WO2012146668A1 - Strahlung emittierender halbleiterchip mit integriertem esd-schutz - Google Patents

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WO
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protective layer
radiation
semiconductor chip
layer
emitting semiconductor
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Andreas LÖFFLER
Christian LEIRER
Rainer Butendeich
Tobias Meyer
Matthias Peter
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN

Definitions

  • a radiation-emitting semiconductor chip of the type mentioned is described for example in patent application PCT / EP2010 / 070658, the content of which is hereby incorporated by reference.
  • An object to be solved is to specify a radiation-emitting semiconductor chip which is particularly stable against electrostatic discharge pulses, so-called ESD voltage pulses, without this being noticeable
  • the radiation is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl
  • LED chip emitting semiconductor chip to a LED chip, which emits green and / or blue light during operation.
  • the radiation-emitting semiconductor chip has a nitride compound semiconductor material based on
  • Semiconductor layer sequence is a sequence of
  • a semiconductor layer is characterized in particular in that the
  • a Semiconductor layer may comprise a plurality of monolayers of a semiconductor material.
  • Semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises a nitride III / V compound semiconductor material, preferably Al n Ga m I ni- n m , where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1. It must this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants as well as additional ingredients that are the characteristic
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, I n, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the pn junction is located between a p-type region and an n-type region of the semiconductor layer sequence.
  • Radiation generation provided active zone is disposed between the p-type region and the n-type region and includes the pn junction.
  • the active zone is designed in particular as a multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well).
  • MQW multiple quantum well structure
  • first protective layer sequence a first protective layer having selectively introduced crystal defects.
  • “Targeted introduced” here means that in the production of first protective growth parameters, in particular a growth temperature, can be adjusted so that
  • Crystal defects arise.
  • the crystal defects are so-called V defects.
  • a V defect in the nitride compound semiconductor material takes the form of an open pyramid, inverted in the growth direction, which has, for example, a hexagonal base. In cross-section, this defect has the form of a Vs.
  • V defects are formed, for example, in the
  • the nitride compound semiconductor material in the present case is a
  • Growth substrate can be deposited based on GaN or consists of GaN.
  • a majority of the crystal defects have similar dimensions. This means,
  • the crystal defects have similar dimensions, for example, if the base of the crystal defects in a plane perpendicular to
  • microdiodes which have a typical for a semiconductor diode current-voltage characteristic.
  • the microdiodes are not intended to generate electromagnetic radiation, at least not to generate electromagnetic radiation in the visible region.
  • the electrical resistance of the semiconductor layer sequence is preferably in
  • Crystal defects have a lower breakdown voltage in
  • the pn junction of the semiconductor layer sequence in the regions with crystal defects preferably has a higher threshold voltage in the forward direction than in
  • the charge is preferably not diverted through the regions of the active zone intended for generating the radiation but through the regions in which preferably no radiative recombination
  • the second protective layer advantageously has an average doping between 2 * 10 A 18 / cm A 3 and
  • a preferred mean doping for the second protective layer is 6 * 10 A 18 / cm A 3.
  • the second protective layer is preferably n-doped, suitable dopants being, for example, silicon or germanium.
  • Discharge pulses provided.
  • the second protective layer due to their higher
  • the first protective layer are formed comparatively thin, which morphological disturbances while maintaining the ESD stability can be reduced.
  • the brightness can be increased compared to a previous semiconductor chip.
  • the further protective layer may be arranged between the first protective layer and the active region.
  • Protective layer preferably has a lower doping than the first protective layer.
  • the first protective layer preferably has a lower doping than the first protective layer.
  • the further protective layer is nominally undoped. Nominally undoped means that at the
  • Electrostatic discharge can be further increased by means of such a further protective layer, without the thickness of the active zone upstream in the direction of growth Semiconductor material must be significantly increased overall. The risk of a reduced optical output power due to an increased layer thickness can be avoided or at least reduced.
  • a thickness of the further protective layer is between 2 nm and 15 inclusive, more preferably between
  • the further protective layer contains In x Gai- x N.
  • the indium content x is preferably smaller than the indium content of the quantum layers of the active zone. Further preferably, the indium content is greater than the indium content of the first protective layer.
  • the radiation-emitting semiconductor chip has an ESD resistance of at least 1 kV through the first and second protective layer.
  • ESD resistance of at least 1 kV through the first and second protective layer.
  • an ESD strength of at least 1 kV, typically about 2 kV, is achieved.
  • the ESD strength can be further increased.
  • Protective layer has a thickness between 20 nm and 100 nm.
  • the thickness is between 20 nm and 80 nm.
  • the second protective layer preferably has a thickness between 2 nm and 50 nm, preferably between 2 nm and 30 nm, particularly preferably between 2 nm and 15 nm.
  • the second protective layer is 5 nm thick.
  • the density of the crystal defects remains unchanged.
  • the density of the crystal defects is at least
  • the first protective layer is grown, in which the crystal defects are arranged.
  • specified density refers in particular to the case of epitaxy on a sapphire, SiC or GaN substrate.
  • the active zone is arranged downstream of the first and the second protective layer in the direction of growth. That is, in the production of the
  • Protective layer arranged at a distance greater than zero to the active zone. That is, the second protective layer and the active zone do not directly adjoin one another.
  • the second protective layer is arranged at a distance of at least 20 nm and at most 100 nm, preferably 60 nm, to the active zone.
  • Protective layer disposed between the first protective layer and the active zone.
  • the second is
  • the injection layer is intended to enhance the electron injection into the active zone.
  • the injection layer is advantageously between the second
  • the thickness of the injection layer preferably assumes values between 20 nm and 100 nm.
  • the injection layer may have a superlattice structure, that is, alternately arranged layers of different material composition.
  • the injection layer may comprise alternately arranged InGaN layers and GaN layers.
  • the GaN layers may be n-doped, wherein as a dopant
  • the InGaN layers may be n-doped or undoped.
  • the further protective layer is preferably between the
  • Injection layer and the active zone arranged. Further preferred is the further protective layer of one of
  • a separating layer can be formed between the further protective layer and the nearest quantum layer.
  • the further protective layer thus adjoins material on both sides which is more heavily doped than the other
  • the adjacent material is at least twice as heavily doped.
  • the further protective layer may be arranged on the side of the first protective layer facing away from the active region.
  • the second protective layer has a higher doping than the Injection layer.
  • the average doping of the second protective layer is higher than the average doping of the injection layer.
  • the middle one is higher than the middle one
  • a material composition and / or the doping of at least one of the three layers comprising the first protective layer, the second protective layer and the injection layer within the respective layer changes.
  • the first protective layer may have a constant material composition and in particular may be formed from GaN.
  • the material composition in the first protective layer changes.
  • the first protective layer may include at least two sub-layers, one of which is formed of GaN and the other of InGaN, for example.
  • the first protective layer is n-doped.
  • Doping may be constant within the first protective layer. However, it is also possible that the doping changes within the first protective layer. At a
  • the first protective layer comprises at least two partial layers, of which those of the second
  • Protective layer facing sub-layer has a lower doping than that facing away from the second protective layer
  • the second protective layer may also have at least two partial layers of different material composition and / or doping. There will be a method of producing a radiation
  • the method includes, for example, the following steps: First, a growth substrate is provided. In a subsequent method step, a first protective layer, a second protective layer and an active zone following the first and second protective layer may be epitaxially deposited. The first protective layer is deposited at a growth temperature at which
  • the actual temperature range suitable for producing the crystal defects depends on the growth plant used. It can be determined by growing a first protective layer at different temperatures and selecting a temperature range in which the density of the crystal defects is sufficient or particularly high. In the present case, a temperature range of less than 920 ° C., in particular of at least 790 ° C. and at most 870 ° C. is selected, at which the first protective layer is deposited. This temperature range has proven to be suitable for the formation of crystal defects, in the region of which the so-called microdiodes form, through which charge can be dissipated in the case of an ESD pulse.
  • the first protective layer is in particular at a
  • Carrier gas nitrogen (N2) grown This growth mode has proven to be particularly advantageous for generating
  • the material of the growth substrate has a lattice mismatch with the material of the semiconductor layer sequence to be grown.
  • the growth substrate used is sapphire, SiC or GaN, and the following Semiconductor layer sequence is based on a nitride compound semiconductor material. In this case arise
  • Crystal defects in particular V defects, in particularly high density.
  • the second protective layer is particularly grown on the first protective layer and compared to the first
  • Protective layer is provided.
  • the method is particularly suitable for the production of a semiconductor chip described above. Therefore, features described in connection with the semiconductor chip can also be used for the method and vice versa.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of one here
  • the emitting semiconductor chip 1 comprises a substrate 10 and a semiconductor layer sequence 2 which is arranged on the substrate 10.
  • the substrate 10 may include or consist of sapphire.
  • the semiconductor layer sequence 2 is preferably based on a nitride compound semiconductor material.
  • the semiconductor layer sequence 2 has an n-doped one
  • Both the n-doped region 8 and the p-doped region 9 can have several
  • Semiconductor layers include, not all of the
  • the semiconductor layer sequence 2 comprises a first protective layer 3 and a second protective layer 5.
  • the first protective layer 3 is arranged in a growth direction W on the n-doped region 8.
  • the second protective layer 5 is disposed in the growth direction W on the first protective layer 3.
  • the semiconductor layer sequence 2 has an active zone 7 for generating radiation, which is arranged downstream of the first and the second protective layer 3, 5 in the growth direction W. Between the active zone 7 and the second protective layer 5, an injection layer 6 is arranged.
  • the radiation-emitting semiconductor chip 1 is of
  • the thread dislocations 11 represent potential paths for an ESD voltage pulse whose electrical charge is dissipated in the reverse direction of the pn junction.
  • Semiconductor chip 1 is formed with crystal defects 4.
  • the crystal defects 4 are formed on the lines of the thread dislocations 11.
  • Thread displacements 11 a microdiode Thread displacements 11 a microdiode.
  • Semiconductor chips 1 is arranged in particular directly on the first protective layer 3.
  • the second protective layer 5 provides for a homogenization of the flow of current through the microdiodes.
  • the semiconductor layer sequence 2 has in areas with
  • Semiconductor layer sequence 2 has the same or essentially the same breakdown voltage in these regions.
  • the breakdown voltage of the pn junction in the regions with crystal defects 4 is smaller than that
  • Breakdown voltage in the areas without crystal defects The so-called micro-diodes therefore open simultaneously in the event of an ESD voltage pulse in the reverse direction.
  • the semiconductor chip 1 is preferably an electrical
  • the second protective layer 5 ensures a uniform charge distribution to the ensemble of microdiodes.
  • a critical current density is not achieved at any of the paths, which leads to the destruction of the radiation-emitting semiconductor chip 1.
  • a thickness d 1 of the first protective layer 3 can be reduced.
  • the thickness dl The first protective layer 3 assumes values between 20 nm and 100 nm, in particular between 20 nm and 80 nm.
  • the second protective layer 5 is thinner than the first one
  • the thickness d2 of the second protective layer 5 may assume values between 2 nm and 15 nm.
  • the second protective layer 5 is a highly doped layer with a mean n-type doping between 2 * 10 A 18 / cm A 3 and 2 * 10 A 19 / cm A 3 and a preferred average n-type doping of 6 * 10 A 18 / cm a 3.
  • the first protective layer 3 a lower average n-type doping, in particular between 0 and 4 * 10 18 a / cm a 3, preferably 1.5 * 10 a 18 / cm 3 a, is.
  • the injection layer 6 disposed between the second protective layer 5 and the active region 7 is provided for improving the electron injection into the active region 7. Furthermore, the injection layer 6 advantageously has a
  • the injection layer 6 comprises a sequence of layers
  • the mean In content in the injection layer 6 is greater than in the n-doped region 8 and smaller than in the active zone 7.
  • the average n-type doping of the injection layer 6 is less than the average n-type doping of the second
  • Injection layer 6 assumes in particular values between 0 and 4 * 10 A 18 / cm A 3, preferably the value 5 * 10 A 17 / cm A 3. Deviating from the exemplary embodiment described, the semiconductor layer sequence may have a further protective layer (not explicitly illustrated in FIG. 1). The others
  • Protective layer may be provided alternatively to the second protective layer or in addition to the second protective layer. This will be explained in more detail in connection with FIG.
  • FIG. 2 shows the material composition and doping for a first variant of a semiconductor layer sequence of a radiation-emitting semiconductor chip described here.
  • the upper diagram of FIG. 2 shows in the abscissa direction the growth direction W of the semiconductor layer sequence.
  • the first protective layer 3 consists of GaN.
  • the second protective layer 5 is formed of GaN.
  • the injection layer 6 comprises a superlattice structure with a sequence of GaN layers and InGaN layers, wherein an In proportion x1 of the InGaN layers is between 0 and 0.12, preferably 0.06.
  • the injection layer 6 can have up to 20 periods of a sequence of GaN layers and InGaN layers.
  • the active zone 7 has a
  • the active zone 7 can in particular between 3 and 7 periods a sequence of GaN layers and InGaN layers
  • the first protective layer 3 has a constant doping n 1, which is 1.5 * 10 A 18 / cm A 3.
  • the second one is the first protective layer 3 .
  • Protective layer 5 a constant doping n2, which is higher than the doping nl and 6 * 10 A 18 / cm A 3.
  • the thickness d2 of the second protective layer 5 is 5 nm.
  • the injection layer 6 likewise has a constant doping n3, which is lower than the dopants n1 and n2 of the first and the second protective layer 3, 5
  • the thickness d3 of the injection layer 6 corresponds to the distance of the second
  • FIG. 3 shows the material composition and doping for a second variant of a semiconductor layer sequence of a radiation-emitting semiconductor chip described here.
  • the first protective layer 3 is formed from InGaN with an In component x1.
  • the second protective layer 5 may be formed of GaN or InGaN.
  • the injection layer 6 comprises a superlattice structure with a sequence of GaN layers, which may also contain In, and InGaN layers, wherein the In content x2 of the InGaN layers is greater than the In content x1 of the first protective layer 3.
  • the injection layer 6 may in particular have up to 20 periods of a sequence of (In) GaN layers and InGaN layers.
  • the first protective layer 3 is modulation-doped. That is, the first protective layer 3 is modulation-doped.
  • the dopants n2 and n3 of the second protective layer 5 and of the injection layer 6 can assume the same values as already mentioned in connection with the lower diagram of FIG. The same applies to the thicknesses d1, d2 and d3.
  • the material composition and doping shown in FIG. 4 for a third variant of a semiconductor layer sequence substantially corresponds to the first variant described in connection with FIG. In contrast to this, the semiconductor layer sequence 2 has a further protective layer 12. On the second protective layer is in this
  • the further protective layer 12 described below can therefore also be used in particular in the variants described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the further protective layer 12 is between the first
  • Multiple quantum structure of the active region 7 is one
  • the further protective layer 7 is doped with a doping concentration n 2, which is at most half as high as the
  • the further protective layer is nominally undoped.
  • Protective layer 3 the injection layer 6 and the separation layer 13 have the same doping concentration.
  • doping concentrations of these layers may differ.
  • the doping concentration of the further protective layer is at most half as high as the doping concentration of the other on both sides
  • a thickness d4 of the further protective layer 12 is preferably between 2 nm and 15 nm inclusive, more preferably between 4 nm and 7 nm, for example 5 nm.
  • the further protective layer 12 is therefore substantially thinner than the first protective layer.
  • a thickness of the separation layer 13 is preferably between 2 nm inclusive and 15 nm inclusive.
  • the further protective layer 12 contains In x Ga- x N with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the indium content x is preferably smaller than the indium content of the quantum layers 71 of the active zone 7. Furthermore, the indium content of the further protective layer is greater than that
  • the further protective layer 12 can also be arranged on the side of the first protective layer 3 facing away from the active zone 7.
  • the ESD-strength can be improved without requiring the total thickness of the

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Abstract

Es wird ein Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) mit einer auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierenden Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem pn-Übergang angegeben umfassend - eine erste Schutzschicht (3), die gezielt eingebrachte Kristalldefekte (4) aufweist, wobei die erste Schutzschicht (3) zum Schutz des Halbleiterchips (1) vor elektrostatischen Entladungspulsen vorgesehen ist, - eine aktive Zone (7) zur Strahlungserzeugung, die der ersten Schutzschicht (3, 5) in Wachstumsrichtung (W) nachgeordnet ist, wobei sich im Betrieb des Halbleiterchips (1) ein Durchbruchverhalten der Halbleiterschichtenfolge (2) in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten (4) von Bereichen ohne Kristalldefekte unterscheidet, und wobei bei elektrostatischen Entladungspulsen elektrische Ladung homogen verteilt über die Bereiche mit Kristalldefekten (4) abgeleitet wird.

Description

Beschreibung
Strahlung emittierender Halbleiterchip mit integriertem ESD- Schutz
Es wird ein Strahlung emittierender Halbleiterchip mit integriertem ESD- („Electro-static Discharge") Schutz
angegeben. Ein Strahlung emittierender Halbleiterchip der genannten Art ist beispielsweise in der Patentanmeldung PCT/EP2010/070658 beschrieben, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlung emittierenden Halbleiterchip anzugeben, der besonders stabil ist gegen elektrostatische Entladungspulse, so genannte ESD- Spannungspulse, ohne dass dies mit einem merklichen
Strahlungsverlust einhergeht.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Strahlung
emittierenden Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb grünes und/oder blaues Licht emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlung emittierende Halbleiterchip eine auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basierende
Halbleiterschichtenfolge auf. Unter einer
Halbleiterschichtenfolge ist dabei eine Abfolge von
Halbleiterschichten zu verstehen. Eine Halbleiterschicht ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Materialzusammensetzung innerhalb der Schicht nicht oder kaum ändert und/oder dass der Bereich, den die Schicht bildet, eine bestimmte Funktion im Halbleiterchip wahrnimmt. Eine Halbleiterschicht kann dabei eine Vielzahl von Monolagen eines Halbleitermaterials umfassen.
Weiterhin bedeutet „auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" im vorliegenden Zusammenhang, dass die
Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamI ni-n-mN umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen
physikalischen Eigenschaften des AlnGamI ni-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips einen pn-Übergang auf. Der pn-Übergang befindet sich zwischen einem p-leitenden Bereich und einem n- leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge. Die zur
Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone ist zwischen dem p-leitenden Bereich und dem n-leitenden Bereich angeordnet und umfasst den pn-Übergang. Die aktive Zone ist insbesondere als Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, Multiple Quantum Well) ausgebildet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine erste Schutzschicht, die gezielt eingebrachte Kristalldefekte aufweist. "Gezielt eingebracht" bedeutet hierbei, dass bei der Herstellung der ersten Schutzschicht Wachstumsparameter, insbesondere eine Wachstumstemperatur, so eingestellt werden, dass
Kristalldefekte entstehen. Insbesondere sind die Kristalldefekte sogenannte V-Defekte. Ein V-Defekt hat im Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial beispielsweise die Form einer offenen, in Wachstumsrichtung invertierten Pyramide, die beispielsweise eine hexagonale Grundfläche aufweist. Im Querschnitt hat dieser Defekt die Form eines Vs . V-Defekte bilden sich beispielsweise im
Bereich von Fadenversetzungen (englisch: threading
dislocations ) aus, die zum Beispiel bei der Heteroepitaxie des Halbleitermaterials auf ein Wachstumssubstrat entstehen, das eine andere Gitterkonstante als das Halbleitermaterial aufweist. Beispielsweise wird das Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial vorliegend auf ein
Wachstumssubstrat aus Saphir aufgewachsen, zu dem das Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial eine Gitterfehlanpassung von zirka 14 % aufweist. Fadenversetzungen werden jedoch auch bei der Homoepitaxie beobachtet, so dass die
Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel auch auf ein
Wachstumssubstrat abgeschieden werden kann, das auf GaN basiert oder aus GaN besteht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Großteil der Kristalldefekte ähnliche Abmessungen auf. Das heißt,
wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 75 % oder im
Extremfall 100 % der Kristalldefekte weisen ähnliche
Abmessungen auf. Die Kristalldefekte weisen dabei ähnliche Abmessungen auf, wenn beispielsweise die Grundfläche der Kristalldefekte in einer Ebene senkrecht zur
Wachstumsrichtung höchstens um ±25 %, insbesondere höchstens um ±10 % um einen Mittelwert der Grundfläche der Kristalldefekte in dieser Ebene schwankt. Das heißt, ein Großteil der Kristalldefekte zeichnet sich dann durch eine gleiche oder ähnliche Grundfläche aus. Im Bereich der
Kristalldefekte mit ähnlichen Abmessungen weist die
Halbleiterschichtenfolge ein gleichartiges
Durchbruchverhalten auf, was sich vorzugsweise in
gleichartigen elektrischen Eigenschaften bemerkbar macht. Insbesondere ist ein elektrischer Widerstand in Sperrrichtung in diesen Bereichen etwa gleich groß.
Der pn-Übergang der Halbleiterschichtenfolge führt im Bereich der Kristalldefekte zu sogenannten Mikrodioden, welche eine für eine Halbleiterdiode typische Strom-Spannungskennlinie aufweisen. Im Betrieb des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips findet im Bereich der Kristalldefekte
vorzugsweise keine strahlende Rekombination von
Ladungsträgern statt. Das heißt, die Mikrodioden sind nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, zumindest nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich, vorgesehen.
Vorzugsweise unterscheidet sich im Betrieb des
Halbleiterchips ein Durchbruchverhalten der
Halbleiterschichtenfolge in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten von Bereichen ohne Kristalldefekte, wobei bei elektrostatischen Entladungspulsen elektrische Ladung homogen verteilt über die Bereiche mit Kristalldefekten abgeleitet wird. Durch die homogene Ladungsverteilung können kritische Stromdichten im Halbleiterchip verhindert werden, die zu einer Schädigung des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips führen würden. Weiterhin ist im Betrieb des Halbleiterchips vorzugsweise der elektrische Widerstand der Halbleiterschichtenfolge in
Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten gegenüber Bereichen ohne Kristalldefekte reduziert. Mit Vorteil weist die Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen mit
Kristalldefekten eine niedrigere Durchbruchspannung in
Sperrrichtung auf als in den Bereichen ohne Kristalldefekte.
Weiterhin weist der pn-Übergang der Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen mit Kristalldefekten vorzugsweise eine höhere Einsatzspannung in Durchlassrichtung auf als in
Bereichen ohne Kristalldefekte. Dadurch findet im Betrieb insbesondere in den Bereichen der aktiven Zone, die keine Kristalldefekte aufweisen, strahlende Rekombination statt. Weiterhin wird die Ladung bei einem ESD-Puls bevorzugt nicht durch die für die Strahlungserzeugung vorgesehenen Bereiche der aktiven Zone abgeleitet, sondern durch die Bereiche, in welchen vorzugsweise keine strahlende Rekombination
stattfindet .
Problematisch ist jedoch, dass durch die Kristalldefekte der ersten Schutzschicht die Morphologie des Halbleitermaterials verschlechtert wird, was mit einem Strahlungsverlust
einhergehen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine zweite Schutzschicht, die eine höhere Dotierung aufweist als die erste Schutzschicht.
Insbesondere ist die mittlere Dotierung der zweiten
Schutzschicht höher als die mittlere Dotierung der ersten Schutzschicht. Die zweite Schutzschicht weist mit Vorteil eine mittlere Dotierung zwischen 2*10A18/cmA3 und
2*10A19/cmA3 auf. Eine bevorzugte mittlere Dotierung für die zweite Schutzschicht beträgt 6*10 A18/cmA3. Besonders
bevorzugt ist die zweite Schutzschicht n-dotiert, wobei als Dotierstoffe beispielsweise Silizium oder Germanium in Frage kommen .
Insbesondere sind die erste und die zweite Schutzschicht zum Schutz des Halbleiterchips vor elektrostatischen
Entladungspulsen vorgesehen. Vorteilhafterweise kann mittels der zweiten Schutzschicht, die aufgrund ihrer höheren
Dotierung zu einer Homogenisierung des Stromflusses beiträgt, die erste Schutzschicht vergleichsweise dünn ausgebildet werden, wodurch morphologische Störungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der ESD-Stabilität reduziert werden können. Mittels der verbesserten Kristallqualität kann gegenüber einem bisherigen Halbleiterchip die Helligkeit gesteigert werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine weitere Schutzschicht. Die weitere Schutzschicht kann zwischen der ersten Schutzschicht und dem aktiven Bereich angeordnet sein. Die weitere
Schutzschicht weist vorzugsweise eine niedrigere Dotierung auf als die erste Schutzschicht. Vorzugsweise ist die
Dotierung der weiteren Schutzschicht höchstens halb so hoch wie die Dotierung der ersten Schutzschicht. Besonders
bevorzugtist die weitere Schutzschicht nominell undotiert ausgebildet. Nominell undotiert bedeutet, dass bei der
Herstellung keine Dotierstoffe gezielt in das Material der weiteren Schutzschicht eingebracht werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Stabilität gegenüber
elektrostatischer Entladung mittels einer solchen weiteren Schutzschicht weiter erhöht werden kann, ohne dass die Dicke des der aktiven Zone in Wachstumsrichtung vorgeordneten Halbleitermaterials insgesamt wesentlich erhöht werden muss. Die Gefahr einer verringerten optischen Ausgangsleistung aufgrund einer vergrößerten Schichtdicke kann so vermieden oder zumindest vermindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt eine Dicke der weiteren Schutzschicht zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15, besonders bevorzugt zwischen
einschließlich 4 nm und 7 nm, beispielsweise 5 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält die weitere Schutzschicht InxGai-xN. Der Indiumgehalt x ist bevorzugt kleiner als der Indiumgehalt der Quantenschichten der aktiven Zone. Weiterhin bevorzugt ist der Indiumgehalt größer als der Indiumgehalt der ersten Schutzschicht.
Der Strahlung emittierende Halbleiterchip weist durch die erste und zweite Schutzschicht eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV auf. Beispielsweise wird eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV, typisch von etwa 2 kV erreicht. Mittels der weiteren Schutzschicht kann die ESD-Festigkeit weiter erhöht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste
Schutzschicht eine Dicke zwischen 20 nm und 100 nm auf.
Insbesondere beträgt die Dicke zwischen 20 nm und 80 nm.
Weiterhin weist die zweite Schutzschicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 2 nm und 50 nm, bevorzugt zwischen 2 nm und 30 nm, besonders bevorzugt zwischen 2 nm und 15 nm auf.
Insbesondere ist die zweite Schutzschicht 5 nm dick. Je dünner die erste Schutzschicht ausgebildet wird, umso kleiner wird der Durchmesser der Kristalldefekte. Die Dichte der Kristalldefekte bleibt jedoch unverändert. Vorzugsweise beträgt die Dichte der Kristalldefekte wenigstens
5*10A7/cmA2. Beispielsweise beträgt die Dichte der
Kristalldefekte wenigstens 10A8/cmA2. Dies kann
beispielsweise durch eine entsprechende Wachstumstemperatur erreicht werden, bei der die erste Schutzschicht aufgewachsen wird, in der die Kristalldefekte angeordnet sind. Die
angegebene Dichte bezieht sich dabei insbesondere auf den Fall der Epitaxie auf ein Saphir, SiC oder GaN -Substrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die aktive Zone der ersten und der zweiten Schutzschicht in Wachstumsrichtung nachgeordnet. Das heißt, bei der Herstellung der
Halbleiterschichtenfolge werden zunächst die erste und zweite Schutzschicht und nachfolgend die aktive Zone aufgewachsen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite
Schutzschicht in einem Abstand größer Null zur aktiven Zone angeordnet. Das heißt, die zweite Schutzschicht und die aktive Zone grenzen nicht unmittelbar aneinander.
Insbesondere ist die zweite Schutzschicht in einem Abstand von mindestens 20 nm und höchstens 100 nm, vorzugsweise von 60 nm, zur aktiven Zone angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite
Schutzschicht zwischen der ersten Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet. Insbesondere ist die zweite
Schutzschicht direkt auf der ersten Schutzschicht angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine Injektionsschicht auf. Insbesondere ist die Injektionsschicht dafür vorgesehen, die Elektroneninjektion in die aktive Zone zu verbessern. Die Injektionsschicht ist mit Vorteil zwischen der zweiten
Schutzschicht und der aktiven Zone angeordnet. Die Dicke der Injektionsschicht nimmt vorzugsweise Werte zwischen 20 nm und 100 nm an. Die Injektionsschicht kann eine Übergitterstruktur aufweisen, das heißt abwechselnd angeordnete Schichten verschiedener Materialzusammensetzung. Beispielsweise kann die Injektionsschicht abwechselnd angeordnete InGaN-Schichten und GaN-Schichten aufweisen. Darüber hinaus können die GaN- Schichten n-dotiert sein, wobei als Dotierstoff
beispielsweise Silizium in Frage kommt. Die InGaN-Schichten können hierbei n-dotiert oder undotiert sein. Die weitere Schutzschicht ist bevorzugt zwischen der
Injektionsschicht und der aktiven Zone angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist die weitere Schutzschicht von einer der
weiteren Schutzschicht nächstgelegenen Quantenschicht der aktiven Zone beabstandet. Insbesondere kann zwischen der weiteren Schutzschicht und der nächstgelegenen Quantenschicht eine Trennschicht ausgebildet sein. Bevorzugt ist die
Trennschicht stärker dotiert als die weitere Schutzschicht. Die weitere Schutzschicht grenzt also auf beiden Seiten an Material an, das stärker dotiert ist als die weitere
Schutzschicht. Bevorzugt ist das angrenzende Material mindestens doppelt so stark dotiert.
Alternativ kann die weitere Schutzschicht auf der dem aktiven Bereich abgewandten Seite der ersten Schutzschicht angeordnet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Schutzschicht eine höhere Dotierung auf als die Injektionsschicht. Insbesondere ist die mittlere Dotierung der zweiten Schutzschicht höher als die mittlere Dotierung der Injektionsschicht. Beispielsweise kann die mittlere
Dotierung in der Injektionsschicht Werte zwischen 0 und
4*10 A18/cmA3, insbesondere den Wert 5*10 A17/cmA3, annehmen.
Weiterhin kann die mittlere Dotierung der ersten
Schutzschicht Werte zwischen 0 und 4*10 A18/cmA3, insbesondere den Wert 1.5*10 A18/cmA3, annehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich eine Materialzusammensetzung und/oder die Dotierung von mindestens einer der drei Schichten umfassend die erste Schutzschicht, die zweite Schutzschicht und die Injektionsschicht innerhalb der jeweiligen Schicht.
Beispielsweise kann die erste Schutzschicht eine gleich bleibende Materialzusammensetzung aufweisen und insbesondere aus GaN gebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich die Materialzusammensetzung in der ersten Schutzschicht ändert. Zum Beispiel kann die erste Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten aufweisen, von welchen beispielsweise die eine aus GaN und die andere aus InGaN gebildet ist. Insbesondere ist die erste Schutzschicht n-dotiert. Die
Dotierung kann innerhalb der ersten Schutzschicht konstant sein. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Dotierung innerhalb der ersten Schutzschicht ändert. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten, von denen die der zweiten
Schutzschicht zugewandte Teilschicht eine geringere Dotierung aufweist als die der zweiten Schutzschicht abgewandte
Teilschicht . Entsprechend kann auch die zweite Schutzschicht mindestens zwei Teilschichten verschiedener Materialzusammensetzung und/oder Dotierung aufweisen. Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlung
emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art
angegeben. Das heißt, die für das Verfahren beschriebenen Merkmale sind auch für den Halbleiterchip offenbart und umgekehrt .
Das Verfahren umfasst beispielsweise die folgenden Schritte: Zunächst wird ein Wachstumssubstrat bereitgestellt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt können eine erste Schutzschicht, eine zweite Schutzschicht und eine aktive Zone, die der ersten und zweiten Schutzschicht nachfolgt, epitaktisch abgeschieden werden. Die erste Schutzschicht wird bei einer Wachstumstemperatur abgeschieden, bei der
Kristalldefekte in hoher Dichte entstehen.
Üblicherweise versucht man bei der Epitaxie das Auftreten der Kristalldefekte zu vermeiden. Vorliegend wird jedoch zu
Erzeugung der sogenannten Mikrodioden die erste Schutzschicht bei niedrigen Wachstumstemperaturen aufgewachsen, um
Kristalldefekte, insbesondere V-Defekte, in ausreichender Dichte zu erzeugen. Der tatsächliche Temperaturbereich, der zur Erzeugung der Kristalldefekte geeignet ist, hängt dabei von der verwendeten Wachstumsanlage ab. Er kann ermittelt werden, indem eine erste Schutzschicht bei unterschiedlichen Temperaturen gewachsen wird, und ein Temperaturbereich ausgewählt wird, bei dem die Dichte der Kristalldefekte ausreichend oder besonders hoch ist. Vorliegend wird ein Temperaturbereich von weniger 920°C, insbesondere von wenigstens 790° C und höchstens 870° C gewählt, bei dem die erste Schutzschicht abgeschieden wird. Dieser Temperaturbereich hat sich als geeignet zur Bildung von Kristalldefekten herausgestellt, in deren Bereich sich die sogenannten Mikrodioden bilden, über die bei einem ESD- Puls Ladung abgeführt werden kann.
Die erste Schutzschicht wird insbesondere bei einer
Wachstumstemperatur von höchstens 920°C, insbesondere unter Verwendung eines Tri-Ethyl-Gallium Precursors mit dem
Trägergas Stickstoff (N2) aufgewachsen. Dieser Wachstumsmodus hat sich als besonders vorteilhaft zur Erzeugung von
Kristalldefekten, insbesondere V-Defekten, mit ähnlichen Abmessungen und damit zur Erzeugung von Mikrodioden mit einem gleichartigen Durchbruchverhalten, insbesondere mit
gleichartigen elektrischen Eigenschaften, herausgestellt. Im Unterschied zu üblichen Wachstumsbedingungen für
beispielsweise n-dotierte GaN-Schichten, bei denen die
Schichten mit einem Tri-Methyl-Gallium Precursor mit dem Trägergas Wasserstoff (H2) aufgewachsen werden, entstehen unter diesen Wachstumsbedingungen geometrisch sehr ähnliche Kristalldefekte in großer Dichte. Mit anderen Worten wird das Wachstum in lateraler Richtung, quer zur Wachstumsrichtung beschränkt. Auf diese Weise entstehen Kristalldefekte
insbesondere an Versetzungslinien in einer klar definierten Schicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Material des Wachstumssubstrats eine Gitterfehlanpassung zum Material der aufzuwachsenden Halbleiterschichtenfolge auf. Beispielsweise wird als Wachstumssubstrat Saphir, SiC oder GaN gewählt, und die nachfolgende Halbleiterschichtenfolge basiert auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial. In diesem Fall entstehen
Kristalldefekte, insbesondere V-Defekte, in besonders großer Dichte .
Die zweite Schutzschicht wird insbesondere auf die erste Schutzschicht aufgewachsen und im Vergleich zur ersten
Schutzschicht mit einer höheren mittleren Dotierung und dünner ausgebildet.
Das beschriebene Verfahren eignet sich selbstverständlich auch für die Herstellung eines Strahlung emittierenden
Halbleiterchips, bei dem alternativ zur zweiten Schutzschicht oder zusätzlich zur zweiten Schutzschicht eine weitere
Schutzschicht vorgesehen ist. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen Halbleiterchips. Im Zusammenhang mit dem Halbleiterchip beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
Im Folgenden wird der hier beschriebene Strahlung
emittierende Halbleiterchip anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Anhand der Figur 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines
Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art beschrieben.
Anhand der Diagramme der Figuren 2 und 3 werden zwei
verschiedene Varianten für die
Materialzusammensetzung und Dotierung der ersten und zweiten Schutzschicht sowie der
Injektionsschicht und der aktiven Zone eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art angegeben.
Anhand des Diagramms der Figur 4 wird eine dritte Variante für die Materialzusammensetzung und Dotierung der
Schutzschichten sowie der Injektionsschicht und der aktiven Zone eines Strahlung emittierenden Halbleiterchips der oben genannten Art angegeben. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hier
beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Strahlung
emittierende Halbleiterchip 1 umfasst ein Substrat 10 und eine Halbleiterschichtenfolge 2, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist. Das Substrat 10 kann Saphir enthalten oder daraus bestehen. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert vorzugsweise auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist einen n-dotierten
Bereich 8 und einen p-dotierten Bereich 9 auf, wobei zwischen dem n-dotierten Bereich 8 und dem p-dotierten Bereich 9 ein pn-Übergang ausgebildet ist. Sowohl der n-dotierte Bereich 8 als auch der p-dotierte Bereich 9 können mehrere
Halbleiterschichten umfassen, wobei nicht jede der
Halbleiterschichten dotiert sein muss. Weiterhin umfasst die Halbleiterschichtenfolge 2 eine erste Schutzschicht 3 und eine zweite Schutzschicht 5. Die erste Schutzschicht 3 ist in einer Wachstumsrichtung W auf dem n- dotierten Bereich 8 angeordnet. Die zweite Schutzschicht 5 ist in der Wachstumsrichtung W auf der ersten Schutzschicht 3 angeordnet .
Darüber hinaus weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine aktive Zone 7 zur Strahlungserzeugung auf, die der ersten und der zweiten Schutzschicht 3, 5 in der Wachstumsrichtung W nachgeordnet ist. Zwischen der aktiven Zone 7 und der zweiten Schutzschicht 5 ist eine Injektionsschicht 6 angeordnet. Der Strahlung emittierende Halbleiterchip 1 ist von
Versetzungen, beispielsweise so genannten Fadenversetzungen 11 durchzogen. Diese treten insbesondere bei der
Heteroepitaxie des Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials auf Saphir in hoher Dichte auf. Die Fadenversetzungen 11 stellen dabei potentielle Pfade für einen ESD-Spannungspuls dar, dessen elektrische Ladung in Sperrrichtung des pn-Übergangs abgeleitet wird.
Die erste Schutzschicht 3 des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips 1 ist mit Kristalldefekten 4 ausgebildet. Insbesondere entstehen die Kristalldefekte 4 an den Linien der Fadenversetzungen 11. Der pn-Übergang der
Halbleiterschichtenfolge 2 führt in Bereichen mit
Kristalldefekten 4 zu sogenannten Mikrodioden, über welche die durch die Fadenversetzungen 11 gebildeten Leckstrompfade in der ersten Schutzschicht 3 gekapselt werden. Vorzugsweise umfassen wenigstens 75 %, besonders bevorzugt alle
Fadenversetzungen 11 eine Mikrodiode. Die zweite Schutzschicht 5 des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips 1 ist insbesondere direkt auf der ersten Schutzschicht 3 angeordnet. Die zweite Schutzschicht 5 sorgt für eine Homogenisierung des Stromflusses über die Mikrodioden .
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist in Bereichen mit
Kristalldefekten 4 insbesondere ein gleichartiges
Durchbruchverhalten auf, das heißt insbesondere, die
Halbleiterschichtenfolge 2 weist in diesen Bereichen die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Durchbruchspannung auf. Die Durchbruchspannung des pn-Übergangs in den Bereichen mit Kristalldefekten 4 ist dabei kleiner als die
Durchbruchspannung in den Bereichen ohne Kristalldefekte. Die sogenannten Mikrodioden öffnen daher bei einem ESD- Spannungspuls in Sperrrichtung gleichzeitig. Im Betrieb des Halbleiterchips 1 ist vorzugsweise ein elektrischer
Widerstand der Halbleiterschichtenfolge 2 in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten 4 gegenüber Bereichen ohne Kristalldefekte reduziert. Damit fließt die durch den ESD- Spannungspuls eingeprägte Ladung nicht über den oder die schwächsten Leckpfade entlang der Versetzungslinien 11 ab, sondern die Ladung verteilt sich auf das Ensemble der
Mikrodioden. Weiterhin sorgt die zweite Schutzschicht 5 für eine gleichmäßige Ladungsverteilung auf das Ensemble der Mikrodioden. Damit wird an keinem der Pfade eine kritische Stromdichte erreicht, die zur Zerstörung des Strahlung emittierenden Halbleiterchips 1 führt. Es findet ein quasi¬ zweidimensionaler Durchbruch über die gesamte
Querschnittsfläche des Strahlung emittierenden
Halbleiterchips 1 statt, sodass eine ESD-Festigkeit von wenigstens 1 kV, beispielsweise von typisch 2 kV erreicht wird.
Durch Einführung der zweiten Schutzschicht 5 kann eine Dicke dl der ersten Schutzschicht 3 reduziert werden. Die Dicke dl der ersten Schutzschicht 3 nimmt Werte zwischen 20 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 20 nm und 80 nm, an. Die zweite Schutzschicht 5 ist dünner ausgebildet als die erste
Schutzschicht 3. Beispielsweise kann die Dicke d2 der zweiten Schutzschicht 5 Werte zwischen 2 nm und 15 nm annehmen.
Weiterhin ist die zweite Schutzschicht 5 eine hochdotierte Schicht mit einer mittleren n-Dotierung zwischen 2*10A18/cmA3 und 2*10A19/cmA3 und einer bevorzugten mittleren n-Dotierung von 6*10 A18/cmA3. Hingegen weist die erste Schutzschicht 3 eine geringere mittlere n-Dotierung auf, die insbesondere zwischen 0 und 4*10 A18/cmA3, bevorzugt 1.5*10 A18/cmA3, beträgt .
Die zwischen der zweiten Schutzschicht 5 und der aktiven Zone 7 angeordnete Injektionsschicht 6 ist zur Verbesserung der Elektroneninjektion in die aktive Zone 7 vorgesehen. Ferner erfolgt durch die Injektionsschicht 6 mit Vorteil eine
Materialanpassung zwischen dem n-dotierten Bereich 8 und der aktiven Zone 7, die insbesondere einen höheren In-Anteil aufweist als der n-dotierte Bereich 8. Vorzugsweise umfasst die Injektionsschicht 6 eine Abfolge von Schichten
verschiedener Materialzusammensetzung. Insbesondere ist der mittlere In-Anteil in der Injektionsschicht 6 größer als in dem n-dotierten Bereich 8 und kleiner als in der aktiven Zone 7.
Weiterhin ist die mittlere n-Dotierung der Injektionsschicht 6 geringer als die mittlere n-Dotierung der zweiten
Schutzschicht 5. Die mittlere n-Dotierung der
Injektionsschicht 6 nimmt insbesondere Werte zwischen 0 und 4*10A18/cmA3, bevorzugt den Wert 5*10A17/cmA3 an. Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann die Halbleiterschichtenfolge eine weitere Schutzschicht aufweisen (in Figur 1 nicht explizit dargestellt) . Die weitere
Schutzschicht kann alternativ zur zweiten Schutzschicht oder ergänzend zur zweiten Schutzschicht vorgesehen sein. Dies wird im Zusammenhang mit der Figur 4 näher erläutert.
Mögliche Materialzusammensetzungen und Dotierungen für die erste und zweite Schutzschicht 3, 5 sowie die
Injektionsschicht 6 und die aktive Zone 7 gehen aus den
Diagrammen der Figuren 2 und 3 hervor.
Die Figur 2 zeigt die Materialzusammensetzung und Dotierung für eine erste Variante einer Halbleiterschichtenfolge eines hier beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips.
Das obere Diagramm der Figur 2 zeigt in Abszissenrichtung die Wachstumsrichtung W der Halbleiterschichtenfolge. Auf der Ordinatenachse ist die Energie Eg der Bandlücke für die verschiedenen Halbleiterschichten 3, 5, 6, 7 der
Halbleiterschichtenfolge aufgetragen. Wie zu sehen ist, besteht die erste Schutzschicht 3 aus GaN. Auch die zweite Schutzschicht 5 ist aus GaN gebildet. Die Injektionsschicht 6 umfasst eine Übergitterstruktur mit einer Abfolge von GaN- Schichten und InGaN-Schichten, wobei ein In-Anteil xl der InGaN-Schichten zwischen 0 und 0.12, vorzugsweise 0.06, beträgt. Die Injektionsschicht 6 kann insbesondere bis zu 20 Perioden einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten aufweisen. Die aktive Zone 7 weist eine
Mehrfachquantentopfstruktur auf, die aus einer Abfolge von
GaN-Schichten und InGaN-Schichten gebildet ist, wobei ein InAnteil der InGaN-Schichten beispielsweise x2 = 0.3 beträgt. Die aktive Zone 7 kann insbesondere zwischen 3 und 7 Perioden einer Abfolge von GaN-Schichten und InGaN-Schichten
aufweisen .
In dem unteren Diagramm der Figur 2 ist die n-Dotierung D der verschiedenen Halbleiterschichten 3, 5 , 6, 7 der
Halbleiterschichtenfolge gegenüber der Wachstumsrichtung W aufgetragen. Mögliche Dotierstoffe sind Silizium oder
Germanium. Wie aus dem unteren Diagramm hervorgeht, weist die erste Schutzschicht 3 eine konstante Dotierung nl auf, die 1.5*10 A18/cmA3 beträgt. Die erste Schutzschicht 3 weist eine Dicke dl = 60 nm auf. Weiterhin weist auch die zweite
Schutzschicht 5 eine konstante Dotierung n2 auf, die höher ist als die Dotierung nl und 6*10A18/cmA3 beträgt. Die Dicke d2 der zweiten Schutzschicht 5 beträgt hierbei 5 nm. Die Injektionsschicht 6 weist ebenfalls eine konstante Dotierung n3 auf, die geringer ist als die Dotierungen nl und n2 der ersten und der zweiten Schutzschicht 3, 5. Die
Injektionsschicht 6 ist d3 = 60 nm dick. Die Dicke d3 der Injektionsschicht 6 entspricht dem Abstand der zweiten
Schutzschicht 5 von der aktiven Zone 7, der somit 60 nm beträgt .
Die Figur 3 zeigt die Materialzusammensetzung und Dotierung für eine zweite Variante einer Halbleiterschichtenfolge eines hier beschriebenen Strahlung emittierenden Halbleiterchips.
Wie aus dem oberen Diagramm der Figur 3 hervorgeht, ist die erste Schutzschicht 3 aus InGaN mit einem In-Anteil xl gebildet. Die zweite Schutzschicht 5 kann aus GaN oder InGaN gebildet sein. Weiterhin umfasst die Injektionsschicht 6 eine Übergitterstruktur mit einer Abfolge von GaN-Schichten, die ebenfalls In enthalten können, und InGaN-Schichten, wobei der In-Anteil x2 der InGaN-Schichten größer ist als der In-Anteil xl der ersten Schutzschicht 3. Die Injektionsschicht 6 kann insbesondere bis zu 20 Perioden einer Abfolge von (In) GaN- Schichten und InGaN-Schichten aufweisen. Die aktive Zone 7 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, die aus einer Abfolge von ( In) GaN-Schichten und InGaN-Schichten gebildet ist, wobei der In-Anteil der InGaN-Schichten beispielsweise x3 = 0.3 beträgt.
Wie aus dem unteren Diagramm der Figur 3 hervorgeht, ist die erste Schutzschicht 3 modulationsdotiert. Das heißt, die
Dotierung ändert sich innerhalb der ersten Schutzschicht 3. In einer der zweiten Schutzschicht 5 abgewandten Teilschicht der ersten Schutzschicht 3 mit der Dicke dla ist die
Dotierung nla höher als in einer der zweiten Schutzschicht 5 zugewandten Teilschicht mit der Dicke dlb. Die Dotierungen n2 und n3 der zweiten Schutzschicht 5 und der Injektionsschicht 6 können die gleichen Werte annehmen, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem unteren Diagramm der Figur 2 erwähnt wurden. Entsprechendes gilt für die Dicken dl, d2 und d3.
Die in Figur 4 gezeigte Materialzusammensetzung und Dotierung für eine dritte Variante einer Halbleiterschichtenfolge entspricht im Wesentlichen der im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen ersten Variante. Im Unterschied hierzu weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine weitere Schutzschicht 12 auf. Auf die zweite Schutzschicht ist in diesem
Ausführungsbeispiel verzichtet. Davon abweichend kann die weitere Schutzschicht aber auch zusätzlich zur zweiten
Schutzschicht vorgsehen sein. Die nachfolgend beschriebene weitere Schutzschicht 12 kann daher insbesondere auch bei den anhand der Figuren 2 und 3 beschriebenen Varianten Anwendung finden . Die weitere Schutzschicht 12 ist zwischen der ersten
Schutzschicht 3 und der aktiven Zone 7, insbesondere zwischen der Injektionsschicht 6 und der aktiven Zone, angeordnet. Zwischen der weiteren Schutzschicht 12 und einer der weiteren Schutzschicht nächstgelegenen Quantenschicht 71 der
Mehrfachquantenstruktur der aktiven Zone 7 ist eine
Trennschicht 13 angeordnet. Die weitere Schutzschicht 7 ist mit einer Dotierkonzentration n2 dotiert, die höchstens halb so hoch ist wie die
Dotierkonzentration nl, mit der die erste Schutzschicht 3 dotiert ist. Bevorzugt ist die weitere Schutzschicht nominell undotiert .
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die erste
Schutzschicht 3, die Injektionsschicht 6 und die Trennschicht 13 dieselbe Dotierkonzentration auf. Die
Dotierkonzentrationen dieser Schichten können jedoch auch voneinander abweichen. Bevorzugt ist die Dotierkonzentration der weiteren Schutzschicht höchstens halb so hoch wie die Dotierkonzentration der auf beiden Seiten der weiteren
Schutzschicht unmittelbar angrenzenden Schichten. Eine Dicke d4 der weiteren Schutzschicht 12 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 4 nm und 7 nm, beispielsweise 5 nm. Die weitere Schutzschicht 12 ist also wesentlich dünner als die erste Schutzschicht.
Eine Dicke der Trennschicht 13 beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 15 nm. Die weitere Schutzschicht 12 enthält InxGai-xN mit 0 < x < 1. Der Indiumgehalt x ist bevorzugt kleiner als der Indiumgehalt der Quantenschichten 71 der aktiven Zone 7. Weiterhin ist der Indiumgehalt der weiteren Schutzschicht größer als der
Indiumgehalt der ersten Schutzschicht und größer als der maximale Indium-Gehalt der Injektionsschicht 6.
Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend kann die weitere Schutzschicht 12 auch auf der der aktiven Zone 7 abgewandten Seite der ersten Schutzschicht 3 angeordnet sein.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die undotierte oder zumindest verglichen mit den angrenzenden Schichten schwach dotierte weitere Schutzschicht die ESD-Festigkeit verbessert werden kann, ohne dass hierfür die Gesamtdicke der
Schutzschichten wesentlich erhöht werden muss.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 100 037.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) mit
einer auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial
basierenden Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem pn- Übergang umfassend
- eine erste Schutzschicht (3) , die gezielt eingebrachte Kristalldefekte (4) aufweist,
- eine zweite Schutzschicht (5) , die eine höhere Dotierung (n2) aufweist als die erste Schutzschicht (3), wobei die erste Schutzschicht (3) zum Schutz des Halbleiterchips (1) vor elektrostatischen Entladungspulsen vorgesehen ist,
- eine aktive Zone (7) zur Strahlungserzeugung, die der ersten Schutzschicht (3) in Wachstumsrichtung (W)
nachgeordnet ist, wobei
sich im Betrieb des Halbleiterchips (1) ein
Durchbruchverhalten der Halbleiterschichtenfolge (2) in
Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten (4) von
Bereichen ohne Kristalldefekte unterscheidet, und wobei bei elektrostatischen Entladungspulsen elektrische Ladung homogen verteilt über die Bereiche mit Kristalldefekten (4)
abgeleitet wird.
2. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine zweite
Schutzschicht (5) aufweist, wobei die zweite Schutzschicht eine höhere Dotierung (n2) aufweist als die erste
Schutzschicht (3) und zum Schutz des Halbleiterchips (1) vor elektrostatischen Entladungspulsen vorgesehen ist.
3. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 2, wobei die zweite Schutzschicht (5) n-dotiert ist und eine mittlere Dotierung (n2) zwischen 2*10A18/cmA3 und 2*10A19/cmA3 beträgt.
4. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei
die zweite Schutzschicht (5) eine Dicke (d2) zwischen 2 nm und 50 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 15 nm, aufweist.
5. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei
die zweite Schutzschicht (5) in einem Abstand größer Null, insbesondere in einem Abstand von mindestens 20 nm und höchstens 100 nm, zur aktiven Zone (7) angeordnet ist.
6. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei
die zweite Schutzschicht (5) zwischen der ersten
Schutzschicht (3) und der aktiven Zone (7) angeordnet ist.
7. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Halbleiterschichtenfolge (2) eine Injektionsschicht (6) aufweist, die zwischen der zweiten Schutzschicht (5) und der aktiven Zone (7) angeordnet ist.
8. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 7, wobei die Injektionsschicht (6) eine Schichtenfolge abwechselnd angeordneter InGaN-Schichten und GaN-Schichten umfasst .
9. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 7, wobei die zweite Schutzschicht (5) eine höhere Dotierung (n2) aufweist als die Injektionsschicht (6).
10. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei
sich eine Materialzusammensetzung und/oder die Dotierung (nl, n2, n3) von mindestens einer der drei Schichten (3, 5, 6) umfassend die erste Schutzschicht (3) , die zweite
Schutzschicht (5) und die Injektionsschicht (6) innerhalb der jeweiligen Schicht ändert.
11. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei
die erste Schutzschicht (3) mindestens zwei Teilschichten aufweist, von denen die der zweiten Schutzschicht (5)
zugewandte Teilschicht eine geringere Dotierung (nlb)
aufweist als die der zweiten Schutzschicht abgewandte
Teilschicht.
12. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die erste Schutzschicht (5) eine Dicke (dl) zwischen 20 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 20 nm und 80 nm, aufweist.
13. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Kristalldefekte (4) V-Defekte sind und ein Großteil der Kristalldefekte (4) ähnliche Abmessungen aufweist.
14. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb des
Halbleiterchips (1) ein elektrischer Widerstand der
Halbleiterschichtenfolge (2) in Sperrrichtung in Bereichen mit Kristalldefekten (4) gegenüber Bereichen ohne
Kristalldefekte reduziert ist.
15. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der pn-Übergang der
Halbleiterschichtenfolge (2) in den Bereichen mit
Kristalldefekten (4) eine höhere Einsatzspannung in
Durchlassrichtung aufweist als in Bereichen ohne
Kristalldefekte .
16. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte der
Kristalldefekte (4) wenigstens 5*10A7/cmA2 beträgt.
17. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine weitere Schutzschicht (12) aufweist, wobei die weitere Schutzschicht (12) eine niedrigere Dotierung aufweist als die erste Schutzschicht (3) .
18. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 17, wobei die weitere Schutzschicht (12) undotiert ist.
19. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die weitere Schutzschicht (12) zwischen der ersten Schutzschicht (3) und der aktiven Zone (7) angeordnet ist .
20. Strahlung emittierender Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die weitere Schutzschicht (12) eine Dicke zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich
15 nm aufweist.
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