildet wird.
  • Die Druckschrift US 2013 / 0 248 911 A1 beschreibt ein lichtemittierendes Bauteil.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten Lichtemitter mit gerichteter, schmalbandiger Emission für die Erzeugung von weißem Licht beziehungsweise von schmalbandigem, sichtbarem Licht zu realisieren. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein lichtemittierendes Bauteil mit einem solchen Lichtemitter anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein solcher Lichtemitter besonders kostengünstig herstellbar ist.
  • Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, das lichtemittierende Bauteil gemäß Anspruch 9 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
  • Bei dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement handelt es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip, einen Laserdiodenchip oder einen Superlumineszenzdiodenchip. Im Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterbauelements wird im lichtemittierenden Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen UV-Strahlung und Infrarotstrahlung, insbesondere sichtbares Licht erzeugt.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst einen ersten Spiegel. Der erste Spiegel ist dazu ausgebildet, im Betrieb im lichtemittierenden Halbleiterbauelement erzeugtes Licht mit einer bestimmten Reflektivität zu reflektieren. Beispielsweise beträgt die Reflektivität des ersten Spiegels wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 75 %, insbesondere wenigstens 90 %.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst eine erste leitende Schicht. Bei der ersten leitenden Schicht handelt es sich beispielsweise um eine Halbleiterschicht, die n- oder p-dotiert sein kann. Bei der ersten leitenden Schicht kann es sich insbesondere auch um eine Abfolge mehrerer Schichten handeln, welche in einer Wachstumsrichtung direkt übereinander angeordnet sind und den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst eine lichtemittierende Schichtenfolge. Bei der lichtemittierenden Schichtenfolge handelt es sich um den aktiven Bereich des lichtemittierenden Halbleiterbauelements, in dem im Betrieb des lichtemittierenden Halbleiterbauelements das vom Halbleiterbauelement abgestrahlte Licht erzeugt wird. Beispielsweise umfasst die lichtemittierende Schichtenfolge wenigstens eine Schicht, vorzugsweise eine Vielzahl von Schichten. Die lichtemittierende Schichtenfolge kann beispielsweise als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfachquantentopfstruktur oder insbesondere als Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet sein. Die lichtemittierende Schichtenfolge ist dabei an einer dem ersten Spiegel abgewandten Seite der ersten leitenden Schicht angeordnet.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst eine zweite leitende Schicht an einer der ersten leitenden Schicht abgewandten Seite der lichtemittierenden Schichtenfolge. Bei der zweiten leitenden Schicht handelt es sich um eine p- oder n-dotierte Schicht. Die zweite leitende Schicht weist dabei den zur ersten leitenden Schicht ungleichnamigen Leitfähigkeitstyp auf. Auch die zweite leitende Schicht kann mehrere Schichten umfassen, die in einer Wachstumsrichtung direkt übereinander angeordnet sind und die alle den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  • Beispielsweise ist die erste leitende Schicht n-dotiert und die zweite leitende Schicht ist p-dotiert.
  • Der erste Spiegel, die erste leitende Schicht, die lichtemittierende Schichtenfolge und die zweite leitende Schicht basieren auf einem III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Das heißt, neben den leitenden Schichten und der lichtemittierenden Schichtenfolge ist auch der erste Spiegel mit einem Halbleitermaterial gebildet und zwar im gleichen Materialsystem, wie die genannten Schichten.
  • Der erste Spiegel ist elektrisch leitfähig. Das heißt, über den ersten Spiegel kann eine Stromeinprägung insbesondere in die lichtemittierende Schichtenfolge erfolgen. Mit anderen Worten sind keine Durchkontaktierungen durch den ersten Spiegel notwendig, sondern der erste Spiegel weist an sich schon eine elektrische Leitfähigkeit auf, die insbesondere dazu geeignet und ausgebildet ist, eine Bestromung der lichtemittierenden Schichtenfolge zum bestimmungsgemäßen Gebrauch des lichtemittierenden Halbleiterbauelements zu ermöglichen.
  • Der erste Spiegel ist eine periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex. Das heißt, der erste Spiegel weist mehrere Spiegelschichten auf, die sich durch ihren Brechungsindex voneinander unterscheiden. Dabei sind die Spiegelschichten als periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien ausgebildet. Die Spiegelschichten des ersten Spiegels unterscheiden sich also nicht hinsichtlich des verwendeten III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials, sondern sie sind homoepitaktisch übereinander aufgewachsen. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Materialzusammensetzung der Spiegelschichten des ersten Spiegels abgesehen von einer Dotierung nicht.
  • Es wird ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement angegeben mit
    • - einem ersten Spiegel,
    • - einer ersten leitenden Schicht,
    • - einer lichtemittierenden Schichtenfolge an einer dem ersten Spiegel abgewandten Seite der ersten leitenden Schicht, und
    • - einer zweiten leitenden Schicht an einer der ersten leitenden Schicht abgewandten Seite der lichtemittierenden Schichtenfolge, wobei
    • - der erste Spiegel, die erste leitende Schicht, die lichtemittierende Schichtenfolge und die zweite leitende Schicht auf einem III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren,
    • - der erste Spiegel elektrisch leitfähig ist, und
    • - der erste Spiegel eine periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex ist,
    • - der erste Spiegel eine periodische Abfolge hochbrechender Spiegelschichten (102a, 202a, 302a, 402a, 502a) und niedrigbrechender Spiegelschichten (102b, 202b, 302b, 402b, 502b) umfasst, wobei sich die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten durch die Konzentration eines Dotierstoffs voneinander unterscheiden, und
    • - an einer Grenzfläche zwischen einer niedrigbrechenden Spiegelschicht und einer hochbrechenden Spiegelschicht ein weiterer Dotierstoff eingebracht ist, der sich vom Dotierstoff unterscheidet.
  • Der erste Spiegel, die erste leitende Schicht, die lichtemittierende Schichtenfolge und die zweite leitende Schicht sind dabei entlang einer Stapelrichtung übereinander angeordnet. Insbesondere ist es möglich, dass die Schichten in der angegebenen Reihenfolge direkt aufeinanderfolgen und aneinander angrenzend angeordnet sind.
  • Lichtemitter auf Basis von Gruppe-III-Nitriden dienen als Basis von LED Leuchtmitteln, Scheinwerfern und als blaue bis grüne Laser unter anderem für Blu-Ray Abspielgeräte und Laser-basierte Projektion. Insbesondere bei der Erzeugung von weißem Licht geht man heutzutage meist von einer blauen LED und einem Leuchtstoff aus. Alternativ kann man weißes Licht auch durch eine geeignete Kombination von drei oder mehr LEDs mit schmalbandiger Emission im blauen, grünen und roten Wellenlängenbereich erzeugen. Jedoch lässt sich mit letzterer Methode für Beleuchtungszecke nur wenig geeignetes Licht erzeugen. Daher wird das quasikontinuierliche Spektrum, das mit Hilfe von Leuchtstoffen erzeugt werden kann, bevorzugt.
  • Neben der Erzeugung von weißem Licht ist prinzipiell auch die Erzeugung von preiswerten, schmalbandigen Lichtquellen bei anderen Wellenlängen des sichtbaren und ultravioletten Spektralbereichs interessant. Dies ist zum Beispiel für Anwendungen in der biologischen und chemischen Analytik und Diagnostik wichtig, wo der Einsatz aufwendiger und daher teurer Laser häufig limitierend auf die Verbreitung modernster Technologien wirkt. Weiterhin sind Projektionstechniken denkbar, bei denen eine leistungsfähige grüne Lichtquelle durch effiziente Farbkonversion von blau nach grün erreicht werden könnte. Dies ist bislang mit Nitrid-basierten Lichtemittern nur stark verlustbehaftet möglich.
  • Die zur Erzeugung von weißem oder längerwelligem Licht eingesetzten Leuchtstoffe besitzen meist nur in einem schmalen Wellenlängenbereich des anregenden Lichts einen hohen Wirkungsgrad der Konversion. Weißlichtquellen, welche schmalbandige Lichtquellen als primäre Anregungsquelle nutzen, deren Emissionsspektrum exakt auf diese Anregungswellenlängen abgestimmt ist, besitzen somit inhärent eine höhere Effizienz. Es ist daher erstrebenswert, solche schmalbandigen Primärlichtquellen möglichst einfach und zuverlässig herzustellen.
  • Lichtemittierende Nitrid-Schichten, zum Beispiel Indium-Gallium-Nitrid, besitzen nun aber aufgrund ihrer Materialeigenschaften nur sehr breitbandige Emissionsspektren. Dementsprechend ist die Emission von entsprechenden Leuchtdioden (LED) viel breiter als das Anregungsspektrum der Leuchtstoffe für die Konversion in weißes Licht. Zusätzlich verschiebt aus Gründen besonderer Materialeigenschaften der Nitride die Emission der LED stark mit der elektrischen Stromdichte. Durch Einbettung der LED-Struktur in einen Resonator aus zwei Spiegeln kann prinzipiell eine schmalbandige und gerichtete Emission erreicht werden. In der Halbleitertechnologie können solche Spiegel durch Aufbringung einer periodischen Folge von Schichtpaaren erzeugt werden, wobei die Schichten unterschiedliche Brechungsindizes und eine an den jeweiligen Brechungsindex angepasste Schichtdicke aufweisen müssen.
  • Solche Spiegel werden allgemein als Bragg-Spiegel bezeichnet. Sie werden bevorzugt bei der Herstellung vertikal emittierender Laser- und Leuchtdioden eingesetzt, die besonders kleine Abmessungen und daher kompakte Bauformen ermöglichen. Wichtige Kriterien für die Wahl der Materialien für die Bragg-Spiegel bei Halbleiterbauelementen sind die Stromleitfähigkeit und die Gitteranpassung zu umliegenden Schichten und insbesondere zum Substrat. Derzeit liegen die Hauptprobleme von Nitrid-basierten Bragg-Spiegeln sowohl in der Verspannung des Systems, welches zu einer Verbiegung des Substrats oder sogar einem Reißen der gewachsenen Schichten führen kann, als auch in der Stromleitfähigkeit solcher Spiegel.
  • Es existiert zwar die Möglichkeit, gitterangepasste GaN/AlInN-Schichten für die Spiegelherstellung zu verwenden, aber dieses System erfordert lange Wachstumszeiten, da viele extreme Temperaturwechsel und langsame Wachstumsraten essentiell für gute Schichteigenschaften des AlInN notwendig sind. Auch in diesem System sind inhärent hohe elektronische Barrieren an den Grenzflächen vorhanden, die zu einer reduzierten Stromleitfähigkeit führen.
  • Statt verschiedene Materialien miteinander zu kombinieren, um entsprechende Brechungsindex-Unterschiede zu erreichen, wird vorliegend von der Überlegung Gebrauch gemacht, dass man einen solchen Effekt auch durch hohe Dotierung mit einem im Kristall sehr gut löslichen Fremdatom erreichen kann. Durch Dotieren mit sogenannten Donatoren kann die Elektronendichte im Leitungsband des Halbleiters dauerhaft erhöht werden. Bei sehr hohen Dotierungen kann es zur sogenannten Burstein-Moss-Verschiebung der Bandlücke zu größeren Energien kommen. Dies wirkt sich unmittelbar auch auf den Brechungsindex aus, der im dotierten Material gegenüber demselben, aber undotierten beziehungsweise nur geringfügig dotierten Material verringert ist. Dieser Brechungsindexunterschied ist in der Regel geringer als für heterogene Materialien. In der Folge entstehen durch eine periodische Abfolge hoch- und niedrigdotierter Schichten Bragg-Spiegel mit einer schmalbandig erhöhten Reflexion.
  • Leuchtdioden im sichtbaren Spektralbereich aus Nitrid-Halbleitern erreichen deutlich höhere Lichtausbeuten als Laserdioden, die zudem deutlich komplizierter in ihrer Herstellung sind. Während für allgemeine Beleuchtungszwecke eine räumlich isotrope Abstrahlcharakteristik vorteilhaft ist, ist für viele Anwendungen jedoch eine gerichtete Lichtemission erwünscht.
  • Um zum Beispiel speziell auf großen Distanzen eine Verbesserung der Beleuchtung zu erzielen, sind in Kraftfahrzeugen inzwischen auch laserbasierte Lichtquellen für das Fernlicht im Einsatz. Hier wird mit einem blauen Laser ein Lumineszenzkonverter beleuchtet und dessen Emission, zusammen mit der Laseremission, ergibt in der Mischung eine punktförmige, weiße Lichtquelle, die mittels abbildender Optiken eine gerichtete Abstrahlcharakteristik aufweist und damit auf große Distanzen einen brillanten Lichtfleck erzeugt. Die eingesetzten Laser sind sogenannte Kantenemitter, bei denen die Lichtauskopplung über seitlich erzeugte Facetten im Halbleitermaterial erfolgt. Dies hat den Nachteil, dass der Lichtstrahl eine hohe Asymmetrie aufweist und in einer Richtung mit zunehmendem Abstand schnell aufweitet. Für die Abbildung auf einen möglichst kleinen, intensiven Leuchtfleck existiert somit ein Problem.
  • Dieses Problem kann zwar durch speziell angepasste Linsensysteme behoben werden, führt aber zu erhöhten Herstellungskosten und größerer Fehleranfälligkeit. Neben den bislang verwendeten Kantenemittern sind prinzipiell auch vertikale Laser denkbar, bei denen die Lichtauskopplung über die Oberfläche des Halbleitersubstrats erfolgt. Da die Fläche der Lichtauskopplung zum einen in einfachster Weise radialsymmetrisch hergestellt werden kann, besitzen solche Oberflächenemitter ein ideales Strahlprofil und benötigen keine korrigierenden Optiken. Solche Laser benötigen aber hochreflektierende Spiegel, um Lasertätigkeit zu erreichen, die bevorzugt aus Bragg-Spiegeln kristallographisch angepasster Materialien hergestellt werden. Da im Gruppe-III-Nitrid-System die Brechungsindexunterschiede gering und die Verspannungen groß sind, ist die Herstellung solcher Oberflächenemitter besonders schwierig. Bislang gibt es nur optisch gepumpte oder gepulst elektrisch gepumpte vertikal emittierende Laser, typischerweise auf Basis von gitterangepasstem AlInN und GaN, wobei die oben genannten Probleme des Wachstums und der Stromleitfähigkeit fortbestehen [Cosendey et al., Applied Physics Letters 101, 151113 (2012)].
  • Überraschend hat sich nun gezeigt, dass im Materialsystem der III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialen ein Spiegel durch eine periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex gebildet werden kann. Dieser Spiegel induziert mit Vorteil keine oder kaum Verspannung in das lichtemittierende Halbleiterbauelement und kann elektrisch leitend ausgebildet werden. Mit dem Spiegel ist es möglich, lichtemittierende Halbleiterbauelemente wie Leuchtdioden, Superlumineszenzdioden oder Laserdioden zu erzeugen, die Licht hoher Strahlqualität durch eine Hauptfläche abstrahlen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements ist der erste Spiegel eine periodische Abfolge hochbrechender Spiegelschichten und niedrigbrechender Spiegelschichten, wobei sich die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten durch die Konzentration eines Dotierstoffs voneinander unterscheiden. Insbesondere sind die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten im gleichen Materialsystem gebildet und weisen abgesehen von der unterschiedlichen Konzentration des Dotierstoffs dieselbe Materialzusammensetzung auf. Der unterschiedliche Brechungsindex der niedrigbrechenden Spiegelschichten und der hochbrechenden Spiegelschichten ist durch die unterschiedliche Konzentration des Dotierstoffs in den Schichten eingestellt.
  • Die niedrigbrechenden und die hochbrechenden Spiegelschichten wechseln sich dabei vorzugsweise in regelmäßiger Weise ab und sind direkt aufeinander angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements weisen die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten denselben Dotierstoff auf. Dabei ist beispielsweise die Dotierstoffkonzentration in den niedrigbrechenden Spiegelschichten größer als in den hochbrechenden Spiegelschichten. Durch den Unterschied in der Dotierstoffkonzentration ist der Unterschied im Brechungsindex zwischen den unterschiedlichen Spiegelschichten begründet. Der Brechungsindexunterschied zwischen den niedrigbrechenden Spiegelschichten und den hochbrechenden Spiegelschichten kann dabei wenigstens 1 %, insbesondere wenigstens 2 % betragen. Durch die Abfolge der niedrigbrechenden und der hochbrechenden Spiegelschichten, die jeweils den Dotierstoff aufweisen, ist ein elektrisch leitfähiger Bragg-Spiegel gebildet.
  • Beispielsweise sind die hochbrechenden Spiegelschichten nominell undotiert und der Dotierstoff wird während der Herstellung des Spiegels nur in die niedrigbrechenden Spiegelschichten eingebracht. Aus den niedrigbrechenden Spiegelschichten kann dann eine Diffusion des Dotierstoffs in die angrenzenden hochbrechenden Spiegelschichten erfolgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements ist der Dotierstoff in den hochbrechenden Spiegelschichten und den niedrigbrechenden Spiegelschichten Zinn oder Germanium.
  • Die Spiegelschichten des ersten Spiegels können dabei insbesondere auf den III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien GaN oder AlInGaN basieren. Die Dotierstoffe Zinn und Germanium sind für das angegebene Materialsystem Donatoren und führen zu einer n-Dotierung der Spiegelschichten, so dass der erste Spiegel insgesamt n-leitend ausgebildet ist.
  • Insbesondere Germanium hat sich als besonders gut geeigneter Dotierstoff zur Ausbildung von Spiegelschichten mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex herausgestellt. Im Unterschied beispielsweise zum Dotierstoff Silizium kann mit dem Dotierstoff Germanium auch bei einer Herstellung des lichtemittierenden Halbleiterbauelements in einem MOVPE-Reaktor eine hohe Dotierstoffkonzentration von größer 1019 pro Kubikzentimeter erreicht werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Aufrauung der dotierten Schichten kommt. Im Unterschied dazu kann eine Dotierung mit dem n-Dotierstoff Silizium während des MOVPE-Wachstums bei hohen Dotierstoffkonzentrationen zu einer ungewünschten Aufrauung der dotierten Schichten führen, was insbesondere die Herstellung eines Spiegels mit klar voneinander abgegrenzten Schichten erschweren kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements weisen die niedrigbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von wenigstens 2×1019 cm-3 auf und die hochbrechenden Spiegelschichten weisen eine Dotierstoffkonzentration von weniger als 1×1019 cm-3 auf. Insbesondere weisen die niedrigbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von wenigstens 8×1019 cm-3 und die hochbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von höchstens 5×1018 cm-3 auf.
  • Insbesondere bei der Verwendung von Germanium als Dotierstoff hat es sich zudem als überraschend vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dotierstoffkonzentration für die hochbrechenden Spiegelschichten wenigstens 1018 cm-3 beträgt.
  • Das heißt, auch für die hochbrechenden Spiegelschichten ist eine gewisse Konzentration des Dotierstoffs vorteilhaft. Dies stellt zum einen sicher, dass der erste Spiegel eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die groß genug ist, um die lichtemittierende Schichtenfolge durch den ersten Spiegel hindurch im Betrieb zu bestromen. Zum anderen hat sich herausgestellt, dass insbesondere für den Dotierstoff Germanium, der Brechungsindex im Bereich von einer Dotierstoffkonzentration von 1018 cm-3 ein Maximum aufweist, so dass ein besonders hoher Brechungsindexunterschied zwischen den Spiegelschichten des Spiegels erreicht werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements ist an einer Grenzfläche zwischen einer niedrigbrechenden Spiegelschicht und einer hochbrechenden Spiegelschicht ein weiterer Dotierstoff eingebracht, der sich vom Dotierstoff unterscheidet. Handelt es sich bei dem Dotierstoff beispielsweise um Zinn oder Germanium, so kann es sich bei dem weiteren Dotierstoff insbesondere um Silizium handeln. Der weitere Dotierstoff ist beispielsweise an der Grenzfläche zwischen einer niedrigbrechenden Spiegelschicht und einer hochbrechenden Spiegelschicht in die niedrigbrechende Spiegelschicht eingebracht.
  • Insbesondere kann der weitere Dotierstoff in hoher Konzentration, aber nur in einem kleinen Bereich der niedrigbrechenden Spiegelschicht eingebracht sein.
  • Insbesondere kann der weitere Dotierstoff derart eingebracht sein, dass höchstens eine Monolage des weiteren Dotierstoffs zwischen der niedrigbrechenden Schicht und der hochbrechenden Schicht vorhanden ist. Der weitere Dotierstoff kann beispielsweise als sogenannte Delta-Dotierung eingebracht sein. Dazu wird das Wachstum des Spiegels bei der Herstellung unterbrochen, um höchstens eine Monolage, insbesondere höchstens eine halbe Monolage, des Dotierstoffs aufzubringen.
  • Insbesondere bei der Verwendung von Silizium als weiteren Dotierstoff kann dieser eine eventuell unerwünschte Diffusion des Dotierstoffs zwischen den unterschiedlichen Spiegelschichten behindern oder verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, die Dotierstoffkonzentration in den Spiegelschichten mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex besonders genau einzustellen und insbesondere nachfolgende Diffusionsprozesse bei der Herstellung oder im Betrieb zu behindern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements umfasst das lichtemittierende Halbleiterbauelement einen zweiten Spiegel an einer der lichtemittierenden Schichtenfolge abgewandten Seite der zweiten leitenden Schicht. Der zweite Spiegel kann dabei mit einem der folgenden Materialien gebildet sein: Halbleiter, Isolator, Metall.
  • Der zweite Spiegel kann gemeinsam mit dem ersten Spiegel einen Resonator für das in der lichtemittierenden Schichtenfolge erzeugte Licht ausbilden. Bei dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement kann es sich dann insbesondere um einen Laser oder um eine Superlumineszenzdiode handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement dann um einen elektrisch gepumpten vertikalemittierenden Laser handeln.
  • Der zweite Spiegel kann beispielsweise als Metallspiegel ausgebildet sein. In diesem Fall erfolgt eine Auskopplung des Lichts, das im lichtemittierenden Halbleiterbauelement im Betrieb erzeugt wird, durch den ersten Spiegel. Ferner kann es sich bei dem zweiten Spiegel um einen dielektrischen Spiegel handeln, der mit einem Isolator gebildet ist. Bei dem dielektrischen Spiegel handelt es sich dann beispielsweise um einen elektrisch isolierenden Bragg-Spiegel. Die Auskopplung des im Betrieb erzeugten Lichts kann dann durch den ersten oder den zweiten Spiegel erfolgen. Schließlich ist es möglich, dass der zweite Spiegel wie der erste Spiegel durch ein Halbleitermaterial gebildet ist.
  • Beim zweiten Spiegel kann es sich insbesondere auch um einen n-leitenden Halbleiterspiegel handeln, der bis auf eventuell die Anzahl der Spiegelschichten identisch zum ersten Spiegel ausgebildet sein kann. Zum Anschluss des zweiten Spiegels kann zwischen dem zweiten Spiegel und der zweiten leitenden Schicht ein Tunnelkontakt vorhanden sein, der es ermöglicht, über den n-leitenden zweiten Spiegel die p-Seite des lichtemittierenden Bauelements elektrisch leitend anzuschließen. Eine hochdotierte und damit niedrigbrechende Spiegelschicht kann die hoch n-dotierte Schicht des Tunnelkontakts bilden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Halbleiterbauelements ist der zweite Spiegel gleichartig zum ersten Spiegel ausgebildet, wobei der zweite Spiegel eine geringere Anzahl von Spiegelschichten als der erste Spiegel umfasst und die Reflektivität des zweiten Spiegels geringer ist als die Reflektivität des ersten Spiegels. In dieser Ausführungsform können die Spiegelschichten des zweiten Spiegels in ihrer Zusammensetzung den Spiegelschichten des ersten Spiegels entsprechen. Eine Auskopplung erfolgt durch den zweiten Spiegel, wozu dieser eine geringere Reflektivität als der erste Spiegel aufweist. Die geringere Reflektivität des zweiten Spiegels kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Spiegelschichten erreicht sein. Sämtliche für den ersten Spiegel beschriebenen Merkmale sind ebenfalls für den zweiten Spiegel offenbart.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein lichtemittierendes Gruppe-III-Nitrid-basiertes Bauelement angegeben, umfassend
    1. a) einen Resonator mit mindestens einer Verspiegelung, erzeugt durch Epitaxie einer periodischen Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex,
    2. b) eine lichtemittierende Gruppe-III-Nitrid-Schicht oder Schichtenfolge
    3. c) mindestens eine die Lumineszenz der Gruppe-III-Nitrid-Schicht zumindest teilweise umwandelnde Substanz und/oder weitere Gruppe-III-Nitrid-Schicht.
  • Unter einer Abfolge niedrig- beziehungsweise hochbrechender homoepitaktischer Materialien wird beispielsweise ein sogenannter Bragg-Spiegel oder Resonator verstanden.
  • In einer Ausführungsform ist ein lichtemittierendes Gruppe-III-Nitrid-basiertes Bauelement vorgesehen, gekennzeichnet durch einen Resonator, bei dem der Brechungsindexunterschied der Gruppe-III-Nitrid-Schichten durch Änderung der Dotierung realisiert wird und dabei eine Dotierung über 2×1019 cm-3, vorzugsweise über 8×1019 cm-3, und eine niedrigere Dotierung unter 1×1019 cm-3, vorzugsweise unter 5×1018 cm-3, für die jeweils unterschiedlich brechenden Schichten aufweist.
  • Damit lässt sich ein Brechungsindexunterschied erzielen, der zum Beispiel in GaN zirka 1 - 2 % beträgt.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht ein lichtemittierendes Gruppe-III-Nitrid-basiertes Bauelement vor, gekennzeichnet durch eine zusätzliche hochreflektierende Verspiegelung auf der Oberfläche der Gruppe-III-Nitrid-Schichten, die eine spektrale Bandbreite größer als die Emissionsbandbreite der lichtemittierenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht oder Gruppe-III-Nitrid-Schichtenfolge aufweist und deren Zentralwellenlänge der zu emittierenden Wellenlänge entspricht.
  • Eine hochreflektierende Verspiegelung ist dabei eine Verspiegelung, vorzugsweise ein Bragg-Spiegel mit einer Reflektivität von mindestens 50 %, besser 75 % und ideal über 90 %.
  • Die spektrale Bandbreite ist dabei das Wellenlängenintervall oder Energieintervall, das ein Messsignal bei der halben maximalen Intensität überstreicht. Die Emissionsbandbreite ist analog das Wellenlängenintervall oder Energieintervall, das ein Messsignal der Emission des Lichtemitters bei der halben maximalen Intensität überstreicht. Die Zentralwellenlänge ist dabei der ungewichtete mittlere Wert, der sich aus der halben maximalen Intensität der Bandbreite ergibt.
  • Damit sind homoepitaktische, hochreflektierende Bragg-Spiegel möglich, die eine hohe Stromleitfähigkeit und minimale Verspannungen aufweisen und zudem mit identischen oder nur geringfügig verschiedenen Wachstumsparametern hergestellt werden können.
  • Idealerweise befindet sich die lichtemittierende Schicht der Halbleiterstruktur in einem Abstand zum unteren, ersten Spiegel, der in etwa dem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der zu emittierenden Lichtwellenlänge entspricht.
  • Um eine gute vertikale Leitfähigkeit über den Spiegel und maximalen Brechungsindexunterschied zu gewährleisten, ist eine Dotierung von 5×1017 cm-3 bis 2×1018 Ladungsträger pro cm3 als Wert für die niedrig-dotierte Spiegelschicht vorteilhaft, da bei dieser Dotierhöhe der Brechungsindexunterschied zwischen niedrig- und hochdotierter Spiegelschicht maximal ist und gleichzeitig eine ausreichende Leitfähigkeit in der niedrig-dotierten Schicht erreicht wird.
  • Die Schichtdicken weisen dabei idealerweise, aber nicht notwendigerweise eine optische Schichtdicke auf, die dem Viertel der avisierten Lichtwellenlänge des Bauelements im Halbleitermaterial entspricht. Dies sind im Gruppe-III-Nitrid-System Dicken um jeweils 30 - 80 nm. Das heißt, gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Dicke einer Spiegelschicht des ersten und/oder des zweiten Spiegels bevorzugt wenigstens 30 nm und höchstens 80 nm. Für einfache Lichtemitter ist dabei nur wichtig, dass die Schichten immer eine möglichst konstante Dicke aufweisen und die Gesamtdicke von zwei benachbarten Schichten der Hälfte der Lichtwellenlänge entspricht. Für maximale Reflektivität eines Spiegels bei vorgegebener maximaler Dicke des Bragg-Spiegels ist eine möglichst akkurate Einhaltung der Schichtdicken von einem Viertel der avisierten Lichtwellenlänge vorteilhaft.
  • Für die Ausführung als vertikal emittierender Laser, die eine besonders schmalbandige, besonders stark gerichtete Emission ermöglicht, sind besonders hohe Spiegelreflektivitäten von nahe 100 % vorteilhaft. Die erforderliche große Anzahl von Schichten im Bragg-Spiegel ist bei heterogenen Schichten im Nitrid-Materialsystem ein Problem, da sowohl die Vielzahl von Grenzflächen, die Verspannung bei gitterfehlangepassten Schichten als auch die unterschiedlichen Wachstumsparameter limitierend wirkt. Im Gegensatz dazu hebt die hier beschriebene Ausführung des Bragg-Spiegels durch alternierende Dotierhöhe diese Limitierungen auf.
  • Damit ergibt sich auch ein Vorteil für die Herstellung auf Fremdsubstraten, da die in der Regel dabei auftretende Defektdichte effizient über die Schichtdicke abgebaut werden kann. In der Folge können somit solche Laser eine erhöhte Lebensdauer auch auf preiswerteren Substraten erreichen. Mögliche Substrate sind Saphir, Silizium, SiC oder Gruppe-III-Nitrid-Pseudosubstrate, insbesondere auch mit relativ hoher Versetzungsdichte und daher relativ geringem Preis. Beim Einsatz von Silizium sind weitere Al-haltige Schichten zum Spannungsmanagement einzubringen, weshalb der n-Kontakt idealerweise oberhalb der letzten verspannungsregulierenden Schicht liegt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement angegeben, bei dem durch eine zusätzliche breitbandige Verspiegelung auf der Oberseite des Bauelements eine besonders schmalbandige Emission der Lichtquelle erreicht wird, da die Emission nichtresonanter Lichtwellenlängen in Richtung der Oberfläche unterdrückt wird.
  • Durch die Ausführung des Bragg-Spiegels in der beschriebenen Weise und der vertikal emittierenden Konfiguration des Bauelements werden eine verbesserte Effizienz der Lichterzeugung und eine verbesserte Richtcharakteristik erreicht. Dadurch sind viele Beleuchtungsanwendungen, bei denen ein gerichteter Lichtstrahl beziehungsweise -kegel erforderlich oder vorteilhaft ist, einfacher und zuverlässiger und damit auch kostengünstiger zu realisieren. Durch die gerichtete Charakteristik können zusätzliche Reflektoren entfallen und die Gestaltung einer Leuchte wird vereinfacht. Zudem ist ein Einsatz in Projektoren mit höherer Effizienz möglich.
  • Im Folgenden erfolgt eine Beschreibung des lichtemittierenden Bauteils anhand von Figuren und von Ausführungsbeispielen. Diese können auch kombiniert angewendet werden.
  • Es wird weiter ein lichtemittierendes Bauteil angegeben. Das lichtemittierende Bauteil umfasst zumindest ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement wie es hier beschrieben ist. Das heißt, sämtliche für das lichtemittierende Halbleiterbauelement offenbarten Merkmale sind auch für das lichtemittierende Bauteil offenbart und umgekehrt. Ferner umfasst das lichtemittierende Bauteil einen Konverter, der dem zumindest einen lichtemittierenden Halbleiterbauelement nachgeordnet ist. Der Konverter kann dazu beispielsweise ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthalten oder aus einem Lumineszenzkonversionsmaterial bestehen.
  • Als Konverterschichten beziehungsweise -materialien kommen neben Leuchtstoffen, wie sie zum Beispiel schon heute in LED-Anwendungen eingesetzt werden, auch optisch gepumpte Gruppe-III-Nitrid-Schichten wie Muli-Quanten-Wells (MQWs) oder Materialien zur Frequenzvervielfachung in Frage.
  • Bei dem Lumineszenzkonversionsmaterial kann es sich um ein Lumineszenzkonversionsmaterial handeln, das mit einem keramischen Material oder einem halbleitenden Material gebildet ist. Das heißt, bei dem Konverter kann es sich beispielsweise um Partikel eines keramischen Lumineszenzkonversionsmaterials handeln, die in ein Matrixmaterial wie beispielsweise Silikon oder Epoxidharz eingebracht sind. Ferner ist es möglich, dass der Konverter aus einem keramischen Lumineszenzkonversionsmaterial besteht. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Konverter als Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtenfolge, die beispielsweise ebenfalls auf einem III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren kann, gebildet ist. Der Konverter kann dann auch als epitaktisch gewachsene Schicht in den Schichtenstapel des lichtemittierenden Halbleiterbauelements integriert sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des lichtemittierenden Bauteils ist zwischen dem zumindest lichtemittierenden Halbleiterbauelement und dem Konverter ein Abstand vorhanden. Der Abstand kann beispielsweise als Hohlraum ausgeführt sein, der mit einem Gas wie beispielsweise Luft gefüllt ist. Ferner ist es möglich, dass der Abstand mit einem Kunststoffmaterial wie Silikon oder Epoxidharz gebildet ist. Mit anderen Worten kann der Konverter in dieser Ausführungsform als sogenanntes „remote phosphor“-Element dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement nachgeordnet sein.
  • Der Konverter kann zur Vollkonversion von im lichtemittierenden Bauteil erzeugten Licht vorgesehen sein. In diesem Fall wird der überwiegende Großteil, insbesondere wenigstens 90 % des emittierten Lichts, vom Konverter in Licht einer anderen Wellenlänge umgewandelt. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Konverter zur Erzeugung von Mischlicht zwischen konvertiertem Licht und vom Halbleiterbauelement primär erzeugtem Licht vorgesehen ist. Das Halbleiterteil kann dann im Betrieb beispielsweise weißes Mischlicht abstrahlen.
  • Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere ein hier beschriebenes lichtemittierendes Bauelement hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für das lichtemittierende Bauelement offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
  • Gemäß dem Verfahren werden die niedrigbrechenden Spiegelschichten und die hochbrechenden Spiegelschichten des ersten Spiegels und/oder des zweiten Spiegels durch homoepitaktisches Wachstum erzeugt. Das heißt, beispielsweise in einer MOVPE-Anlage werden die Spiegelschichten epitaktisch übereinander gewachsen, wobei sich die Materialzusammensetzung der Spiegelschichten abgesehen von einer Dotierung nicht voneinander unterscheidet, so dass der erste Spiegel und/oder der zweite Spiegel durch homoepitaktisches Wachstum hergestellt werden können. Die niedrigbrechenden Spiegelschichten und die hochbrechenden Spiegelschichten können dann beispielsweise während des Wachstums mit dem Dotierstoff zur Einstellung des Brechungsindex der Spiegelschichten dotiert werden.
  • Handelt es sich bei dem Dotierstoff um Germanium, so wird dieses beispielsweise in Form von German in einer Wasserstofflösung zur Verfügung gestellt. Beispielsweise wird das Germanium als 10%iges German im Wasserstoff zur Verfügung gestellt. Eine Dotierung mit dem Germanium kann dann unter Ammoniakatmosphäre erfolgen. Die Dotierung erfolgt dabei bei einer relativ hohen Temperatur von wenigstens 1050 °C. Dabei wird von der tatsächlichen Temperatur der Oberfläche ausgegangen, auf welche die Spiegelschichten epitaktisch abgeschieden werden. Das heißt, es handelt sich bei der angegebenen Temperatur nicht um eine mittlere Temperatur, die sich in der Epitaxiekammer einstellt, sondern um die Temperatur, die auf der Wachstumsoberfläche gemessen wird. Die Temperatur beträgt dabei vorzugsweise wenigstens 1050 °C und vorzugsweise höchstens 1060 °C. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine solche relativ hohe Wachstumstemperatur optimal ist, um eine ausreichend hohe Dotierung insbesondere in den niedrigbrechenden Spiegelschichten zu erreichen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Zugabe des Dotierstoffs lediglich während des Wachstums der niedrigbrechenden Spiegelschichten. Das heißt, zur Einstellung des niedrigen Brechungsindex wird lediglich bei der Herstellung der niedrigbrechenden Spiegelschichten der Dotierstoff gezielt von außen zugegeben. Beim Wachstum der hochbrechenden Spiegelschichten kann dann auf eine Zugabe des Dotierstoffes verzichtet werden. In diesem Fall stellt sich aufgrund von Diffusionsprozessen in den hochbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von wenigstens 1018 cm-3 ein, was sich hinsichtlich eines besonders großen Brechungsindexunterschieds zwischen angrenzenden hochbrechenden und niedrigbrechenden Spiegelschichten als optimal erweist.
  • Im Folgenden erfolgt eine Beschreibung des lichtemittierenden Halbleiterbauelements anhand von Figuren und von Ausführungsbeispielen. Diese können auch kombiniert angewendet werden.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine LED Struktur mit einem unteren, ersten Spiegel,
    • 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine modifizierte LED gemäß 1, jedoch mit einem oberen Tunnelkontakt,
    • 3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine verbesserte vertikale LED beziehungsweise ein vertikaler Laser,
    • 4 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine Struktur wie in 3, aber mit einer Konverterschicht in einem Abstand zur LED beziehungsweise dem vertikalen Laser,
    • 5A schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine Kontaktierung einer Struktur wie in 2 nach einer Prozessierung und
    • 5B schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine Struktur mit zusätzlichem oberem Spiegel und einer Kontaktierung durch die Spiegel,
    • 6 eine grafische Auftragung zur Erläuterung eines Aspekts von Ausführungsbeispielen eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine einfache LED-Struktur mit einem unteren, ersten Spiegel 102.
  • Hier sind 100 das Substrat, 101 eine optionale Pufferschicht, 102 der erste Spiegel, der als Bragg-Spiegel mit x-Doppelschichten (x: ganze Zahl oder ganze Zahl ±0,5) aus niedrig- und hochbrechendem Material, 103 eine meist n-leitende erste leitende Schicht um die lichtemittierende Schichtenfolge 104, mit hier beispielhaft drei Schichten, ideal in einem Maximum der elektrischen Feldstärke der optischen Welle platziert. Die Doppelschichten müssen nicht zwingend ganzzahlig sein, je nach Beginn oder Ende der Schichtenfolge kann es auch ein halbzahliger Wert sein. Die Doppelschichten umfassen dabei jeweils eine hochbrechende Spiegelschicht 102a und eine niedrigbrechende Spiegelschicht 102b.
  • Bei dem Substrat 100 kann es sich um ein Aufwachssubstrat für die nachfolgenden Schichten handeln, auf welches diese epitaktisch abgeschieden sind. Ferner ist es möglich, dass es sich bei dem Substrat 100 um einen Träger handelt, der nicht dem ursprünglichen Aufwachssubstrat entspricht. In diesem Fall kann das Aufwachssubstrat abgelöst sein und die verbleibenden, epitaktisch abgeschiedenen Schichten sind am Substrat 100 befestigt. Das Substrat 100 kann in diesem Fall insbesondere elektrisch leitend ausgebildet sein.
  • Bei der lichtemittierenden Schichtenfolge 104 handelt es sich um Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter die idealerweise eine kleinere Bandlücke als das umgebende Material haben, also zum Beispiel InGaN in einer GaN-Matrix, aber auch InGaN in InGaN-Matrix mit niedrigerem In-Gehalt. Die Bandlücke des Materials soll im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich liegen. Die Anzahl hängt dabei vom Design der LED ab, als vorteilhaft werden ein bis zehn solcher Schichten angesehen, meist zwischen 2 - 5 nm dick und getrennt von einer Barrierenschicht, die typischerweise eine Dicke zwischen 5 nm und 15 nm hat.
  • Die Barrieren können jedoch auch dicker sein, um jede lichtemittierende Schicht im Maximum der elektrischen Feldamplitude der optischen Welle zu platzieren. Für optimale Strominjektion in die lichtemittierenden Schichten wird die Platzierung von möglichst vielen solcher Schichten innerhalb eines einzelnen Amplitudenmaximums angesehen.
  • Oberhalb der lichtemittierenden Schichten kann eine, hier nicht gezeigte, Elektronenbarriere eingebracht sein. Zum Beispiel bei einer GaN-basierten LED, eine Mg-dotierte AlGaN-Schicht mit 5 - 25 nm Dicke und einem Al-Gehalt zwischen 5 - 30 %, die die Elektroneninjektion in die nachfolgende Schicht 105 verhindert. 105 ist typisch eine p-dotierte zweite leitende Schicht zur Löcherinjektion in die Schichten 104. Oberhalb dieser Schicht oder einer hier nicht gezeigten teil- oder völlig transparenten Kontaktierungsschicht kann dann der Lumineszenzkonverter 106 angebracht sein, der das in der lichtemittierenden Schichtenfolge 104 entstandene Licht ganz oder teilweise in zum Beispiel längerwelliges Licht konvertiert. Bei hohen Strahlintensitäten ist auch eine Konversion zu kürzeren Wellenlängen zum Beispiel mit einem Material zur Frequenzvervielfachung möglich. Die Lichtemission erfolgt in diesem Beispiel bevorzugt in Richtung des angezeigten Pfeils oberhalb der Struktur.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine modifizierte LED wie in der 1 dargestellt, aber mit einem oberen Tunnelkontakt 208 durch eine hoch-n-dotierte Schicht 207. Dadurch ist eine einfachere Kontaktierung und bessere Stromverteilung des oberen Kontakts möglich. Die anderen Bezeichnungen folgen der 1, beginnen aber statt mit einer 1 mit einer 2. Hier kann auch eine auf der Schicht 207 abgeschiedene MQW-Struktur als Konverter 206 zur Umwandlung eines Teils des elektrisch erzeugten Lichts in längerwelliges Licht dienen.
  • In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine verbesserte vertikale LED beziehungsweise ein vertikaler Laser dargestellt. Durch einen oberen, zweiten Spiegel 309 mit y Spiegelpaaren, wobei y < x ist und y: ganze Zahl oder ganze Zahl ±0,5, und die Kavität 303 - 305 mit einer optischen Dicke, die einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, und aktiven Schichten, das heißt die lichtemittierende Schichtenfolge 304, darin, entsteht ein schmaleres Emissionsspektrum und es besteht damit bei entsprechend hohen Strömen auch die Möglichkeit einen VCSEL (von englisch vertical-cavity surface-emitting laser), zu realisieren. Hier ist der zweite Spiegel 309 idealerweise auch aus demselben Material oder einem Material aus derselben Materialklasse (AlInGaN) wie der untere, erste Spiegel 302.
  • Dann lässt sich mit einer hoch-n-dotierten Schicht 307 als unterer niedrigbrechender Spiegelschicht 309a auf der p-dotierten Schicht 305 ein Tunnelkontakt 308 realisieren, analog zu dem in der 2 dargestellten. Die anderen Bezeichnungen folgen wieder den vorhergehenden Zeichnungen. Prinzipiell lässt sich der obere, zweite Spiegel 309 auch mit anderen, auch nichtleitenden Materialien realisieren, was durch den dann meist verfügbaren größeren Brechungsindexsprung nur wenige Spiegelpaare erfordert. Insbesondere dann ist ein Tunnelkontakt für die obere Kontaktschicht analog zu dem in 2 vorteilhaft.
  • Der obere, zweite Spiegel 309 ist bei Emission nach oben, also in Pfeilrichtung, in der Regel geringer reflektierend als der untere, um den Photonenstrom in Richtung der Lumineszenz umwandelnden Schicht, den Konverter 306, zu maximieren und nicht ungenutzt in die andere Richtung abzustrahlen. Grundsätzlich ist zudem die Dotierfolge bei allen gezeigten Beispielen und damit auch die Kontaktierung umkehrbar, das heißt der n-p-Übergang kann auch ein p-n-Übergang sein. Auch können alle Beispiele so hergestellt werden, dass die Emission in Richtung des Substrats erfolgt. Dieses kann prinzipiell auch entfernt oder nach dem Wachstum durch Umbonden auf einen anderen Träger gewechselt werden. Dann ist die Spiegelreflektivität der anderen Emissionsrichtung anzupassen.
  • 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine Struktur wie in 3, aber mit einem Konverter 406, insbesondere als Schicht, nicht direkt auf der Struktur beziehungsweise der oberen Kontaktierungsschicht, sondern in einem gewissen Abstand 410, der zum Beispiel durch einen Hohlraum oder ein weiteres Material wie ein transparentes Silikon oder ein Polymer definiert sein kann. Dadurch kann Hitze vom Konverter ferngehalten werden und es besteht, je nach Ausführung, auch die Möglichkeit, Konverterschichten zu wechseln oder auf diese zu verzichten.
  • 5A zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich die Kontaktierung einer Struktur wie in der 2 nach der Prozessierung. Hier wird über Metallisierungen 511 und 513, die bei Verwendung eines oberen Tunnelkontakts identisch sein können, mit einem Draht 510 und 512 und einem nicht gezeigten Stromversorger ein Stromkreis hergestellt, der das Bauelement beziehungsweise die Schichten 504 in der 2 zur Elektrolumineszenz bringt. Diese wird im Konverter 506 dann ganz oder teilweise in eine andere Wellenlänge gewandelt.
  • In 5B ist ein sechstes Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauelements beziehungsweise eines hier beschriebenen lichtemittierenden Halbleiterbauteils, nämlich eine Struktur mit zusätzlichem oberem, zweiten Spiegel 509 und einer Kontaktierung durch die Spiegel, was idealerweise einen p-n-Tunnelkontakt, wie in den 3 und 4 dargestellt und als 308 und 408 gekennzeichnet, beinhaltet. Hier ist 523 das obere Kontaktmetall und 522 der obere Verbindungsdraht zu einer Stromquelle. Die Kontaktierung des Rückkontakts erfolgt in diesem Bespiel, ein leitfähiges Substrat vorausgesetzt, über eine rückwärtige Metallisierung 521 und einen Draht 520. Prinzipiell lässt sich anstelle von Metall auch ein leitfähiges Oxid beziehungsweise ein transparentes leitfähiges Material wie zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid einsetzen.
  • Die grafische Auftragung der 6 zeigt die Burstein-Moss-Verschiebung der Bandlückenenergie E zu größeren Energien in Abhängigkeit von der Dotierstoffkonzentration n. Als Dotierstoff kommt dabei Germanium in GaN-Schichten zum Einsatz. Der Brechungsindex der dotierten Schichten verhält sich reziprok zur Energie der Bandlücke, das heißt, je größer die Energie der Bandlücke ist, desto geringer ist der Brechungsindex. Aus der 6 ist ersichtlich, dass entgegen der Intuition die Bandlücke nicht im undotierten Fall am geringsten ist, sondern im Bereich einer Dotierstoffkonzentration von 1018 cm-3 ein Minimum aufweist. Der Brechungsindex ist daher im Bereich einer Dotierstoffkonzentration von 1018 cm-3 maximal, so dass sich mit einer Dotierstoffkonzentration von 1018 cm-3 in der hochdotierten Schicht ein Maximum des Brechungsindexunterschieds zwischen niedrigbrechender und hochbrechender Spiegelschicht erreichen lässt.
  • Die hier gezeigten Beispiele beziehungsweise Teilaspekte davon lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 200, 300, 400, 500
    Substrat
    101, 201, 301, 401, 501
    Pufferschicht
    102, 202, 302, 402, 502
    erster Spiegel
    102a, 202a, 302a, 402a, 502a
    hochbrechende Spiegelschichten
    102b, 202b, 302b, 402b, 502b
    niedrigbrechende Spiegelschichten
    103, 203, 303, 403, 503
    erste leitende Schicht
    104, 204, 304, 404, 504
    lichtemittierende Schichtenfolge
    105, 205, 305, 405, 505
    zweite leitende Schicht
    106, 206, 306, 406, 506
    Konverter
    207, 307, 407, 507
    hoch-n-dotierte Schicht
    208, 308, 408, 508
    Tunnelkontakt
    309, 409
    zweiter Spiegel
    309a, 409a
    hochbrechende Spiegelschichten
    309b, 409b
    niedrigbrechende Spiegelschichten
    410
    Abstand
    510
    Draht
    511
    Metallisierung
    512
    Draht
    513
    Metallisierung
    520
    Draht
    521
    Metallisierung
    522
    Kontaktmetall
    523
    Kontaktmetall

Claims (12)

  1. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit - einem ersten Spiegel (102, 202, 302, 402, 502), - einer ersten leitenden Schicht (103, 203, 303, 403, 503), - einer lichtemittierenden Schichtenfolge (104, 204, 304, 404, 504) an einer dem ersten Spiegel abgewandten Seite der ersten leitenden Schicht, und - einer zweiten leitenden Schicht (105, 205, 305, 405, 505) an einer der ersten leitenden Schicht abgewandten Seite der lichtemittierenden Schichtenfolge, wobei - der erste Spiegel, die erste leitende Schicht, die lichtemittierende Schichtenfolge und die zweite leitende Schicht auf einem III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren, - der erste Spiegel elektrisch leitfähig ist, und - der erste Spiegel eine periodische Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex ist, - der erste Spiegel eine periodische Abfolge hochbrechender Spiegelschichten (102a, 202a, 302a, 402a, 502a) und niedrigbrechender Spiegelschichten (102b, 202b, 302b, 402b, 502b) umfasst, wobei sich die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten durch die Konzentration eines Dotierstoffs voneinander unterscheiden, und - an einer Grenzfläche zwischen einer niedrigbrechenden Spiegelschicht und einer hochbrechenden Spiegelschicht ein weiterer Dotierstoff eingebracht ist, der sich vom Dotierstoff unterscheidet.
  2. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die hochbrechenden Spiegelschichten und die niedrigbrechenden Spiegelschichten denselben Dotierstoff aufweisen.
  3. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Dotierstoff Zinn oder Germanium ist.
  4. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der drei vorherigen Ansprüche, bei dem die niedrigbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von wenigstens 2×1019 cm-3 aufweisen und die hochbrechenden Spiegelschichten eine Dotierstoffkonzentration von weniger als 1×1019 cm-3 aufweisen.
  5. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der weitere Dotierstoff Silizium ist und höchstens eine Monolage des weiteren Dotierstoffs eingebracht ist.
  6. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem zweiten Spiegel (309, 409) an einer der lichtemittierenden Schichtenfolge abgewandten Seite der zweiten leitenden Schicht, wobei der zweite Spiegel mit zumindest einem der folgenden Materialien gebildet ist: Halbleiter, Isolator, Metall.
  7. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der zweite Spiegel gleichartig zum ersten Spiegel ausgebildet ist, wobei der zweite Spiegel eine geringere Anzahl von Spiegelschichten (309a, 309b, 409a, 409b) als der erste Spiegel umfasst und die Reflektivität des zweiten Spiegels geringer ist als die Reflektivität des ersten Spiegels.
  8. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement einer der folgenden Halbleiterchips ist: Leuchtdiodenchip, Laserdiodenchip, Superlumineszenzdiodenchip.
  9. Lichtemittierendes Bauteil mit - zumindest einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, und - einem Konverter (106, 206, 306, 406, 506), der dem zumindest einen lichtemittierenden Halbleiterbauelement nachgeordnet ist.
  10. Lichtemittierendes Bauteil gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem zwischen dem zumindest einen lichtemittierenden Halbleiterbauelement und dem Konverter ein Abstand (410) vorhanden ist.
  11. Verfahren wobei ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird, und - die niedrigbrechenden Spiegelschichten und die hochbrechenden Spiegelschichten des ersten Spiegels und/oder des zweiten Spiegels durch homoepitaktisches Wachstum erzeugt werden.
  12. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei eine Zugabe des Dotierstoffs lediglich während des Wachstums der niedrigbrechenden Spiegelschichten erfolgt.
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