DE112022003990T5

DE112022003990T5 - Verfahren und optoelektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE112022003990T5
Application number: DE112022003990.6T
Authority: DE
Inventors: Christoph Klemp; Stefan Illek; Ines Pietzonka; Andreas Biebersdorf; Xue Wang
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-05-29
Also published as: KR20240042111A; CN117836958A; WO2023021049A8; WO2023021049A1; WO2023020687A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, umfassend eine erste dotierte Ladungsträgertransport [(AlxGa1-x)yIn1-y]P1-zSchicht mit x im Bereich von [0;0,5] und eine zweite dotierte Ladungsträgertransport [(AlxGa1-x)yIn1-y]zP1-zmit x im Bereich von [0;0,5]. Zwischen beiden Schichten ist ein aktiver Bereich angeordnet, der eine Vielzahl von abwechselnden [(AlaGa1-a)bIn1-b]cP1-cQuantentopfschichten und [(AldGa1-d)eIn1-e]fP1-fSperrschichten umfasst, wobei „a“ im Bereich von [0;0.5] liegt und „d“ im Bereich von [0,45;1], insbesondere im Bereich von [0,60; 1,0] und vor allem zwischen 0,75 und 1,0 liegt. Mindestens eine der Vielzahl von Quantentopfschichten und der Barriereschichten umfasst einen absichtlich induzierten Dotierstoff mit einer Konzentration im Bereich von 1e15 cm-3bis 5e17 cm-3und insbesondere im Bereich von 2e16 cm-3bis 7e16 cm-3, wobei der Dotierstoff aus mindestens einer der Gruppen Mg, Zn, Te und Si ausgewählt ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der WO-Patentanmeldung PCT/EP2021/072901 vom 18. August 2021. Die darin enthaltene Offenbarung ist in vollem Umfang Bestandteil dieser Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine optoelektronische Vorrichtung.
HINTERGRUND
Optoelektronische Bauelemente, die auch als Leuchtdioden oder LEDs bezeichnet werden, benötigen zur Beleuchtung eine Energiezufuhr. Die in eine aktive Zone des optoelektronischen Bauelements eingebrachten Ladungsträger rekombinieren unter Aussendung von Licht. Die jüngste Verkleinerung hat zur Entwicklung von µ-LEDs geführt, deren Größe im Bereich von weniger als 1000 µm² liegt und bis auf etwa 10 µm² sinken kann. Bei solchen Größen ist es von größter Bedeutung, die Verringerung der Quanteneffizienz aufgrund von Oberflächenrekombination zu vermeiden, damit ein solches Bauelement sowohl bei kleinen als auch bei größeren Strömen Licht emittieren kann. Darüber hinaus wurde eine Verschlechterung der Leistung des Bauelements beobachtet, die auch von der Menge des durch das Bauelement fließenden Stroms abzuhängen scheint.
Es wurden mehrere Maßnahmen vorgeschlagen, um diese und andere Probleme zu lösen. Es besteht immer noch die Notwendigkeit, weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung optoelektronischer Bauelemente zu ergreifen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese und andere Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen und weitere Aspekte sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass in optoelektronischen Bauelementen, die auf dem InGaAlP-Materialsystem basieren, eine Leistungssteigerung durch absichtlich niedrige Dotierung der aktiven Zone des Bauelements erreicht werden kann. Darüber hinaus wurde eine Beziehung zwischen dem Al-Gehalt und der Niedrigdotierung beobachtet, so dass der Wirkungsgradgewinn aufgrund der Niedrigdotierung bis zu einem bestimmten Al-Gehalt in der Quantenbarriere der aktiven Zone zunimmt. Diese Leistungssteigerung lässt sich durch eine verbesserte Ladungsträgerinjektion in den Quantentopfstapel erklären. Eine solche Steigerung ist zwar unabhängig von der Größe des Bauelements, doch ist ihr Effekt bei kleiner werdenden Bauelementen von größerer Bedeutung und kann mit anderen Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung kombiniert werden.
Die Erfinder schlagen nun ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung vor. Nach der Bereitstellung einer Wachstumsschicht, z. B. auf der Basis von GaAs oder einem anderen geeigneten Material, wird eine erste dotierte Ladungsträgertransportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z auf der Substratschicht mit x im Bereich von [0,5;1] entlang einer Wachstumsrichtung abgeschieden. Der Al-Gehalt kann je nach Bedarf und Anforderungen sowie nach der gewünschten Wellenlänge des Bauelements variieren. Anschließend wird entlang der Wachstumsrichtung ein aktiver Bereich abgeschieden. Der aktive Bereich ist so konfiguriert, dass er Strahlung erzeugt und umfasst eine Vielzahl von abwechselnden [(Al_aGa_1-a)_bIn_1-b]_cP_1-c Quantentopfschichten und [(Al_dGa_1-d)_eIn_1-e]_fP_1-f Barriereschichten. Der Parameter „a“ liegt im Bereich von [0;0,5] und der Parameter „d“ im Bereich von [0,45;1], insbesondere im Bereich von [0,60; 1,0] und vor allem zwischen 0,75 und 1,0. Eine zweite dotierte Ladungsträgertransportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z wird dann mit x im Bereich von [0,45;1] entlang der Wachstumsrichtung abgeschieden.
Die Parameter y und z können im Bereich von [0,45;0,55] liegen und b und c liegen im Bereich von [0,45;0,55].
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird der aktive Bereich mit einem Dotierstoff dotiert. Zu diesem Zweck wird ein Dotierstoff mit einer Konzentration im Bereich von 1e15 Atomen/cm³ bis 5e17 Atomen/cm³ , insbesondere im Bereich von 1e16 Atomen/cm³ bis 1e17 Atomen/cm³ und vor allem im Bereich von 2e16 Atomen/cm³ bis 7e16 Atomen/cm³ während der Abscheidung mindestens einer der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten zugegeben. Der Dotierstoff kann aus der Gruppe von Mg, Zn, Te und Si ausgewählt werden.
In einigen Fällen werden die In-Gehalte in [(Al_aGa_1-a)_bIn_1-b]_cP_1-c Quantentopfschichten und [(Al_dGa_1-d)_eIn_1-e]_fP_1-f Barriereschichten, d. h. die Parameter 1-b und 1-e, so gewählt, dass sie unterschiedlich sind. Beispielsweise kann der Parameter 1-b zwischen 20 % (1-0,8) und 60 % (1-0,2) und insbesondere zwischen 40 % und 60 % liegen. Ebenso kann der In-Gehalt der Barriereschichten im Vergleich zu den Quantentopfschichten unterschiedlich oder gleich sein. Der In-Gehalt beeinflusst die Bandlücke, verändert aber auch die Gitterkonstante. Eine Änderung des In-Gehalts während der Abscheidung einer Multi-Quantum-Well-Struktur kann daher zu einer gewissen Verformung der Multi-Quantum-Well-Struktur führen.
Folglich ist in einigen Aspekten der In-Gehalt jeder Barriereschicht gleich, aber unterschiedlich im Vergleich zu einer benachbarten Quantentopfschicht. In einigen Fällen führt der Unterschied im In-Gehalt in der benachbarten Quantentopf- und Quantenbarriereschicht zu einer Belastung, die zwischen -4000 ppm und +4000 ppm liegen kann. In einigen Fällen ist der In-Gehalt in den Barriereschichten geringer als der In-Gehalt in der Quantentopfschicht, was zu einer Gesamtverformung führt, aber auch die Bandlücke für die Barriereschichten erhöht.
Als Gesamtergebnisse können der In-Gehalt, die Dicke oder der Al-Gehalt beim Vergleich der Barriereschicht und der Quantentopfschicht variieren. Daher unterscheiden sich in einigen Aspekten mindestens zwei Parameter zwischen einer Barriereschicht und einer benachbarten Quantentopfschicht, wobei diese Parameter aus der Dicke, dem Al-Gehalt und dem In-Gehalt ausgewählt werden. In einigen weiteren Aspekten sind diese Parameter auch für die jeweiligen Barriere- und/oder Quantentopfschichten unterschiedlich. Beispielsweise kann eine Barriereschicht im Vergleich zu anderen Barriereschichten einen anderen In-Gehalt oder eine andere Dicke aufweisen. Dies kann zu einer allmählichen Änderung der Parameter und damit zu einer allmählichen Änderung der Belastung innerhalb des aktiven Bereichs führen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine zusätzliche Dotierung absichtlich in mindestens eine der Barriere- und/oder Quantentopfschichten im aktiven Bereich eingebracht. Es hat sich gezeigt, dass die Effizienz des Bauelements durch diese zusätzliche und absichtliche Dotierung erhöht wird. Es ist anzumerken, dass eine unbeabsichtigte Dotierung während der Abscheidung in der Regel stattfindet, aber eine solche unbeabsichtigte Dotierung umfasst eine viel geringere Konzentration im Vergleich zur absichtlich herbeigeführten Dotierung. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine höhere Dotierung als zwischen 1e16 Atome/cm³ und 5e17 Atome/cm³ nachteilig ist und zu einer Verringerung des Wirkungsgrads und der Leistung führt.
Folglich können mögliche Dotierstoffkonzentrationen im Bereich von 1e16 Atomen/cm³ bis etwa 4e17 Atomen/cm³, vorzugsweise jedoch im Bereich von 2e16 Atomen/cm³ bis 2e17 Atomen/cm³ oder insbesondere zwischen 5e16 Atomen/cm³ und 1,5e17 Atomen/cm³ liegen. Andere Dotierungskonzentrationen, wie in dieser Anmeldung angegeben, sind ebenfalls geeignet. Es wurde auch festgestellt, dass der Dotierstoff variiert werden kann und dass mehr als ein Dotierstoff mit den oben genannten Konzentrationen in den aktiven Bereich eingebracht werden kann. Das Dotierungsniveau der einzelnen Dotierstoffe kann kleiner als 5e17 Atome/cm³ sein. Die Quantentopfschicht und die Barriereschichten können mit jeweils unterschiedlichen Dotierstoffen dotiert werden. Ebenso kann die Dotierungskonzentration zwischen Barriereschichten und benachbarten Quantentopfschichten variieren. So kann beispielsweise die Dotierungskonzentration für eine Barriereschicht niedriger sein als für eine entsprechende Quantentopfschicht. Ebenso können beim Abscheiden oder Aufwachsen der Quantentopfschicht und der Barriereschicht unterschiedliche Dotierstoffe verwendet werden.
In einigen Fällen kann die Dotierungskonzentration in benachbarten Schichten und auch zwischen Schichten desselben Typs, d. h. Quantenwell- oder Barriereschichten, variieren. Typische Dotierstoffe für diesen Zweck könnten Te, Zn, Si, Mg und dergleichen sein.
Diese beabsichtigte Dotierung kann in der Größenordnung des 10-bis 100-fachen der unbeabsichtigten inhärenten Dotierstoffkonzentrationen im Material liegen. In diesem Zusammenhang umfasst der Begriff „unbeabsichtigte Dotierung“ nicht nur die Dotierung mit Materialverunreinigungen, sondern auch alle anderen Verunreinigungen und natürlichen Defekte.
In einigen Aspekten erfolgt die Abscheidung des Dotierstoffs während der Abscheidung des Materials für mindestens eine Quantenbarriereschicht im aktiven Bereich. Die Abscheidung des Dotierstoffs kann auch über mehrere Schichten oder jede zweite oder dritte Schicht erfolgen. In einigen weiteren Aspekten kann die Konzentration des hinzugefügten Dotierstoffs während des Dotierungsschritts variieren. Folglich kann es zweckmäßig sein, Barriereschichten und/oder Quantentopfschichten, die näher an den Ladungsträgertransportschichten liegen, mit einer anderen Konzentration zu dotieren als die Barriereschichten und Quantentopfschichten, die sich zentral im aktiven Bereich befinden. In einem anderen Aspekt kann die Dotierungskonzentration in Richtung einer der Ladungsträgertransportschichten zunehmen oder abnehmen, d. h. die Dotierungskonzentration während der Abscheidung der Quantentopfschichten und Barriereschichten kann entlang der Wachstumsrichtung zunehmen oder abnehmen.
Die Abscheidung eines aktiven Bereichs kann die Abscheidung von 3 bis 30 Quantentopfschichten umfassen, wobei die Quantentopfschichten jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 15 nm und die Quantenbarriereschichten jeweils eine Dicke zwischen 3 nm und 25 nm aufweisen. Damit ergeben sich etwa 7 (3 Quantentopfschichten und 4 Barriereschichten) bis 61 alternierende Schichten im aktiven Bereich. Sowohl die Dicke als auch die Dotierstoffkonzentration können beim Aufbringen der Schichten wie oben beschrieben variieren.
In einigen Aspekten weisen zumindest einige der mehreren Sperrschichten einen unterschiedlichen Al-Gehalt auf, wobei der Al-Gehalt in jeder Sperrschicht konstant ist. Alternativ dazu unterscheiden sich der minimale und der maximale Al-Gehalt innerhalb des aktiven Bereichs um einen Faktor im Bereich von 1,1 bis 3,5. Beispielsweise kann der Al-Gehalt einer Quantum-Well-Schicht im Bereich von 0,0 bis 0,5 (x im Bereich von [0, 0; 0,5]) und innerhalb der Barriereschicht im Bereich von 0,6 bis 1 liegen. Die Dicke zumindest einiger der Barriereschichten kann variieren, wobei sich eine minimale und eine maximale Dicke der Barriereschichten in der aktiven Zone um einen Faktor zwischen 1,5 und 6 unterscheiden.
In einigen Fällen erfolgt die Zugabe des Dotierstoffs während der Abscheidung einer Quantentopfschicht oder einer Barriereschicht leicht verzögert gegenüber der eigentlichen Abscheidung der jeweiligen Schicht. So erfolgt die Dotierung mit dem Dotierstoff beispielsweise, nachdem mit der Abscheidung des Materials für die Barriereschicht und/oder die Quantentopfschicht begonnen wurde. Daher ist ein Teil der jeweiligen Schicht bereits gewachsen, bevor das Dotiermittel zugegeben wird. Gleiches gilt. In einigen Fällen kann die Zugabe des Dotierstoffs beendet werden, bevor die Abscheidung des Materials für die Barriereschicht und/oder die Quantentopfschicht beendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass Dotierstoffe in benachbarte Schichten diffundieren, obwohl nur eine einzige Schicht oder nur bestimmte Schichten dotiert sind. Folglich kann ein optoelektronisches Bauelement, das mit dem oben genannten Verfahren hergestellt wurde, eine Konzentrationsvariation des Dotierstoffs über mehrere Schichten im aktiven Bereich aufweisen, was als Dotierstoffmodulation bezeichnet wird. Folglich wird in einigen Aspekten eine Dotierstoffmodulation vorgeschlagen, indem entweder der Dotierstoff in benachbarten Schichten verändert wird und/oder in einigen anderen Aspekten ein Ausheilungsschritt vorgesehen wird. Dieser Ausheilungsschritt kann während der Abscheidung des aktiven Bereichs oder nach der Bildung des aktiven Bereichs durchgeführt werden. In einigen Aspekten kann eine Vielzahl solcher Schritte nach den jeweiligen Abscheidungsschritten des Materials für die Barriere- und Quantentopfschichten durchgeführt werden.
In einigen weiteren Aspekten können nicht dotierte AlGaInP-Schichten neben dem aktiven Bereich abgeschieden werden, der zwischen dem aktiven Bereich und den dotierten Ladungsträgertransportschichten liegt. Der Al-Gehalt kann im Hinblick auf den Al-Gehalt der benachbarten Trägertransportschicht oder der benachbarten ersten Schicht des aktiven Bereichs variieren. In einigen Fällen kann der Al-Gehalt derselbe sein wie der der benachbarten Trägertransportschicht.
Einige andere Aspekte betreffen eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads des Bauelements, die sich insbesondere in Verbindung mit der gezielten Dotierung des aktiven Bereichs anbietet. In einigen Aspekten wird eine strukturierte Maskenschicht aufgebracht. In einigen Fällen kann die zweite Transportschicht ebenfalls strukturiert werden, um den Zweck der strukturierten Maskenschicht zu erfüllen. Dann wird ein weiterer Dotierstoff abgeschieden und diffundiert durch die zweite dotierte Ladungsträgertransportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z in den aktiven Bereich. Die zusätzliche Dotierung führt zu einer Durchmischung der Quantentöpfe in den Bereichen mit erhöhter Dotierstoffkonzentration, was zu einer lateralen Energiebarriere für die in den maskierten Bereich injizierten Ladungsträger führt. Die Lage der durchmischten Bereiche ist so gewählt, dass die verschiedenen Halbleiterschichten innerhalb dieser Bereiche getrennt werden können, was zu einer Bauelementekante mit benachbarter Quantentopf-Durchmischung führt. Aufgrund der induzierten Energiebarriere werden Ladungsträger daran gehindert, entlang der Kanten des Bauelements strahlungsfrei zu rekombinieren, was die Leistung erhöht. Es wurde festgestellt, dass die Kombination beider Maßnahmen die Leistung über die Summe der Einzelmaßnahmen hinaus verbessert.
Die Abscheidung und Diffusion dieses zusätzlichen Dotierstoffs, insbesondere von Zn, kann auf verschiedene Weise erfolgen. In einigen Fällen wird der Dotierstoff bei einer ersten Temperatur abgeschieden und bei einer zweiten Temperatur diffundiert, wobei die zweite Temperatur höher ist als die erste Temperatur. Auf diese Weise lässt sich die Diffusion des Dotierstoffs in das Material steuern. In einigen Fällen kann AsH₃ oder ein anderes Ashaltiges Gas während des Diffusionsprozesses zugeführt werden, so dass Ga oder ein anderes Material vom Typ III durch das angebotene As gesättigt wird.
Einige weitere Aspekte beziehen sich auf ein optoelektronisches Bauelement nach dem vorgeschlagenen Prinzip einer absichtlichen Niedrigdotierung im aktiven Bereich. Ein solches optoelektronisches Bauelement umfasst eine erste dotierte Ladungsträger-Transportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit x im Bereich von [0, 5; 1] und eine zweite dotierte Ladungsträger-Transportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit x im Bereich von [0,5;1]. Der Parameter x bezieht sich auf den Al-Gehalt und kann in beiden Schichten konstant sein, in den jeweiligen Transportschichten unterschiedlich sein, aber auch in einer bestimmten Richtung variieren.
Zwischen beiden Schichten ist ein aktiver Bereich angeordnet, der eine Vielzahl von alternierenden [(Al_aGa_1-a)_bIn_1-b]_cP_1-c Quantentopfschichten und [(Al_dGa_1-d)_eIn_1-e]_fP_1-f Barriereschichten umfasst, wobei „a“ im Bereich von [0;0.5] liegt und „d“ im Bereich von [0,55;1], insbesondere im Bereich von [0,60; 0,90] und vor allem zwischen 0,75 und 0,85 liegt. Mindestens eine der Vielzahl von Quantentopfschichten und der Barriereschichten umfasst einen absichtlich induzierten Dotierstoff mit einer Konzentration im Bereich von 1e16 Atomen/cm³ bis 1e17 Atomen/cm³ und insbesondere im Bereich von 2e16 Atomen/cm³ bis 7e16 Atomen/cm³, wobei der Dotierstoff aus mindestens einem Mg, Zn, Te und Si ausgewählt ist.
In einigen Aspekten umfasst der aktive Bereich zwischen 3 und 30 Quantentopfschichten, wobei die Quantentopfschichten jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 15 nm und die Quantensperrschichten jeweils eine Dicke zwischen 3 nm und 25 nm aufweisen. Einige der Barriereschichten sind dotiert, wobei die Dotierungskonzentration zwischen Quantentopfschichten und Barriereschichten variieren kann. Dies wird als Modulation der Dotierstoffkonzentration bezeichnet. Beispielsweise können die Quantentopfschichten eine niedrigere, aber dennoch beabsichtigte Dotierung aufweisen als die Barriereschichten. Folglich erstreckt sich der Dotierstoff im aktiven Bereich über eine Vielzahl von abwechselnden Quantentopfschichten und Barriereschichten. Der Ausdruck „beabsichtigte Dotierung“ oder „beabsichtigtes Dotierungsniveau“ bezieht sich auf eine Dotierstoffkonzentration, die viel höher ist (d. h. mindestens das Zehnfache) als die unvermeidlichen Verunreinigungen im Material des aktiven Bereichs. Die Konzentration des Dotierstoffs kann daher zwischen den verschiedenen Schichten variieren, aber auch in Richtung einer der ersten und zweiten Ladungstransportschichten abnehmen oder zunehmen.
In einigen Aspekten kann die Dotierungskonzentration in einem zentralen Schichtstapel des aktiven Bereichs am höchsten sein. In einigen weiteren Aspekten kann das Bauelement ferner eine undotierte Schicht umfassen, die zwischen der ersten dotierten Ladungsträgertransportschicht und dem aktiven Bereich und/oder zwischen dem aktiven Bereich und der zweiten dotierten Ladungsträgertransportschicht angeordnet ist. In einigen weiteren Aspekten kann der Al-Gehalt nicht nur zwischen Barriere- und Quantentopfschichten, sondern auch zwischen benachbarten Barriereschichten variieren. In einigen Aspekten unterscheiden sich beispielsweise der minimale und der maximale Al-Gehalt innerhalb des aktiven Bereichs um einen Faktor im Bereich von 1,1 bis 1,7.
Die Leistung eines Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip kann durch die Durchmischung von Quantentopf in randnahen Bereichen des Bauelements weiter verbessert werden. In einigen Aspekten umfasst das optoelektronische Bauelement ferner einen mit Quantentopf durchmischten Bereich mit einer Dotierstoffkonzentration, die größer ist als die Dotierstoffkonzentration im aktiven Bereich, wobei der Dotierstoff insbesondere Zn umfasst, aber auch Mg enthalten kann. Der quantendurchmischte Bereich befindet sich in der Nähe einer Grenzfläche des optoelektronischen Bauelements.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dem vorgeschlagenen Prinzip werden in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele deutlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben werden, in denen

zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements gemäß einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
zeigt die Dotierstoffkonzentration im aktiven Bereich in einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Die zeigen verschiedene Schritte einer Ausführungsform zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
zeigt ein Diagramm, das die Leistungsverbesserung von optoelektronischen Bauelementen nach dem vorgeschlagenen Prinzip im Vergleich zu optoelektronischen Bauelementen mit unbeabsichtigter Dotierung veranschaulicht;
zeigt ein Beispiel für den Dotierungsprozess eines optoelektronischen Bauelements, um einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen;
ist eine beispielhafte Darstellung einer optoelektronischen Vorrichtung zur Veranschaulichung einiger Aspekte der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und deren Kombinationen gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dies dem erfindungsgemäßen Prinzip widerspricht. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis geringfügige Unterschiede und Abweichungen von der idealen Form oder Gestalt auftreten können, ohne jedoch dem Erfindungsgedanken zu widersprechen.
Außerdem werden die einzelnen Figuren und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht unbedingt stimmen. Einige Aspekte werden durch eine vergrößerte Darstellung hervorgehoben. Begriffe wie „oben“, „unten“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Abbildungen korrekt dargestellt. Es ist also möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements 1 aus dem AlGaInP-Materialsystem mit einem niedrig dotierten aktiven Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung. Das optoelektronische Bauelement 1 umfasst eine n-Typ-Kontaktschicht 10a, gefolgt von einer n-Typ-Trägerverteilungs- und Transportschicht 20. Die Kontaktschicht 10a kann aus Metall oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden. Die Ladungsträgertransportschicht 20 basiert auf dem AlGaInP-Materialsystem mit Te oder Si als Dotierstoff. Auf der n-Typ-Ladungstransportschicht 20 ist ein aktiver Bereich 30 angeordnet, der abwechselnd mehrere Quantentopfschichten 32a, 32b und Sperrschichten 31a, 31b und 31c umfasst.
Insbesondere ist eine erste Barriereschicht 31a des aktiven Bereichs an die Ladungsträgertransportschicht 20 angrenzend angeordnet. Auf der ersten Barriereschicht 31a ist dann eine Quantentopfschicht 32a angeordnet, gefolgt von einer zweiten Barriereschicht 31b. Dieser Aufbau aus abwechselnden Barriereschichten und Quantentopfschichten wird bis zur letzten Barriereschicht 31c wiederholt.
Auf der letzten Sperrschicht 31c ist eine p-Typ-Ladungsträgertransportschicht 40 angeordnet. Auf der zweiten Ladungsträgertransportschicht 40 ist eine p-Typ-Kontaktschicht 50 angeordnet, die in dieser Ausführungsform ebenfalls als strukturierte Maske fungiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt der Aluminiumgehalt der Barriereschichten 31a, 31b und 31c im aktiven Bereich im Bereich für [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y)]_zP_1-z mit x zwischen [0,60 und 1,00], und in dieser besonderen Ausführungsform etwa bei x = 0,8. Dadurch erhöht sich die Energiebandlücke auf etwa 2,4 eV, während der Aluminiumgehalt der Quantentopfschicht 30a und 30b [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y)]_zP_1-z mit x unter 0,5 entspricht, was einer Bandlücke von 1,8 bis 1,9 eV entspricht.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird der aktive Bereich 30, insbesondere die Barriereschichten 31a, 31b und 31c, während des Aufwachsens der jeweiligen Barriereschichten mit einem Magnesiumdotierstoff niedriger Konzentration, Mg, dotiert. Andere Dotierstoffe wie Zn oder auch n-Typ-Dotierstoffe Te oder Si können ebenfalls geeignet sein. Eine niedrige Konzentration von Dotierstoffen wird als niedrige Dotierung bezeichnet und ist eine beabsichtigte Dotierung im Gegensatz zu unbeabsichtigter Dotierung oder unbeabsichtigten Verunreinigungen. Die niedrige Dotierstoffkonzentration bei niedriger Dotierung kann im Bereich von etwa 1e16 bis 3e17 Atomen/cm³ liegen. Dies hat zur Folge, dass die niedrige Dotierung eine erhebliche Verbesserung der Quanteneffizienz und damit des Bauelements sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Stromstärken bewirkt. Folglich bezieht sich eine undotierte oder nicht dotierte Schicht auf eine Schicht, die nicht absichtlich dotiert ist. Sie kann jedoch immer noch Dotierstoffe und andere Verunreinigungen enthalten, die ein unvermeidlicher Bestandteil des Herstellungsprozesses sind und nicht vermieden werden können. Außerdem kann eine gewisse Diffusion von Dotierstoffen aus einem dotierten Bereich in einen undotierten Bereich stattfinden, was zu einem Dotierstoffgradienten in diesem Bereich führt.
Zusätzlich zu dieser Maßnahme kann an den Außenkanten des jeweiligen Bauelements 1 eine Quantentopfdurchmischung (QWI) durchgeführt werden, wie in dargestellt. Die gestrichelten Linien in der Nähe der Kanten des Bauelements veranschaulichen Zn-diffundierte Bereiche, in deren Quantentopfstrukturen die QWI stattfindet. Nach der Strukturierung der Kontaktschicht 50 oder der Abscheidung einer strukturierten dielektrischen Diffusionsmaske wird die Quantentopf-Durchmischung durch Abscheidung und anschließende Diffusion eines p-Typ-Dotierstoffs, insbesondere Zn, in die p-Typ-Transportträgerschicht 40 und die verschiedenen Quantentopfschichten und Barriereschichten des aktiven Bereichs 30 erreicht. Die induzierte Quantentopf-Durchmischung bewirkt eine Vergrößerung der Energiebandlücke in dem Bereich, der sich näher an den Kanten des Bauelements befindet, und verhindert so, dass die Ladungsträger innerhalb des aktiven Bereichs 30 an den Seitenwänden durch nicht-strahlende Oberflächenrekombination rekombinieren. Folglich verschiebt sich das Verhältnis zwischen strahlender Rekombination und nicht-strahlender Rekombination zugunsten der strahlenden Rekombination.
zeigt die Variation der Dotierstoffkonzentration in den verschiedenen Barriere- und Quantentopfschichten innerhalb des aktiven Bereichs 30 der Vorrichtung. Im Gegensatz zu sind die verschiedenen Schichten um 90° gedreht, wobei die äußerste linke Schicht die Schicht 20a ist, die zwischen einer dotierten Ladungstransportschicht 20 und dem aktiven Bereich 30 angeordnet ist. Die erste Schicht 20a besteht aus AlGaInP-Material mit einem Aluminiumgehalt nahe der ersten Sperrschicht 31a. Die undotierte Ladungsträgertransportschicht 20a ist in nicht dargestellt, kann aber auf der n-dotierten Ladungsträgertransportschicht 20 aufgewachsen sein und aus demselben Material bestehen.
Angrenzend an die erste Barriereschicht 31a ist eine erste Quantentopfschicht 32a angeordnet. Nach diesen beiden Schichten sind abwechselnd mehrere Barriere- und Quantentopfschichten übereinander angeordnet. Schließlich grenzt die letzte Barriereschicht 31c an eine zweite Ladungstransportschicht 40.
Über der dargestellten Struktur ist die Konzentration des Dotierstoffs abgebildet. Während des Wachstums der verschiedenen Sperr- und Quantenschichten wurde ein Dotierstoff - insbesondere Magnesium - in das jeweilige Sperrschichtmaterial eingebracht. Dadurch ist die Dotierstoffkonzentration an der Stelle der Barriereschichten relativ hoch. Die Zugabe von Magnesium oder einem anderen Dotierstoff erfolgt in diesem Beispiel nicht während des Wachstums der Quantentopfschichten, sondern erst während der Abscheidung der jeweiligen Barriereschichten. Aufgrund der Diffusion des jeweiligen Dotierstoffs ist die Konzentration des Dotierstoffs innerhalb der Quantentopfschicht jedoch nicht null, sondern sinkt auf ein geringeres Niveau. Dieses Niveau hängt von der Diffusion ab, die wiederum durch den Wachstumsprozess und/oder einen nachfolgenden Ausheilungsschritt gesteuert werden kann. Infolgedessen wird die Dotierstoffkonzentration im gesamten aktiven Bereich moduliert und nimmt nur in den benachbarten Ladungsträgertransportschichten 20a und 40 ab.
Die Modulation einer Konzentration aufgrund der dargestellten Diffusion kann entsprechend den Bedürfnissen und Wünschen für das jeweilige Bauelement angepasst werden. Zum Beispiel kann die Dotierung nur während des Wachstums der jeweiligen Barriereschichten erfolgen, wie dargestellt. Es ist aber auch möglich, die Dotierung während des Wachstums der Quantentopfschichten vorzunehmen. Das Dotiermaterial kann dasselbe sein, kann aber auch in den verschiedenen Barrieren variieren. In einigen Fällen erfolgt die Dotierung mit Magnesium, Mg oder anderen geeigneten Dotierstoffen nur während der Abscheidung bestimmter Schichten im aktiven Bereich und nicht, wie dargestellt, in jeder Barriereschicht. Zum Beispiel kann die Dotierung nur in der zentralen Schicht des aktiven Bereichs, nur in den an die Ladungsträgertransportschichten angrenzenden Schichten oder nur in jeder dritten oder vierten Schicht erfolgen.
Alternativ dazu kann die Dotierstoffkonzentration auch während der Zugabe des Dotierstoffs selbst variieren. So kann beispielsweise die Dotierung ausgehend von der ersten Barriereschicht 31a innerhalb der jeweiligen Schichten ansteigen oder abfallen. Es hat sich gezeigt, dass eine Dotierstoffkonzentration im Bereich von 1e16 Atomen/cm³ bis 3e17 Atomen/cm³ eine Verbesserung der Vorrichtung und eine Leistungssteigerung bewirkt, während höhere Dotierstoffkonzentrationen im Bereich von 1e18 Atomen/cm³ nachteilig sind.
Die zeigen die Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
In ist ein Wachstumssubstrat 10 dargestellt, auf dem die erste Ladungsträgertransportschicht 20 aufgewachsen ist. In dieser Ausführungsform ist die Ladungsträgertransportschicht 20 eine n-dotierte AlGaInP-Basis mit [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit einem Aluminiumgehalt von etwa x zwischen 0,5 und 1,0). Die Parameter y und z liegen in einem Bereich von 0,47 bis 0,53. Zwischen der ersten Transportschicht 20 und dem Wachstumssubstrat 10 können einige Opfer- oder andere Schichten aufgewachsen werden, um die Gitterkonstante anzupassen, aber auch um eine glatte Oberfläche für die später aufgewachsenen Halbleiterschichten zu schaffen.
Auf der ersten n-dotierten Ladungsträgertransportschicht 20 ist eine undotierte Schicht 20a angeordnet. Die Abscheidung lässt sich leicht durch Verringerung oder anderweitige Änderung der Dotierstoffkonzentration beim Aufwachsen der AlGaInP-Schicht 20 erreichen. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Dotierstoffkonzentrationen für die Schicht 20a leicht angepasst werden können, um den Anforderungen der Vorrichtung gerecht zu werden.
In ist die erste Barriereschicht 31a des aktiven Bereichs auf der undotierten Schicht 20a mit [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit einem Aluminiumgehalt von x zwischen 0,7 und 0,8) gewachsen. Die Wachstumsgeschwindigkeit für die jeweilige Sperrschicht 31a kann so reduziert werden, dass nur wenige Atomlagen pro Minute aufgewachsen werden. Die Gesamtdicke der ersten Sperrschicht kann im Bereich von 3 bis 20 nm liegen. Während des Wachstums des Materials der ersten Barriereschicht wird ein Dotierstoff (in diesem speziellen Beispiel Magnesium) zugegeben, wodurch eine niedrige Dotierstoffkonzentration in der ersten Barriereschicht 31a entsteht. Die Dotierstoffkonzentration wird auf etwa 2e16 Atome/cm³ festgelegt.
Auf der ersten Barriereschicht 31a wird, wie in dargestellt, eine erste Quantentopfschicht 32a aufgewachsen. Der Aluminiumgehalt dieser ersten Quantentopfschicht 32a ist deutlich niedriger als der Aluminiumgehalt der ersten Barriereschicht 31a und kann im Bereich von weniger als x=0,5 liegen. Darüber hinaus wird während der Abscheidung des Materials, das die erste Quantentopfschicht bildet, kein weiteres Dotiermittel hinzugefügt. Die Dicke der Quantentopfschicht 32a wird so gewählt, dass sie im gleichen Bereich liegt wie die Barriereschicht, kann aber auch etwas geringer sein als die jeweilige erste Barriereschicht 31a. Der verringerte Aluminiumgehalt führt zu einer geringeren Bandlücke von etwa 1,9 eV bis 2,0 eV im Vergleich zur Sperrschicht, die eine Bandlücke im Bereich von 2,4 eV aufweist.
In einem weiteren Schritt, der in dargestellt ist, wird eine zweite Barriereschicht 31b auf die erste Quantentopfschicht aufgewachsen, während das Dotierungselement während der Abscheidungsphase hinzugefügt wird. Die Dicke der zweiten Barriereschicht 31b liegt in diesem Beispiel im gleichen Bereich wie die Dicke der ersten Barriereschicht, kann aber auch angepasst werden, z. B. kann sie größer oder kleiner als die erste Barriereschicht 31a sein. In einem weiteren Schritt, der in dargestellt ist, wird eine zweite Quantentopfschicht 32b aufgewachsen, wobei während der Abscheidung des Materials kein zusätzlicher Dotierstoff hinzugefügt wird.
Die Schritte des Aufschichtens von abwechselnden Barriere- und Quantentopfschichten können wiederholt werden, bis die gewünschte Struktur des aktiven Bereichs gebildet ist. Wie in diesem Beispiel gezeigt, wird während des Wachstums der jeweiligen Barriereschichten Magnesium (Mg) als Dotierstoff während der Abscheidungsphasen des Barriereschichtmaterials zugegeben. In der besonderen Ausführungsform erfolgt die Zugabe von Magnesium, Mg, kurz nachdem das Wachstum des Materials der jeweiligen Sperrschichten begonnen hat und eine erste Atomschicht gewachsen ist. Mit anderen Worten, die Zugabe von Magnesium als Dotierstoff wird während des Wachstums leicht verzögert und endet kurz vor Beendigung der Abscheidung des jeweiligen Barriereschichtmaterials.
zeigt als Struktur den auf der Ladungsträgertransportschicht 20 gebildeten aktiven Bereich mit beispielhaft drei Quantentopfschichten 32a, 32b und 32c und insgesamt vier Barriereschichten 31a bis 31d. Auf der letzten Barriereschicht 31d ist die zweite p-Typ-Trägertransportschicht 40 aufgewachsen. Auf dieser zweiten Ladungsträgertransportschicht 40 ist eine Kontaktschicht 50 mit einer hohen p-Dotierstoffkonzentration angeordnet.
Die nun vorhandene Struktur ähnelt einem optoelektronischen Bauelement mit einer verbesserten Leistung aufgrund der niedrigen, aber gut definierten Dotierstoffkonzentration in bestimmten Schichten des aktiven Bereichs. Ähnlich wie bei der vorherigen Ausführungsform wird eine Modulation der Dotierstoffkonzentration im aktiven Bereich durch die Diffusion des Dotierstoffs Mg in benachbarte Quantentopfschichten erreicht. Diese Diffusion kann bis zu einem gewissen Grad durch einen Ausheilschritt entweder nach der Erzeugung des aktiven Bereichs oder nach bestimmten Schritten während des Wachstums der Sperrschichten bzw. der Quantentopfschichten gesteuert werden.
Eine weitere Verbesserung des optoelektronischen Bauelements kann dadurch erreicht werden, dass in bestimmten Bereichen des aktiven Bereichs zusätzlich eine Quantentopf-Durchmischung vorgesehen wird. Die für die Durchmischung mit Quantenquellen ausgewählten Bereiche liegen näher an den Rändern des später fertiggestellten optoelektronischen Bauelements. Zu diesem Zweck wird die Kontaktschicht 50 so strukturiert, dass sie Öffnungen 60 aufweist, wodurch die Oberflächen der p-dotierten zweiten Ladungsträgertransportschicht 40 freigelegt werden. In einem weiteren Schritt wird dann das Dotiermaterial Zn auf die Oberflächen der zweiten Ladungsträgertransportschicht 40 sowie auf die Oberfläche der strukturierten Kontaktschicht 50 aufgebracht.
Die Abscheidung von Zn als Dotierstoff erfolgt zunächst bei einer relativ niedrigen Temperatur. Dadurch wird eine unbeabsichtigte Diffusion in die verschiedenen Schichten verhindert und somit eine bessere Kontrolle der Diffusionstiefe erreicht. Anschließend wird das Zn-Dotiermittel bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste, in die p-Typ-Ladungsträger-Transportschicht 40 sowie in den aktiven Bereich 30 und die jeweiligen Barriere- und Quantentopfschichten diffundiert.
Aufgrund der strukturierten Kontaktschicht 50 dehnt sich der Bereich, in dem eine solche Quantentopf-Durchmischung stattfindet, in den Quantentopf- und Barriereschichten unterhalb der strukturierten Kontaktschicht 50 nicht aus. Insofern wirkt die Kontaktschicht 50 wie eine Diffusionsmaske. Infolgedessen befinden sich, wie in dargestellt, die Quantentopf-Durchmischungsbereiche 70 an bestimmten Positionen innerhalb des Halbleitermaterials und des aktiven Bereichs 30. Die zinkdiffundierten Bereiche erstrecken sich durch den aktiven Bereich 30 in der Nähe der undotierten Schicht 20a. Die für die Durchmischung mit Quantentöpfen ausgewählten Bereiche befinden sich an Stellen, die später zur Trennung der verschiedenen Bauelemente verwendet werden und somit die Seitenränder der jeweiligen Bauelemente bilden. Die Bandlücke in den mit Quantentöpfen durchmischten Bereichen vergrößert sich, so dass die Ladungsträger einem abstoßenden elektrischen Feld ausgesetzt sind, das sie daran hindert, die Außenkanten des Bauelements zu erreichen, an denen die Oberflächenrekombination am höchsten ist. Zusammen mit der absichtlich niedrigen Dotierung des aktiven Bereichs können die Leistung und die Quanteneffizienz des Bauelements weiter gesteigert werden.
zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Leistungssteigerung eines optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung desselben nach dem vorgeschlagenen Prinzip im Vergleich zu Bauelementen, die ohne absichtliche Dotierung der aktiven Schicht hergestellt wurden. Die y-Achse des Diagramms zeigt die Lichtausgangsleistung in willkürlichen Einheiten, beginnend mit etwa 1200 Einheiten als unterem Ende und endend bei etwa 1800 Einheiten.
Es werden drei Beispiele für eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen vorgestellt, die auf unterschiedliche Weise hergestellt wurden. Die ersten beiden Beispiele für optoelektronische Bauelemente basieren auf dem AlGaInP-Materialsystem mit einem Aluminiumgehalt in den Barriereschichten von x=0,8 sowie 12 unbeabsichtigt dotierten Quantentopfschichten mit einer Breite von jeweils 3,6 nm. Die in diesen Fällen gemessenen optoelektronischen Bauelemente weisen einen mittleren Beleuchtungswert von 1400 Einheiten auf, wobei das 95 %-Konfidenzintervall von etwa 1250 Einheiten bis 1550 Einheiten reicht. Ohne die zusätzliche Dotierung im aktiven Bereich haben also etwa 50 % der mit dieser herkömmlichen Methode hergestellten optoelektronischen Bauelemente eine Beleuchtungsstärke von 1400 Einheiten.
Im Gegensatz dazu entspricht das äußerste rechte Element optoelektronischen Bauelementen mit demselben Aluminiumgehalt in den Sperrschichten sowie 12 Quantentopfschichten, die jeweils eine Dicke von 4 nm aufweisen. Darüber hinaus wurde der aktive Bereich in den Sperrschichten mit Magnesium als Dotierstoff dotiert. Wie aus dieser Abbildung hervorgeht, hat die Mehrzahl der auf diese Weise hergestellten elektronischen Bauelemente einen um etwa 200 Einheiten höheren Beleuchtungswert als die Bauelemente ohne Magnesiumdotierung, wobei der Median bei etwa 1600 Einheiten liegt. Das 95%ige Konfidenzintervall reicht von 1400 Einheiten bis etwa 1800 Einheiten. Das bedeutet, dass die zusätzliche Dotierung eine Leistungsverbesserung von etwa 14 % bewirkt.
Abgesehen von dem zusätzlichen Dotierstoff im aktiven Bereich ist auch zu beachten, dass die Dicke der Quantentopfschichten mit 4 nm etwa 10% größer ist als in den beiden vorherigen Beispielen mit 3, 6 nm. Diese zusätzliche Schichtdicke sollte jedoch in der Regel zu einem niedrigeren Beleuchtungswert führen und nicht - wie dargestellt - zu einer deutlich erhöhten Beleuchtungsstärke. Folglich kann man davon ausgehen, dass eine Quantentopf-Schichtdicke von 3,6 nm die Leistung sogar noch weiter steigert, wenn der aktive Bereich absichtlich mit einer niedrigen Konzentration dotiert wird. Tatsächlich wurde beobachtet, dass eine Erhöhung des Mg-Gehalts im aktiven Bereich die interne Quanteneffizienz verbessert, bis ein Maximum erreicht wird, über das hinaus ein nachteiliger Effekt eintritt, der die nicht-strahlende Rekombination erhöht.
zeigt ein Beispiel für einen Dotierungsprozess in einem optoelektronischen Bauelement nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Das Diagramm veranschaulicht auch den Verlauf der Dotierung über die Dicke der verschiedenen Schichten, die jeweilige Bandlücke und das Konzentrationsniveau des Dotierstoffs. Die tatsächliche Dotierung kann variieren, da die Dotierstoffe in benachbarte Schichten diffundieren können. Folglich handelt es sich um eine beispielhafte Ausführungsform, die mit verschiedenen Schichten, Dotierstoffkonzentrationen usw. variiert werden kann.
Die n-Typ-Seite weist eine Dicke von etwa 1500 nm auf und enthält einen Aluminiumgehalt im Material mit x im Bereich von 0,7 bis 1,0. Die n-dotierte Schicht umfasst ein Dotierstoffniveau mit einem n-Typ-Dotierstoff DP1, zum Beispiel Tellur oder Silizium. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, kann die Dotierstoffkonzentration variieren und nimmt im Allgemeinen ab, wenn man sich dem aktiven Bereich nähert, beginnend mit einem Dotierstoffniveau von etwa 2e18 Atomen/cm³. Nach der n-Typ-Trägertransportschicht 20 und 20a auf der n-Seite beginnt der aktive Bereich 30 bei etwa 2500 nm. Der aktive Bereich 30, der eine Vielzahl von Quantenbarriere- und Quantentopfschichten umfasst, befindet sich neben dem undotierten Bereich.
Wie im Diagramm dargestellt, wird während der Abscheidung und Herstellung des aktiven Bereichs, d. h. während des Wachstums der verschiedenen Barriere- und Quantentopfschichten, ein zweites Dotiermittel DP2 mit einer geringeren Konzentration im Bereich von einigen 10e16 Atomen/cm³ hinzugefügt. Diese zusätzliche Dotierung weist eine etwas höhere Konzentration auf als die ungewollte Dotierung DP4, die hauptsächlich aus Verunreinigungen und Kristalldefekten besteht. Die unbeabsichtigte Dotierung DP4 liegt im Bereich unter 1e16 Atome/cm³ und ist damit eine Größenordnung niedriger als die beabsichtigte niedrige Dotierung des Materials DP2.
Das für DP2 verwendete Material kann sowohl Zn oder Mg als p-Dotierstoffe als auch Silizium, Si oder Tellur Te als n-Dotierstoffe enthalten. Es hat sich gezeigt, dass Magnesium als p-Typ-Dotierstoff die Leistung des betreffenden Bauelements erhöht. Angrenzend an den aktiven Bereich 30 wird eine p-dotierte Schichtstruktur aufgewachsen. Die p-dotierte Schichtstruktur enthält einen zweiten Dotierstoff DP3, der von einer Anfangskonzentration von etwa 1e17 Atomen/cm³ auf etwa 1e18 Atome/cm³ ansteigt. Folglich kann die Dotierungskonzentration zwischen der n-Seite 30, 30a und der p-Seite 40, 40a nicht nur in Bezug auf ihr minimales und maximales Niveau variieren, sondern auch in diesem tatsächlichen Verlauf der Dotierung, wie dargestellt.
zeigt eine detailliertere Ansicht eines aktiven Bereichs mit einer Vielzahl von Barriere- und Quantentopfschichten in Übereinstimmung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. Die Dicke der Quantentopfschichten und der Barriereschichten beträgt etwa 7 nm, und die Barriereschichten und die Quantentopfschichten haben den gleichen Abstand zueinander. In einigen Fällen und Ausführungsformen kann die Dicke der Quantentopfschichten jedoch geringer sein als die entsprechende Dicke der benachbarten Barriereschichten.
Der Aluminiumgehalt in der Quantentopfschicht umfasst einen Wert x im Bereich zwischen 0 und 0,5, während der Aluminiumgehalt in den Barriereschichten etwa x=0,8 erreicht. Folglich weisen die AlGaInP-Barriereschichten mit dem hohen Al-Gehalt eine Bandlücke von etwa 2,4 eV auf, während die Bandlücke innerhalb der Quantentopfschichten bei etwa 1,9 eV liegt.
Im unteren Teil der ist der Dotierungsgrad für die verschiedenen Barriere- und Quantentopfschichten dargestellt. Wie in den vorangegangenen Beispielen erfolgt die Dotierung mit Mg, Zn, Te oder Si nur während des Wachstums der jeweiligen Barriereschichten, wobei der Dotierstoff kurz nach Beginn des Wachstums der jeweiligen Schicht zugegeben und kurz vor Ende des Wachstums wieder abgesetzt wird.
Während des Wachstums des Materials, das die Quantentopfschicht bildet, wird kein Dotierstoff hinzugefügt. Folglich variiert die Konzentration des Dotierstoffs zwischen den verschiedenen Schichten. Außerdem wurden für die Barriereschichten unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen gewählt. Insbesondere die ersten beiden Barriereschichten 31b und 31c auf der linken Seite (in der Nähe der Schicht 20a) weisen das gleiche Dotierungsniveau auf wie die Barriereschichten 31c und 31b auf der rechten Seite, die an die p-dotierte Trägerschicht angrenzt. Die Dotierstoffkonzentration für diese Sperrschichten liegt im Bereich von 2e16 Atomen/cm³. Die beiden zentral angeordneten Sperrschichten 31d weisen eine höhere Dotierstoffkonzentration im Bereich von etwa 4e16 Atomen/cm³ auf. Es wird deutlich, dass sich das Dotierungsniveau in der Quantentopfschicht durch die Diffusion des Dotierstoffs aus den Barriereschichten in die Quantentopfschichten ändert. Infolgedessen sinkt die Dotierstoffkonzentration in der Quantentopfschicht 32b von der benachbarten Dotierstoffkonzentration 2e16 Atome/cm³ auf etwa 1e16 Atome/cm³. Die benachbarten Quantentopfschichten 32c weisen eine im Wesentlichen linear ansteigende Dotierstoffkonzentration von 2e16 Atomen/cm³ bis 4e16 Atomen/cm³ auf. Dies ist auf das unterschiedliche Dotierungsniveau zwischen der Sperrschicht 31d und 31c zurückzuführen. Außerhalb der äußersten Quantentopfschicht 32a nimmt die Dotierstoffkonzentration kontinuierlich ab.
Dieses Beispiel veranschaulicht die verschiedenen Umsetzungsmöglichkeiten für ein niedrigeres Dotierungsniveau im aktiven Bereich eines optoelektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie aus den Beispielen hervorgeht, kann die Dotierstoffkonzentration aufgrund von Diffusion in den einzelnen Barriere- und Quantentopfschichten variieren und ist in der gesamten Barriere inhomogen. Dennoch kann die Diffusion genutzt werden, um ein gewünschtes Konzentrationsprofil zu erzeugen, wie in bzw. dargestellt.
LISTE DER REFERENZEN

1: optoelektronisches Bauelement
10: Wachstumssubstrat
20: dotierte Ladungstransportschicht
20a: undotierte Schicht
30: aktive Region
31a, 31b, 31c, 31d: Barriereschichten
32a, 32b, 32c: Quantentopfschichten
40: dotierte Ladungstransportschicht
50: Kontaktfläche, strukturierte Maske
60: Öffnung
70: Quantentopf durchmischte Gebiete
DP1, DP2, DP3, DP4: Dotierstoffe
QW: Zinkdiffusionsfläche mit QWI

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2021/072901 PCT [0001]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, das den folgenden Schritt umfasst: - Bereitstellung einer Wachstumssubstratschicht; - Abscheiden einer ersten dotierten [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z Ladungsträger-Transportschicht auf der Substratschicht mit x im Bereich von [0,5;1] entlang einer Wachstumsrichtung; - Abscheiden eines aktiven Bereichs entlang der Wachstumsrichtung, wobei der aktive Bereich so konfiguriert ist, dass er Strahlung erzeugt und eine Vielzahl von abwechselnden [(Al_aGa_1-a)_bIn_1-b]_cP_1-c Quantentopfschichten und [(Al_dGa_1-d)_eIn_1-e]_fP_1-f Barriereschichten umfasst, wobei „a“ im Bereich von [0; 0.5] liegt und „d“ im Bereich von [0,45;1,0], insbesondere im Bereich von [0,60; 1,0] und vor allem zwischen 0,75 und 1,0 liegt; wobei während der Abscheidung mindestens eine der beiden Schichten, die Sperrschicht und/oder die Quantentopfschicht, abgeschieden wird: - Dotierung mit einem Dotierstoff mit einer Konzentration im Bereich von 1e15 Atomen/cm³ bis 5e17 Atomen/cm³ und insbesondere im Bereich von 2e16 Atomen/cm³ bis 7e16 Atomen/cm³ , wobei der Dotierstoff aus mindestens einer der Gruppen Mg, Zn, Te und Si ausgewählt ist; - Abscheidung einer zweiten dotierten Ladungsträger-Transportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit x im Bereich von [0,45;1] entlang der Wachstumsrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dotierung während der Abscheidung mindestens einer Quantenbarriereschicht und insbesondere während der Abscheidung einer Vielzahl von Quantenbarriereschichten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des Dotierstoffs während des Dotierschritts variiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierung mit dem Dotierstoff erfolgt, nachdem die Abscheidung des Materials für die Barriereschicht und/oder die Quantentopfschicht begonnen hat und endet, bevor die Abscheidung des Materials für die Barriereschicht und/oder die Quantentopfschicht beendet wird;
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abscheidung eines aktiven Bereichs die Abscheidung von 3 bis 30 Quantentopfschichten umfasst, wobei die Quantentopfschichten jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 15 nm und die Quantensperrschichten jeweils eine Dicke zwischen 3 nm und 25 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Abscheidens eines aktiven Bereichs ein Ausglühen, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 450°C und 600°C, der abgeschiedenen Vielzahl von alternierenden Quantentopfschichten und Sperrschichten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Aufbringens einer ersten dotierten Ladungsträgertransportschicht das Aufbringen einer undotierten [(Al_xGa_1-x)_y In_1-y]_zP_1-z Schicht vor dem Aufbringen des aktiven Bereichs umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einige der mehreren Sperrschichten einen unterschiedlichen Al-Gehalt aufweisen, wobei der Al-Gehalt innerhalb jeder Sperrschicht konstant ist; und/oder wobei der minimale und maximale Al-Gehalt der verschiedenen Schichten innerhalb des aktiven Bereichs um einen Faktor im Bereich von 1,1 bis 3,5 unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest einige der Barriereschichten unterschiedliche Dicken aufweisen, wobei sich eine minimale und eine maximale Dicke der Barriereschichten in der aktiven Zone um einen Faktor zwischen 1,5 und 6 unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei y und z jeweils im Bereich von [0,45; 0,55] liegen und b und c im Bereich von [0,45; 0,55] liegen.
Das Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das ferner umfasst: - Aufbringen einer strukturierten Maskenschicht; - Abscheidung und Diffusion eines Dotierstoffs durch die zweite dotierte Ladungsträgertransportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z in den aktiven Bereich, um Quantentopf-Mischbereiche zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Dotierstoff bei einer ersten Temperatur abgeschieden wird und bei einer zweiten Temperatur diffundiert, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Dotierstoff Zn ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Diffundieren des Dotierstoffs durch die zweite dotierte Ladungsträgertransportschicht das Bereitstellen von AsH3 oder eines anderen Gases der Gruppe V umfasst.
Optoelektronisches Bauelement, umfassend: - eine erste dotierte Ladungsträger-Transportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z mit x im Bereich von [0;0,5]; - einen aktiven Bereich, der auf der ersten dotierten Ladungsträgertransportschicht angeordnet ist, wobei der aktive Bereich so konfiguriert ist, dass er Strahlung erzeugt, und eine Vielzahl von abwechselnden [(Al_aGa_1-a)_bIn_1-b]_cP_1-c Quantentopfschichten und [(Al_dGa_1-d)_eIn_1-e}_fP_1-f Sperrschichten umfasst, wobei „a“ im Bereich von [0; 0.5] liegt und „d“ im Bereich von [0,45;1,0], insbesondere im Bereich von [0,60; 1,0] und vor allem zwischen 0,75 und 1,0 liegt; - eine zweite dotierte Ladungsträgertransportschicht [(Al_xGa_1-x)_yIn_1-y]_zP_1-z, die auf dem aktiven Bereich mit x im Bereich von [0;0,5] angeordnet ist - wobei mindestens eine der Vielzahl von Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten ein Dotiermittel mit einer Konzentration im Bereich von 1e15 Atomen/cm³ bis 5e17 Atomen/cm³ und insbesondere im Bereich von 2e16 Atomen/cm³ bis 7e16 Atomen/cm³ umfasst, wobei das Dotiermittel aus mindestens einer der Gruppen Mg, Zn, Te und Si ausgewählt ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei der aktive Bereich zwischen 3 und 30 Quantentopfschichten umfasst, wobei die Quantentopfschichten jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 15 nm und die Quantenbarriereschichten jeweils eine Dicke zwischen 3 nm und 25 nm aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 16, ferner umfassend: eine Schicht mit variierender, insbesondere abnehmender Dotierungskonzentration, die zwischen mindestens einer der ersten dotierten Ladungsträgertransportschicht und dem aktiven Bereich angeordnet ist; und/oder eine Schicht mit variierender, insbesondere steigender Dotierstoffkonzentration, die zwischen dem aktiven Bereich und der zweiten dotierten Ladungsträgertransportschicht angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei mindestens einige der mehreren Sperrschichten einen unterschiedlichen Al-Gehalt aufweisen, wobei der Al-Gehalt innerhalb jeder Sperrschicht konstant ist; und/oder wobei ein minimaler und maximaler Al-Gehalt zwischen den verschiedenen Schichten innerhalb des aktiven Bereichs um einen Faktor im Bereich von 1,1 bis 3,5 unterschiedlich ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei sich der Dotierstoff im aktiven Bereich über eine Vielzahl von alternierenden Quantentopfschichten und Barriereschichten erstreckt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner umfassend einen Quantentopf-Mischbereich mit einer Dotierstoffkonzentration, die größer ist als die Dotierstoffkonzentration in dem nicht gemischten Bereich, wobei der Dotierstoff insbesondere Zn umfasst.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei der Quantentopf-Mischbereich an eine Randschnittstelle des optoelektronischen Bauelements angrenzt.