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Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Bei kommerziellen auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Halbleiterbauelementen ist die Vorderseite, d.h. die
von einem Aufwachssubstrat abgewandte Seite einer Halbleiterschichtenfolge,
in der Regel derart dotiert, dass sie pleitend ist. Dies liegt insbesondere
in der Tatsache begründet, dass
kommerzielle GaAs-Substrate in der erforderlichen Qualität nur als
n-dotierte Substrate verfügbar sind,
auf denen zunächst
eine n-dotierte epitaktische Halbleiterstruktur aufgebracht wird.
Aus diesem Grunde werden elektrische Kontakte bei auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Halbleiterschichtenfolgen bislang fast ausschließlich auf
pdotierten Schichten erzeugt.
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„Auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierend" bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass ein derart bezeichnetes Bauelement
oder Teil eines Bauelements vorzugsweise AlnGamIn1-n-mP umfasst,
wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 uns n+m ≤ 1. Dabei
muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung
nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere
Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des
Materials im Wesentlichen nicht ändern.
Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P), auch wenn diese
teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
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Unter Außenschichten sind im Folgenden Halbleiterschichten
einer Halbleiterschichtenfolge zu verstehen, denen auf einer Seite
zumindest in Teilbereichen keine weiteren Halbleiterschichten nachgeordnet
sind.
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Strukturen mit auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Halbleiterschichtenfolgen, bei denen eine Außenschicht
nleitend dotiert ist, sowie Verfahren zu dessen Herstellung sind
beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
10308322.7 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit
durch Rückbezug aufgenommen
wird.
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In letzter Zeit gewinnen auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierende Bauelemente mit n-leitend dotierten Außenschichten
vermehrt an Bedeutung, was insbesondere auch elektromagnetische Strahlung
emittierende Bauelemente dieser Art betrifft.
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe ein deratiges, elektromagnetische Strahlung emittierendes
Bauelement bereitzustellen,. das eine verbesserte Strahlungsausbeute
und/oder einen verbesserten elektrisch leitenden Kontakt zwischen
der Außenschicht
und einem Kontaktmaterial aufweist.
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Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich für
das Bauelement aus den Unteransprüchen 2 bis 13.
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Bei einem Bauelement gemäß der Erfindung weist
die Außenschicht
zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis x:(1-x), mit 0,4 ≤ x ≤ 1 auf.
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Bei auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Bauelementen mit p-leitend dotierten Außenschichten
weisen diese Außenschichten üblicherweise
einen möglichst
niedrigen Al-Gehalt
auf, da sich mit steigendem Al-Gehalt deren elektrische Kontaktierbarkeit
verschlechtert. Bei n-leitend dotierten Außenschichten von auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Bauelementen wurde dagegen die überraschende Feststellung gemacht,
dass sich die Kontaktierbarkeit der Außenschicht ab einem gewissen
Al-Anteil mit steigendem Al-Gehalt
zunächst
verbessert, um darauf ein Maximum zu durchlaufen und mit weiter
steigendem Al-Gehalt wieder schlechter zu werden.
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Zudem konnte unerwartet festgestellt
werden, dass sich bei elektromagnetische Strahlung emittierenden
Bauelementen ab etwa dem gleichen Al-Anteil in der Außenschicht,
ab dem eine Verbesserung der Kontaktierbarkeit beobachtet werden
konnte, die Strahlungsausbeute des Bauelements mit steigendem Al-Gehalt verbessert.
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Über
den Al-Gehalt bzw. über
das Verhältnis von
Al und Ga in der Außenschicht
lässt sich
demnach sowohl die Strahlungsausbeute eines Bauelements als auch
die elektrische Kontaktierbarkeit der Außenschicht deutlich verbessern.
Je nachdem ob beispielsweise die Kontaktierbarkeit der Außenschicht
oder die Strahlungsausbeute von größerer Bedeutung sind kann im
Rahmen der Erfindung bei einem Verhältnis x:(1-x) von Al zu Ga
in der Außenschicht
ein Wert x, der knapp größer ist
als 0,4, oder ein Wert, der deutlich größer ist als 0,4 besonders vorteilhaft
sein.
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In einer Ausführungsform des Bauelements ist
x vorteilhafterweise größer als
oder gleich 0,45. In einer weiteren Ausführungsform ist x mit Vorteil
größer oder
gleich 0,5 Bevorzugt beträgt
der Wert für
x maximal 0,65. Alternativ beträgt
x bevorzugt maximal 0,6.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Außenschicht
zumindest zum Teil (AlxGa1-x)yIn1-yP umfasst,
wobei y ≤ 1.
Analog dem vorhergehend mit der Formel AlnGamIn1-n- mP
bezeichneten Material muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch
exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann
es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen,
die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen
nicht ändern.
Der Einfachheit halber beinhaltet auch die Formel (Alx- Ga1-x)yIn1-y nur
die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P),
auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt
sein können.
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Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtenfolge eine
zwischen der Außenschicht
und der aktiven Zone angeordnete Stromaufweitungsschicht auf, die zumindest
teilweise Al und Ga in einem Verhältnis a:(1-a) aufweist, mit
0,4 ≤ a ≤ 1. Ähnlich wie
bei der Außenschicht
kann sich ein derartiger Al-Gehalt bzw. ein derartiges Verhältnis von
Al und Ga auch in der Stromaufweitungsschicht vorteilhaft auf Eigenschaften
des Bauelements auswirken.
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Für
den Parameter a sind in zwei vorteilhaften Ausführungsformen des Bauteils Werte
von mindestens 0,45 bzw. von mindestens 0,5 vorgesehen.
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Bevorzugt entspricht das Verhältnis von
Al und Ga zumindest in Teilen der Stromaufweitungsschicht im Wesentlichen
einem Verhältnis
von Al und Ga in Teilen der Außenschicht.
Dadurch kann beispielsweise die Epitaxie zum Aufwachsen der Stromaufweitungsschicht
und der Außenschicht
vereinfacht sein.
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Das auf die Außenschicht aufgebrachte elektrische
Kontaktmaterial weist bevorzugt Au und mindestens einen Dotierstoff
auf, wobei der Dotierstoff mindestens ein Element aus der Gruppe
bestehend aus Ge, Si, Sn und Te enthält.
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Besonders bevorzugt beträgt der Anteil
des Dotierstoffs im elektrischen Kontaktmaterial höchstens
5 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens
3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1
und einschließlich
1,5 Gewichtsprozent.
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Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge
des Bauelements ist zweckmäßigerweise
eine Leuchtdioden-Schichtenfolge, mit besonderem Vorteil für eine Dünnfilm-Leuchtdiode.
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Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich
insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus:
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- – an
einer zu einem Trägerelement
hin gewandten ersten Hauptfläche
einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht
aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der
Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in
diese zurückreflektiert;
- – die
Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger,
insbesondere im Bereich von 10 μm
auf; und
- – die
Epitaxieschichtenfolge enthält
mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die
eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer
annähernd
ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge
führt,
d.h. sie weist ein möglichst
ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips
ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63
(16), 18. Oktober 1993, 2174 – 2176
beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug
aufgenommen wird.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen
eines Bauelements wird in einem Verfahrensschritt eine epitaktisch
gewachsene Halbleiterschichtenfolge bereitgestellt, die n-leitendes
auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierendes Material, eine elektromagnetische
Strahlung emittierende aktive Zone sowie eine Außenschicht umfasst. Die Außenschicht weist
hierbei zumindest teilweise Al und Ga in einem Verhältnis x:(1-x),
mit 0,4 ≤ x ≤ 1 auf. Nachfolgend wird
elektrisches Kontaktmaterial auf die Außenschicht aufgebracht sowie
die Halbleiterschichtenfolge getempert.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen
und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich
aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 und 2 erläuterten
Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektromagnetische Strahlung
emittierenden Bauelements und
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2 die
Strahlungsausbeute von elektromagnetische Strahlung emittierenden
Bauelementen mit unterschiedlichen Werten für x in Abhängigkeit von x.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind
gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die
Größenverhältnisse der
Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr
sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben
groß dargestellt.
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Das in 1 gezeigte
Bauelement 1 ist eine Dünnfilm-Leuchtdiode und umfasst
eine auf einem Trägersubstrat 14 angeordnete
epitaktische Hableiterschichtenfolge 8, die eine strahlungserzeugende aktive
Zone und an ihrer vom Trägersubstrat
abgewandten Seite eine Außenschicht 7 umfasst.
Zwischen der aktiven Zone und der Außenschicht 7 ist eine
Stromaufweitungsschicht 17 angeordnet.
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Die Außenschicht 7 weist
n-leitendes auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierendes Material auf und kann beispielsweise aus (AlxGa1-x)0,5 In0,5P bestehen, wobei x z . B . 0, 55 beträgt. Dieser Wert
für x ergibt
eine gute elektrische Kontaktierbarkeit der Außenschicht 4 mittels
einer Kontaktschichtenfolge 2. Diese weist beispielsweise
eine etwa 10 nm dicke Ti-Schicht 16, ein Kontaktmaterial 3 aus Au:Ge
mit etwa 1 Gewichtsprozent Ge sowie Anschlußmaterial 6 auf und
ist auf der Außenschicht aufgebracht.
Dabei dient die Ti-Schicht 16 u.a. zur besseren Haftung
des Kontaktmaterials und kann im Sinne der Erfindung auch als Bestandteil
des Kontaktmaterials selbst angesehen werden. Das Anschlußmaterial 6 umfasst
eine auf dem Kontaktmaterial 3 aufgebrachte Sperrschicht 4,
die, aus Stickstoff dotiertem TiW besteht, sowie eine auf der Sperrschicht 4 angeordneten
Bondschicht 5 aus Aluminium. Die Stromaufweitungsschicht 17 kann
ebenfalls aus einem auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierenden
Material bestehen und weist Al und Ga etwa im gleichen Verhältnis wie
die Außenschicht auf.
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Die verschiedenen Materialschichten
der elektrischen Kontaktschichtenfolge 2 können beispielsweise
durch Lithographie mittels Maskenschichten und Aufdampfen aufgebracht
werden. Die Oberfläche
der Bondschicht 5 ist geeignet, um einen Bond-Draht anzuschließen.
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Die Kontaktschicht 3 kann
alternativ aus zwei Teilschichten bestehen, von denen eine beispielsweise
eine 10 nm dicke Ge-Schicht
und die andere z.B. eine 200 nm dicke Au-Schicht sein kann. Hierbei
sind beide Reihenfolgen möglich.
Ebenfalls möglich
ist eine Kontaktschicht, die aus einer Legierung von beispielsweise
88 Gewichtsprozenz Au und 12 Gewichtsprozent Ge besteht, was für diese
Materialien die eutektische Zusammensetzung ist.
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Die aktive Zone weist beispielsweise
einen strahlungserzeugenden pn-Übergang
oder eine strahlungserzeugende Einfach- oder Mehrfach-Quantentopfstruktur auf.
Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher
nicht näher
erläutert.
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Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 8 ist
mittels einer Lotschicht 11 mit dem Trägersubstrat 14 verbunden.
Zwischen der Lotschicht 11 und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 sind,
von der Lotschicht 11 aus gesehen, eine Sperrschicht 10 sowie
eine AuZn-Schicht 9 angeordnet. Zwischen der Lotschicht 11 und
dem Trägersubstrat 14 sind
von der Lotschicht 11 aus gesehen eine weitere Sperrschicht 12 sowie
eine elektrische Zwischenkontaktschicht 13 aufgebracht.
Auf der von der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 8 abgewandten
Seite des Trägersubstrats 14 ist
ein elektrischer Rückseitenkontakt 15 aufgebracht.
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Das Trägersubstrat 14 kann
beispielsweise aus GaAs bestehen, die Zwischenkontaktschicht 13 und
der Rückseitenkontakt 15 können im
Wesentlichen aus Au:Ge gebildet sein. Die Lotschicht 11 besteht
z.B. aus AuSn.
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Eine Möglichkeit, die Halbleiterschichtenfolge 8 herzustellen,
ist, sie mit der Außenschicht 7 beginnend
auf einem Aufwachssubstrat aufzuwachsen. Nachfolgend wird das Aufwachssubstrat
zumindest teilweise von der Außenschicht 7 entfernt.
Dabei kann die Außenschicht 7 mit
Tellur dotiert sein, z.B. mit einer Konzentration von etwa 1·1019 cm-3.
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Die Halbleiterschichtenfolge wird
vor oder nach dem Entfernen des Aufwachssubstrats auf das Trägersubstrat 14 aufgebracht.
Nachfolgend dem Entfernen des Aufwachssubstrats wird die Kontaktschichtenfolge 2 aufgebracht
und wird das Bauelement getempert. Das Tempern kann beispielsweise bei
etwa 400°C
sowie ausreichend lange durchgeführt
werden, so dass zwischen der Kontaktschichtenfolge 2 und
der Außenschicht 8 ein
gut leitender elektrischer Kontakt ausgebildet wird, der sich in
guter Näherung
ohmsch verhält.
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Bei dem in 2 gezeigten Graphen ist die gemessene
Strahlungsausbeute Φ verschiedenener Bauelemente
in Abhängigkeit
von x (in Prozent) des jeweiligen Bauelements aufgetragen, wobei
x:(1-x) das Verhältnis
von Al und Ga in der Außenschicht
bezeichnet. Bis auf den Wert für
x sind die vermessenen Bauelemente im Wesentlichen gleich und entsprechen
jeweils einem Bauelement gemäß dem anhand 1 erläuterten Ausführungsbeispiel.
Die Außenschicht 7 besteht
aus (AlxGa1- x)yIn1-yP,
mit y ungefähr 0,5
.
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Φ-Werte
von Bauelementen mit x zwischen knapp 0,35 und knapp 0,65 sind aufgetragen.
Die Strahlungsausbeute Φ nimmt
mit steigendem x zu, wobei Φ(x≈0,65) gegenüber Φ(x≈0,35) um etwa
50 % erhöht
ist.
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Zusätzlich zu den in 2 dargestellten Messungen
wurde die Beobachtung gemacht, dass die elektrische Kontaktierbarkeit
von Außenschichten 7 mit
x≈0,35 relativ
schlecht ist und sich ab x≈0,4
mit steigendem x zunächst
verbessert, obwohl sich die Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 gleichzeitig
etwas verringert. Abhängig
vom Kontaktmaterial verschlechtert sich die Kontaktierbarkeit ab
einem gewissen Wert von x mit steigendem x wieder. Ab x≈0,65 erscheint
es problematisch, mittels Au:Ge einen ausreichend gut leitenden
elektrischen Kontakt zu der Außenschicht 7 zu
realisieren, was sich mit weiter steigendem Wert für x verstärkt.
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Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits
beschrieben, können
ganz unterschiedliche Werte für
x von Vorteil sein, je nachdem wie groß beispielsweise die Bedeutung
der Kontaktierbarkeit der Außenschicht 7,
der Strahlungsausbeute oder der Querleitfähigkeit der Außenschicht 7 für das konkrete Bauele ment
ist. Dies kann insbesondere auch von den Materialien der Kontaktschichtenfolge 2 und
von dem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes
zu der Außenschicht 7 abhängen. Demnach
stellt der Wert für
x von ungefähr
0,55, der vorhergehend im anhand 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
genannt wurde, keineswegs einen für alle Fälle optimalen Wert im Sinne
der Erfindung dar. Vielmehr ist er als ein Beispiel zu verstehen,
das unter bestimmten Aspekten besonders vorteilhaft sein kann.
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Die Beschreibung des Verfahrens und
des Bauteils anhand der Ausführungsbeispiele
ist selbstverständlich
nicht als Beschränkung
der Erfindung auf diese anzusehen. Beipielsweise kann die epitaktische
Halbleiterschichtenfolge mit einer nleitenden auf Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierenden Außenschicht
abschließend
aufgewachsen sein, so dass diese von vornherein exponiert ist und
direkt elektrisch kontaktiert werden kann. Zudem muss dass Kontaktmaterial
und/oder das Anschlußmaterial nicht
in Form einer Schicht aufgebracht werden. Vielmehr kann das elektrische
Kontaktmaterial auch in beliebiger Form und auch auf mehrere, nicht
zusammenhängende
Bereiche verteilt. aufgebracht werden. Die Erfindung umfasst jedes
neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede
Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn
diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.