WO2020127429A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einer zwischenschicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einer zwischenschicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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Definitions

  • a light emitting diode is a light emitting device based on semiconductor materials.
  • LED light-emitting diodes based on the AlGaN material system are used to provide light sources in the deep ultraviolet (DUV) range.
  • DUV deep ultraviolet
  • efforts are being made to increase the efficiency of light-emitting diodes based on the AlGaN material system.
  • the present invention is based on the object of providing an improved optoelectronic semiconductor component and an improved method for producing an optoelectronic semiconductor component.
  • An optoelectronic semiconductor component comprises a first semiconductor layer of a first conductivity type, the first semiconductor layer having the composition Al x Gai x N.
  • the optoelectronic semiconductor component further comprises a second semiconductor layer of a second conductivity type, an active zone between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the active zone having a quantum well structure, and an intermediate layer between the first semiconductor layer and the active zone.
  • the intermediate layer comprises a semiconductor material with the composition Al y Gaai y N, with x * 1.05 ⁇ y ⁇ 1.
  • the intermediate layer has a layer thickness greater than 2 nm, greater than 8 nm or greater than 40 nm.
  • the layer thickness of the intermediate layer can be less than 100 nm.
  • the intermediate layer is undoped.
  • the intermediate layer can be of the first conductivity type.
  • the intermediate layer can have a layer stack with alternately stacked first partial layers and second partial layers.
  • the first partial layers have the composition Al y ' Gaai y' N (0 ⁇ y ' ⁇ 1) with a
  • the second partial layers have the composition Al y " Gaai- y" N (0 ⁇ y '' ⁇ y') and a layer thickness d''.
  • the average Al content of the intermediate layer 125 in this case is defined as follows:
  • the layer thicknesses of the first and second partial layers can each be greater than 1 nm and less than 10 nm.
  • the first and second sublayers can form a superlattice.
  • the maximum layer thickness of the superlattice can be less than 100 nm.
  • the first semiconductor layer has the composition Al x Ga x N with 0.3 ⁇ x ⁇ 0.95.
  • the intermediate layer can directly adjoin the active zone.
  • an aluminum content of the intermediate layer can increase or decrease with increasing distance from the active zone.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component comprises forming a first semiconductor layer of a first conductivity type, the first semiconductor layer having the composition Al x Gai- x N.
  • the method further includes forming a second semiconductor layer of a second conductivity type, forming an active zone between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the active zone having a quantum well structure, and forming an intermediate layer between the first semiconductor layer and the active zone.
  • the intermediate layer comprises a semiconductor material with the composition Al y Gaai y N, with x * 1.05 ⁇ y ⁇ 1.
  • the first semiconductor layer can be formed from a metal-supersaturated gas mixture.
  • the intermediate layer can be formed from a metal-supersaturated gas mixture. Since a degree of metal supersaturation for the intermediate layer can be lower than for the first semiconductor layer. For example, the degree of metal supersaturation for the growth of the intermediate layer can be at least 10% smaller than for the growth of the first semiconductor layer.
  • the optoelectronic semiconductor component has an optoelectronic device as described above. The opto-electronic device can be made from a UV
  • Disinfection device a UV curing device or a UV measuring device can be selected.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • Fig. 2A shows details of an intermediate layer according to embodiments.
  • 2B shows the emitted light output as a function of a layer thickness of the intermediate layer.
  • Fig. 3A shows a measurement result of a measurement with the transmission electron microscope.
  • 3B shows a further result of a measurement with the transmission electron microscope.
  • 4A shows a cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component according to further embodiments.
  • 4B shows a measurement of the internal quantum efficiency at a temperature of 12 K.
  • 4C shows a measurement of the internal quantum efficiency when measured at room temperature.
  • FIG. 5A shows a cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component according to further embodiments.
  • 5B and 5C each show results of the measurement of photoluminescence.
  • Fig. 7 shows an optoelectronic device according to embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafers and structures are to be understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, possibly supported by a base, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material can be grown on a growth substrate made of a second semiconductor material or of an insulating material, for example on a sapphire substrate. Further examples of materials for growth substrates include glass, silicon dioxide, quartz, silicon, SiC, A1N, GaN or a ceramic.
  • the semiconductor material described in the context of the present description can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials which are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds, by means of which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as, for example, GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, phosphide semiconductor compounds
  • green or long-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other half conductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2Ü3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon germanium and germanium.
  • substrate generally encompasses insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal are intended to describe an orientation or alignment that is essentially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can lie, for example, in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • vertical is intended to describe an orientation which is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-resistance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be connected directly to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • electrically connected also includes tunnel contacts between the connected elements.
  • optoelectronic semiconductor devices examples include, among others, semiconductor laser devices, such as surface emitting semiconductor laser devices, photodetectors, sensors, and others.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 comprises a first semiconductor layer 110 of a first conductivity type, a second semiconductor layer 120 of a second conductivity type and an active zone 115 between the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 120.
  • the first semiconductor layer 110 has the composition Al x Gai - X N.
  • the active zone has a quantum well structure.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 further comprises an intermediate layer 125 between the first semiconductor layer 110 and the active zone 115.
  • the intermediate layer 125 comprises a semiconductor material of the composition Al y Gaai y N. The following applies: x ⁇ 1.05 ⁇ y ⁇ 1.
  • the intermediate layer 125 can be n-doped with Si.
  • the active zone 115 has a quantum well structure 114 for generating radiation, for example a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well).
  • quantum well structure does not mean anything with regard to the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the active zone 115 can, for example, have sub-layers with different electrical band gaps, the corresponding sub-layers being stacked one above the other.
  • a material of a smaller band gap (quantum well layer 113) can be arranged between two barrier layers 116 with a larger band gap. If the layer thickness of the partial layer with the smaller band gap is in the range of the de Broglie wavelength of electrons, the energy states within the partial layer are quantized with the smaller band gap, and a quantum well structure is formed.
  • MQW multiple
  • One or more electron blocking layers 117 are formed over the active zone 115.
  • a second semiconductor layer 120 is over the electron blocking layer 117 arranged.
  • the second semiconductor layer 120 is a Mg p-doped AlGaN layer.
  • a contact layer 123 can be arranged over the second semiconductor layer 120.
  • the contact layer 123 can be Mg p-doped GaN.
  • a second contact element 135 can be arranged over the contact layer 123.
  • the layers and layer thicknesses listed here are given as an example, and other layer thicknesses or dopants can be used. Furthermore, layers can be omitted or added as long as it does not impair the functioning of the optoelectronic semiconductor component 10.
  • the first semiconductor layer 110 may be of an n-conductivity type and the second semiconductor layer 120 may be of a p-conductivity type.
  • the first semiconductor layer 110 has the composition Al x Ga x N with 0.3 ⁇ x ⁇ 0.95.
  • the first semiconductor layer 110 can, for example, have a layer thickness of 0.5 to 3 ⁇ m, for example approximately 1.5 ⁇ m.
  • the first semiconductor layer 110 can be arranged, for example, over a transparent substrate 100.
  • substrate 100 may be a sapphire substrate. Additional layers can be arranged within the semiconductor layer structure.
  • one or more buffer layers 105 can be arranged between the substrate 100 and the first semiconductor layer 110.
  • the buffer layers 105 can, for example, a plurality of Al x Ga y N layers ini- xy ratios with different compositions or may have composition ratios. These buffer layers can be used, for example, to reduce the density of spiral or helical dislocations ("threading dislocations"). Furthermore, tensions can be set.
  • a layer thickness of the buffer layer (s) 105 can be up to 10 gm, for example.
  • the Buffer layer 105 can also be omitted. For example, it can be omitted if a native substrate such as A1N is used as the substrate 100.
  • the first semiconductor layer 110 can be connected electrically, for example, via a first contact element 130.
  • the second semiconductor layer 120 can be connected electrically, for example, via a second contact element 135.
  • electromagnetic radiation 20 can be emitted, for example, within the active zone 115.
  • Electromagnetic radiation 20 generated in the active zone 115 can be output, for example, via a main surface 101 and also via side surfaces 102 of the substrate 100. Generated electromagnetic radiation 20 can possibly also be output via the surface of the layer 135.
  • the intermediate layer 125 has on average a higher aluminum content than the first semiconductor layer 110.
  • the aluminum content of the intermediate layer 125 can be at least 5% or possibly at least 10% higher than the aluminum content of the first semiconductor layer 110.
  • the intermediate layer can have a layer thickness greater than 2 nm or greater than 8 nm or even greater than 20 nm .
  • the layer thickness of the intermediate layer 125 can be less than 100 nm. With larger layer thicknesses, the electron injection can be impaired. It has been found that by inserting the intermediate layer 125 between the first semiconductor layer 110 and the active zone 115, the emitted power of the electromagnetic radiation can be greatly increased.
  • the intermediate layer 125 can be undoped or doped, for example at a doping level up to 5E19 cm -3 .
  • the Al content in the intermediate layer 125 can vary.
  • the Al content can increase towards the active zone.
  • the intermediate layer 125 can have a multiplicity of first and second partial layers 126, 127 of the AlGaN composition, each with a different Al content.
  • the first sublayers 126 have the composition Al y ' Ga'y ' N (0 ⁇ y ' ⁇ 1) with a layer thickness d'
  • the second sublayers 127 have the composition Al y " Gaai " N (0 ⁇ y '' ⁇ y') with a layer thickness d''.
  • the average Al content of the intermediate layer 125 is defined as follows in this case:
  • y avg (y '* d' + y '' * d '') / (d '+ d''), whereby the following also applies: x * 1.05 ⁇ y avg ⁇ 1.
  • the first and the second sub-layers 126, 127 are alternately stacked one above the other.
  • the individual layer thicknesses of the first and second partial layers 126, 127 can each be greater than 1 nm and less than 10 nm.
  • the intermediate layer 125 with a plurality of first and second sub-layers 126, 127 forms a superlattice, for example.
  • a total thickness of the intermediate layer 125, which is designed as a superlattice, can be less than 100 nm.
  • the optoelectronic semiconductor components described here emit electromagnetic radiation in a range from 210 to 360 nm. However, depending on the semiconductor layer system used, electromagnetic radiation can also be emitted in other wavelength ranges.
  • FIG. 3A shows measurement results of a transmission electron microscope measurement of the optoelectronic semiconductor component shown in FIG. 2A with a quantum well structure 114 which has five quantum wells.
  • the quantum wells are each implemented by a different aluminum content of the associated semiconductor layers.
  • the intermediate layer 125 has a layer thickness of 4 nm.
  • the solid line in each case shows the aluminum content intended by setting the deposition parameters as a function of a z coordinate (see FIG. 1) and thus the intended course of the band structure.
  • the dashed line shows the actually measured aluminum content depending on the z-coordinate and thus the course of the band structure according to the quantum wells.
  • the first quantum is well, i.e. the quantum well on the left side of the horizontal axis, not available.
  • the second and third measured quantum well have a much lower aluminum content than intended.
  • FIG. 3B shows a similar measurement for an optoelectronic semiconductor device with a layer thickness of the intermediate layer of 40 nm.
  • the measured position (dashed line) of the quantum wells is approximately the same as the position (solid line) the quantum wells, as provided by setting the deposition parameters, match.
  • these quantum wells are each designed with an approximately similar profile as intended.
  • the formation of the intermediate layer 125 before the formation of the quantum well structure 114 improves the quality of the quantum well structure.
  • the quantum well structure 114 has several identical quantum wells with an Al content that corresponds to the intended Al content. With a greater layer thickness of the intermediate layer 115, an improved quality of the active zone is achieved.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 comprises a layer structure similar to that of the semiconductor component shown in FIG. 2A.
  • the active zone 115 has a plurality (for example 5) of barrier layers 116 and quantum well layers 113.
  • the quantum well layers each have a composition and layer thickness which are dimensioned such that quantized energy states are present in the quantum well layer 113 which is arranged between two barrier layers.
  • a cover layer 122 for example made of AlGaN, is formed over the uppermost quantum well layer 113.
  • the top layer 122 may have the same composition as a barrier layer.
  • the cover layer 122 can have a greater layer thickness than conventional barrier layers in order to avoid surface effects.
  • FIG. 4B and 4C each show measurement results of the quantum efficiency at 12 K on the one hand (FIG. 4B) and room temperature (FIG. 4C) on the semiconductor layer structure, which forms part of the optoelectronic semiconductor component 10 from FIG. 4A.
  • the measurement can be carried out on a layer structure which is suitable for optoelectronic semiconductor element 10 without first and second contact element 130, 135 corresponds.
  • the quantum efficiency as a function of the irradiated laser power is shown.
  • the measurements are recorded for different layer thicknesses of the intermediate layer 125. As can be seen, an efficiency occurs at a temperature of 12 K due to the freezing out of the defects and a negligible surface recombination, which is independent of the layer thickness of the intermediate layer 125. As shown in Fig. 4C, the quantum efficiency increases greatly depending on the thickness of the intermediate layer at room temperature. If the thickness of the intermediate layer increases from 4 nm to 13 nm, the quantum efficiency can be increased by approximately 30%.
  • the active zone 115 is formed here as a single quantum well structure.
  • a quantum well layer 113 for forming the quantum well structure 114 is arranged between the barrier layer 116 and the cover layer 122.
  • the top layer 122 may have a composition similar to that of a barrier layer.
  • the intermediate layer 125 is arranged adjacent to the barrier layer 116.
  • 5B and 5C each show photoluminescence measurements on optoelectronic semiconductor components 10.
  • the measurement of FIG. 5C was carried out on an optoelectronic semiconductor component, which is shown in FIG. with a single quantum well structure.
  • 5B was carried out on an optoelectronic semiconductor component 10 without an intermediate layer 125.
  • the optoelectronic semiconductor components 10 each come from different positions of a processed wafer 104.
  • the upper spectrum of FIG. 5B shows a measurement on optoelectronic semiconductor components 10 which have been taken from a position opposite the “anti-flat” of the wafer 104.
  • the lower spectrum of FIG. 5B is taken from the center of the wafer 104 Without an intermediate layer, there is only one emission at position (1) in the upper spectrum. This emission is due to emission in the bulk AlGaN layer.
  • the lower spectrum of FIG. 5B shows an emission at position (1) which is due to emission in the bulk AlGaN layer.
  • emission takes place in place (2).
  • the emission in place (2) is due to emission from the single quantum well structure.
  • the emission wavelength is shorter than would be expected due to the deposition parameters This means that there is too little gallium in the single quantum well structure.
  • 5C again shows a measurement on optoelectronic semiconductor components 10, which are taken from a position in relation to the flat (“anti-flat”) of the wafer 104.
  • An emission occurs here (1), which is due to emission in the bulk AlGaN layer.
  • emission occurs at position (2) due to emission from the single quantum well structure.
  • the wavelength is larger than the emission wavelength at position (2) of the lower spectrum of Fig. 5B, which shows that more gallium is built into the quantum well structure, and the lower spectrum of Fig. 5C shows a significantly longer emission wavelength of emission (2), which is in the range of Emission wavelength of a multiple quantum well structure. This shows that the single quantum well structure is made more homogeneous.
  • the quantum wells can thus be used based on a wafer 104.
  • the incorporation of gallium into the quantum well structure is improved, which enables emission at a longer wavelength.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component comprises forming (S100) a first semiconductor layer 110 of a first conductivity type, in which the first semiconductor layer 110 has the composition Al x Ga x N.
  • the method further includes forming (S130) a second semiconductor layer 120 of a second conductivity type and forming (S120) an active zone 115 between the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 120, the active zone 115 having a quantum well structure 114.
  • the method further comprises forming (S110) an intermediate layer 125 between the first semiconductor layer 110 and the active zone 115, where the intermediate layer 125 comprises a semiconductor material with the composition Al y Gai- y N, with x ⁇ 1.05 ⁇ y ⁇ 1.
  • the semiconductor layers can be formed, for example, by a MOVPE process (metal organic vapor phase epitaxy, "metal organic vapor phase epitaxy”), other suitable epitaxy processes or a MOCVD process (metal organic deposition from the gas phase, "metal organic chemical vapor deposition”) be det.
  • MOVPE process metal organic vapor phase epitaxy, "metal organic vapor phase epitaxy”
  • MOCVD process metal organic deposition from the gas phase, "metal organic chemical vapor deposition”
  • a high metal supersaturation during the deposition is fertilizer required to reduce the compensation of the metal vacancy complexes.
  • aluminum supersaturation s is defined as (P / Po) -l, where P is the partial pressure of aluminum components and Po is the vapor pressure of aluminum components at thermodynamic equilibrium.
  • Gallium supersaturation is defined in a similar way.
  • a metal supersaturation is defined as the sum of the aluminum and gallium supersaturations.
  • the intermediate layer 125 is formed after the formation of the first semiconductor layer and before the formation of the active zone, on the one hand the surface roughness can be reduced. This is achieved in that dislocations caused by the spiral or helical growth are leveled by the intermediate layer 125. As a result, a well-defined and thus sharp transition between the intermediate layer 125 and the active zone 115 can be achieved. This improves the profile of the active zone, especially the profile of the quantum well structure. Furthermore, the homogeneity of the quantum well structure is improved. As a result, better overall quantum efficiency and charge injection efficiency are achieved.
  • the intermediate layer is grown at a lower metal supersaturation than the metal supersaturation that is present when the first semiconductor layer is formed.
  • a lower metal supersaturation can be set, for example, by reducing the growth rate the ratio of the constituents of the fifth group is varied compared to the constituents of the third group or by increasing the temperature during growth.
  • the ratio of the constituents of the fifth group can be varied depending on the growth atmosphere.
  • the metal supersaturation for the growth of the intermediate layer 125 should be at least 10% lower than for the first semiconductor layer 110.
  • a lower metal supersaturation leads to a higher concentration of metal vacancies. These contain more Ga vacancies because the Al-N bond is stronger than the Ga-N bond. A higher aluminum content is therefore required in order to reduce the Ga vacancies and the Ga vacancy complexes.
  • the intermediate layer 125 can also be realized as a superlattice structure and contain a multiplicity of first and second partial layers 126, 127, as has been described with reference to FIG. 2A.
  • an average supersaturation can be set for the deposition of the partial layers 126, 127, which is less than that for the deposition of the first semiconductor layer 110.
  • the supersaturation when the sub-layer 126 or 127 is deposited does not necessarily have to be less than the supersaturation when the deposition first semiconductor layer 110.
  • an aluminum content of the intermediate layer 125 can vary.
  • the aluminum content can increase from the first semiconductor layer to the active zone.
  • the intermediate layer 125 or the intermediate layer stack, which has a multiplicity of first and second partial layers 126, 127, can be doped.
  • the intermediate layer 125 can be doped at the same time become, for example at a concentration less than 5E19 cnf 3 , and the aluminum content can increase with decreasing distance from the active zone.
  • the electron concentration can be increased via polarization doping, which further improves the charge carrier injection.
  • the experimental results confirm that by forming the intermediate layer between the first semiconductor layer and the active zone 115, the light output can be increased.
  • the internal quantum efficiency can be increased by increasing the thickness of the intermediate layer 125.
  • the non-radiative charge carrier recombination within the quantum well structure is reduced.
  • the presence of the intermediate layer 125 leads to a better quality of the quantum well structure 114.
  • the charge carrier injection efficiency can be increased. The overall result is an improved external quantum efficiency.
  • Fig. 7 shows an optoelectronic device according to embodiments.
  • the optoelectronic device 15 comprises the optoelectronic semiconductor component 10 described here.
  • the optoelectronic device 15 can be a device for disinfection using UV radiation.
  • the optoelectronic device 15 can be used to disinfect water or air.
  • the optoelectronic device 15 can be used as a UV measuring device or as a curing device for polymers.

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Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) umfasst eine erste Halbleiterschicht (110) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei die erste Halbleiterschicht (110) die Zusammensetzung AlxGa1-xN hat. Das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) umfasst weiterhin eine zweite Halbleiterschicht (120) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, eine aktive Zone (115) zwischen der ersten Halbleiterschicht (110) und der zweiten Halbleiterschicht (120), wobei die aktive Zone (115) eine Quantentopfstruktur (114) aufweist, sowieeine Zwischenschicht (125) zwischen der ersten Halbleiterschicht (110) und der aktiven Zone (115). Die Zwischenschicht (125) umfasst ein Halbleitermaterial der Zusammensetzung AlyGa1-yN, mit x*1,05 ≤ y ≤1.

Description

OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT MIT EINER
ZWISCHENSCHICHT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTS
HINTERGRUND
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 133 526.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine Leuchtdiode (LED) ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die auf Halbleitermaterialien basiert. Beispielsweise werden Leuchtdioden, die auf dem AlGaN-Materialsystem basieren, ver wendet, um Lichtquellen im tiefen Ultraviolett- (DUV- ) Bereich bereitzustellen. Generell werden Anstrengungen unternommen, um die Effizienz von Leuchtdioden, die auf dem AlGaN- Materialsystem basieren, zu erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der beigefügten Patentansprüche gelöst. Vor teilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentan sprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei die erste Halbleiterschicht die Zusammensetzung AlxGai-xN hat. Das optoelektronische Halbleiterbauelement umfasst weiterhin eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähig keitstyp, eine aktive Zone zwischen der ersten Halbleiter schicht und der zweiten Halbleiterschicht, wobei die aktive Zone eine QuantentopfStruktur aufweist, sowie eine Zwischen schicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der aktiven Zone. Die Zwischenschicht umfasst ein Halbleitermaterial der Zusammensetzung AlyGai-yN, mit x*l,05< y <1.
Beispielsweise hat die Zwischenschicht eine Schichtdicke grö ßer als 2 nm, größer als 8 nm oder größer als 40 nm. Die Schichtdicke der Zwischenschicht kann kleiner als 100 nm sein.
Beispielsweise ist die Zwischenschicht undotiert. Gemäß weite ren Ausführungsformen kann die Zwischenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp sein.
Beispielsweise kann die Zwischenschicht einen Schichtstapel mit abwechselnd übereinander gestapelten ersten Teilschichten und zweiten Teilschichten aufweisen. Die ersten Teilschichten haben die Zusammensetzung Aly'Gai-y'N (0 < y' <1) mit einer
Schichtdicke d'. Die zweiten Teilschichten haben die Zusammen setzung Aly"Gai-y"N (0 <y'' <y') und eine Schichtdicke d''. Beispielsweise ist der durchschnittliche Al-Gehalt der Zwi schenschicht 125 in diesem Fall wie folgt definiert:
yavg=(y'*d'+y"*d") / (d'+d") , wobei ferner gilt:
X*l, 05 < yavg<l .
Die Schichtdicken der ersten und zweiten Teilschichten können jeweils größer als 1 nm und kleiner als 10 nm sein. Beispiels weise können die ersten und zweiten Teilschichten ein Übergit ter ausbilden. Die maximale Schichtdicke des Übergitters kann kleiner als 100 nm sein. Gemäß Ausführungsformen hat die erste Halbleiterschicht die Zusammensetzung AlxGai-xN mit 0,3 < x < 0,95.
Die Zwischenschicht kann direkt an die aktive Zone angrenzen.
Gemäß Ausführungsformen kann ein Aluminiumgehalt der Zwischen schicht mit zunehmendem Abstand von der aktiven Zone zu- oder abnehmen .
Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halb leiterbauelements umfasst das Ausbilden einer ersten Halb leiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei die erste Halbleiterschicht die Zusammensetzung AlxGai-xN hat. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden einer zweiten Halb leiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das Ausbil den einer aktiven Zone zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht, wobei die aktive Zone eine QuantentopfStruktur aufweist, sowie das Ausbilden einer Zwi schenschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der ak tiven Zone. Die Zwischenschicht umfasst ein Halbleitermaterial der Zusammensetzung AlyGai-yN, mit x*l,05< y <1.
Beispielsweise kann die Ausbildung der ersten Halbleiter schicht aus einem metallübersättigten Gasgemisch erfolgen.
Gemäß Ausführungsformen kann die Ausbildung der Zwischen schicht aus einem metallübersättigten Gasgemisch erfolgen. Da bei kann ein Grad der Metallübersättigung für die Zwischen schicht niedriger sein als für die erste Halbleiterschicht. Beispielsweise kann der Grad für die Metallübersättigung für das Wachstum der Zwischenschicht mindestens 10% kleiner sein als für das Wachstum der ersten Halbleiterschicht. Eine optoelektronische Vorrichtung weist das optoelektronische Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben auf. Die opto elektronische Vorrichtung kann aus einem UV-
Desinfektionsgerät, einem UV-Härtungsvorrichtung oder einer UV-Messeinrichtung ausgewählt sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht not wendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechen de Elemente und Strukturen.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen .
Fig. 2A zeigt Details einer Zwischenschicht gemäß Ausführungs formen .
Fig. 2B zeigt die ausgestrahlte Lichtleistung in Abhängigkeit von einer Schichtdicke der Zwischenschicht.
Fig. 3A zeigt ein Messergebnis einer Messung mit dem Transmis sionselektronenmikroskop .
Fig. 3B zeigt ein weiteres Ergebnis einer Messung mit dem Transmissionselektronenmikroskop . Fig. 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen .
Fig. 4B zeigt eine Messung der internen Quanteneffizienz bei einer Temperatur von 12 K.
Fig. 4C zeigt eine Messung der internen Quanteneffizienz bei einer Messung bei Raumtemperatur.
Fig. 5A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen .
Fig. 5B und 5C zeigen jeweils Ergebnisse der Messung der Pho tolumineszenz .
Fig. 6 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen.
Fig. 7 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Ausfüh rungsformen .
DETAILBESCHRE IBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halb leiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basis unterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Bei spielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermate rial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleiter material oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Weitere Beispiele für Materialien von Wachstumssubstraten umfassen Glas, Silizi umdioxid, Quarz, Silizium, SiC, A1N, GaN oder eine Keramik.
Je nach Verwendungszweck kann im Rahmen der vorliegenden Be schreibung beschriebenes Halbleitermaterial auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders ge eignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid- Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolet tes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grü nes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie bei spielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halb- leitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Bei spiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium- Germanium und Germanium umfassen.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei nes Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weite ren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die un bestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusam menhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbin dung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch ver bundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt mitei nander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Nachfolgend werden Beispiele von optoelektronischen Halb leitervorrichtungen beschrieben. Dabei werden insbesondere Leuchtdioden beschrieben. Die Konzepte können jedoch auch auf andere optoelektronische Halbleiterbauelemente angewandt wer den und sind daher nicht auf Leuchtdioden beschränkt. Weitere spezifische Beispiele umfassen unter anderem Halbleiter- Laservorrichtungen, beispielsweise oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtungen, Fotodetektoren, Sensoren und andere .
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines opto elektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen . Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeits typ, eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leit fähigkeitstyp sowie eine aktive Zone 115 zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der zweiten Halbleiterschicht 120. Die erste Halbleiterschicht 110 hat die Zusammensetzung AlxGai- XN. Die aktive Zone weist eine QuantentopfStruktur auf. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst weiterhin eine Zwischenschicht 125 zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der aktiven Zone 115. Die Zwischenschicht 125 umfasst ein Halbleitermaterial der Zusammensetzung AlyGai-yN. Dabei gilt: x · 1,05 < y < 1. Beispielsweise kann die Zwischenschicht 125 mit Si n-dotiert sein.
Die aktive Zone 115 weist zur Strahlungserzeugung eine Quan tentopfstruktur 114 auf, beispielsweise eine Einfach- Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Be deutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Die aktive Zone 115 kann beispielsweise Teilschichten mit un terschiedlichen elektrischen Bandlücken aufweisen, wobei die entsprechenden Teilschichten übereinander gestapelt sind. Bei spielsweise kann ein Material einer kleineren Bandlücke (Quan tentopfschicht 113) zwischen zwei Barrierenschichten 116 mit größerer Bandlücke angeordnet sein. Liegt die Schichtdicke der Teilschicht mit der kleineren Bandlücke im Bereich der de- Broglie-Wellenlänge von Elektronen, so sind die Energiezustän de innerhalb der Teilschicht mit der kleineren Bandlücke quan- tisiert, und es bildet sich eine QuantentopfStruktur aus. Je nach Anzahl der Teilschichten mit kleinerer Bandlücke, in der sich quantisierte Energieniveaus ausbilden, spricht man von einer aktiven Zone mit einer Einfach-QuantentopfStruktur oder von einer aktiven Zone mit einer Mehrfach- (MQW-) QuantentopfStruktur .
Eine oder mehrere Elektronen-Blockierschichten 117, die bei spielsweise AlGaN enthalten können und p-dotiert sein können, sind über der aktiven Zone 115 ausgebildet. Eine zweite Halb leiterschicht 120 ist über der Elektronen-Blockierschicht 117 angeordnet. Beispielsweise ist die zweite Halbleiterschicht 120 eine mit Mg p-dotierte AlGaN-Schicht . Eine Kontaktschicht 123 kann über der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Kontaktschicht 123 mit Mg p- dotiertes GaN sein. Ein zweites Kontaktelement 135 kann über der Kontaktschicht 123 angeordnet sein. Die hier aufgeführten Schichten und Schichtdicken sind als Beispiel angegeben, und andere Schichtdicken oder Dotierstoffe können verwendet wer den. Weiterhin können Schichten weggelassen oder hinzugefügt werden, solange es die Funktionsweise des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 nicht beeinträchtigt.
Beispielsweise kann die erste Halbleiterschicht 110 von einem n-Leitfähigkeitstyp sein, und die zweite Halbleiterschicht 120 ist von einem p-Leitfähigkeitstyp . Beispielsweise hat die ers te Halbleiterschicht 110 die Zusammensetzung AlxGai-xN mit 0,3 < x < 0,95. Die erste Halbleiterschicht 110 kann beispielsweise eine Schichtdicke von 0,5 bis 3 gm, beispielsweise etwa 1,5 gm, haben. Die erste Halbleiterschicht 110 kann beispielsweise über einem transparenten Substrat 100 angeordnet sein. Bei spielsweise kann das Substrat 100 ein Saphirsubstrat sein. Weitere Schichten können innerhalb der Halbleiterschichtstruk- tur angeordnet sein.
Beispielsweise können eine oder mehrere Pufferschichten 105 zwischen dem Substrat 100 und der ersten Halbleiterschicht 110 angeordnet sein. Die Pufferschichten 105 können beispielsweise mehrere AlxGayIni-x-yN-Schichten mit unterschiedlichen Zusammen setzungen oder Zusammensetzungsverhältnissen aufweisen. Durch diese Pufferschichten kann beispielsweise die Dichte an spi ral- oder schraubenförmigen Versetzungen („threading disloca- tions") reduziert werden. Weiterhin können dadurch Verspannun gen eingestellt werden. Eine Schichtdicke der Puffer schicht (en) 105 kann beispielsweise bis zu 10 gm betragen. Die Pufferschicht 105 kann auch weggelassen werden. Beispielsweise kann sie weggelassen werden, wenn ein natives Substrat wie A1N als Substrat 100 verwendet wird.
Die erste Halbleiterschicht 110 kann beispielweise über ein erstes Kontaktelement 130 elektrisch angeschlossen werden. Die zweite Halbleiterschicht 120 kann beispielsweise über ein zweites Kontaktelement 135 elektrisch angeschlossen werden. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen dem ersten Kontaktelement 130 und dem zweiten Kontaktelement 135 kann beispielsweise innerhalb der aktiven Zone 115 elektromagneti sche Strahlung 20 emittiert werden.
In der aktiven Zone 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung 20 kann beispielsweise über eine Hauptoberfläche 101 sowie über Seitenflächen 102 des Substrats 100 ausgegeben werden. Erzeugte elektromagnetische Strahlung 20 kann möglicherweise auch über die Oberfläche der Schicht 135 ausgegeben werden.
Die Zwischenschicht 125 weist durchschnittlich einen höheren Aluminiumgehalt als die erste Halbleiterschicht 110 auf. Bei spielsweise kann der Aluminiumgehalt der Zwischenschicht 125 mindestens 5 % oder gegebenenfalls mindestens 10 % höher sein als der Aluminiumgehalt der ersten Halbleiterschicht 110. Bei spielsweise kann die Zwischenschicht eine Schichtdicke größer als 2 nm oder größer als 8 nm oder sogar größer als 20 nm ha ben. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Schichtdicke der Zwischenschicht 125 kleiner als 100 nm sein. Bei größeren Schichtdicken kann die Elektroneninjektion beeinträchtigt wer den. Es wurde festgestellt, dass durch Einfügen der Zwischen schicht 125 zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der aktiven Zone 115 die ausgestrahlte Leistung der elektromagne tischen Strahlung stark erhöht werden kann. Gemäß Aus führungs formen kann die Zwischenschicht 125 undotiert sein oder dotiert sein, beispielsweise bei einem Dotierniveau bis zu 5E19 cm-3. Weiterhin kann der Al-Gehalt in der Zwischen schicht 125 variieren. Beispielsweise kann der Al-Gehalt in Richtung zur aktiven Zone hin zunehmen.
Fig. 2A zeigt eine Querschnittsansicht der Zwischenschicht 125 gemäß weiteren Aus führungs formen . Gemäß weiteren Ausführungs formen kann die Zwischenschicht 125 eine Vielzahl erster und zweiter Teilschichten 126, 127 der Zusammensetzung AlGaN mit jeweils unterschiedlichem Al-Gehalt aufweisen. Beispielsweise haben die ersten Teilschichten 126 die Zusammensetzung Aly'Gai- y'N (0 < y' <1) mit einer Schichtdicke d', und die zweiten Teilschichten 127 haben die Zusammensetzung Aly"Gai-y"N (0 <y'' <y') mit einer Schichtdicke d''. Beispielsweise ist der durchschnittliche Al-Gehalt der Zwischenschicht 125 in diesem Fall wie folgt definiert:
yavg = (y'*d' + y ' '*d ' ' ) / (d '+d ' ' ) , wobei ferner gilt: x*l,05 < yavg <1. Die ersten und die zweiten Teilschichten 126, 127 sind abwechselnd übereinander gestapelt.
Beispielsweise können die einzelnen Schichtdicken der ersten und zweiten Teilschichten 126, 127 jeweils größer als 1 nm und kleiner als 10 nm sein. Die Zwischenschicht 125 mit einer Vielzahl erster und zweiter Teilschichten 126, 127 bildet bei spielsweise ein Übergitter aus. Eine Gesamtdicke der Zwischen schicht 125, die als Übergitter ausgebildet ist, kann weniger als 100 nm betragen.
Fig. 2B zeigt eine Messung der ausgegebenen Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Dicke (in nm angegeben) der Zwischen schicht 125 jeweils unter gleichen Betriebsbedingungen. Wie zu sehen ist, steigt die abgegebene Strahlungsleistung mit Erhö hung der Schichtdicke der Zwischenschicht 125 an. Generell emittieren gemäß Ausführungsformen die hier beschrie benen optoelektronischen Halbleiterbauelemente elektromagneti sche Strahlung in einem Bereich von 210 bis 360 nm. Je nach verwendetem Halbleiterschichtsystem kann aber auch elektromag netische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen emittiert werden .
Die Fig. 3A zeigt Messergebnisse einer Transmissionselektro nenmikroskopiemessung des in Fig. 2A dargestellten optoelekt ronischen Halbleiterbauelements mit einer QuantentopfStruktur 114, die fünf Quantentöpfe aufweist. Die Quantentöpfe sind je weils durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt der zuge hörigen Halbleiterschichten verwirklicht. Die Zwischenschicht 125 hat eine Schichtdicke von 4 nm. Die durchgezogene Linie zeigt jeweils den durch Einstellung der Abscheideparameter be absichtigten Aluminiumgehalt in Abhängigkeit von einer z- Koordinate (s. Fig. 1) und damit den beabsichtigten Verlauf der Bandstruktur. Die gestrichelte Linie zeigt den tatsächlich gemessenen Aluminiumgehalt in Abhängigkeit von der z- Koordinate und damit den Verlauf der Bandstruktur entsprechend den Quantentöpfen. Wie zu sehen ist, ist der erste Quanten topf, d.h. der Quantentopf auf der linken Seite der horizonta len Achse, nicht vorhanden. Der zweite und der dritte gemesse ne Quantentopf weist einen wesentlich geringeren Aluminiumgeh alt als beabsichtigt auf.
Fig. 3B zeigt eine ähnliche Messung für eine optoelektronische Halbleitervorrichtung mit einer Schichtdicke der Zwischen schicht von 40 nm. Wie in Fig. 3B zu sehen ist, stimmt die ge messene Position (gestrichelte Linie) der Quantentöpfe in etwa mit der Position (durchgezogene Linie) der Quantentöpfe, wie sie durch Einstellung der Abscheideparameter vorgesehen ist, überein. Weiterhin sind diese Quantentöpfe jeweils mit unge fähr ähnlichem Profil wie beabsichtigt ausgebildet.
Wie erkennbar ist, wird durch die Ausbildung der Zwischen schicht 125 vor Ausbilden der QuantentopfStruktur 114 die Qua lität der QuantentopfStruktur verbessert. Die Quantentopf struktur 114 weist mehrere identische Quantentöpfe mit einem Al-Gehalt, der dem beabsichtigten Al-Gehalt entspricht, auf. Bei einer größeren Schichtdicke der Zwischenschicht 115 wird eine verbesserte Qualität der aktiven Zone erzielt.
Fig. 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements 10 gemäß weiteren Ausführungsfor men. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst ei nen ähnlichen Schichtaufbau wie das in Fig. 2A gezeigte Halb leiterbauelement. Die aktive Zone 115 eine Mehrzahl (bei spielsweise 5) von Barrierenschichten 116 und Quantentopf schichten 113. Die Quantentopfschichten haben jeweils eine Zu sammensetzung und Schichtdicke, die derart bemessen sind, dass quantisierte Energiezustände in der QuantentopfSchicht 113 vorliegen, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist. Eine Deckschicht 122, beispielsweise aus AlGaN, ist über der obersten QuantentopfSchicht 113 ausgebildet. Beispielswei se kann die Deckschicht 122 dieselbe Zusammensetzung wie eine Barrierenschicht haben. Beispielsweise kann die Deckschicht 122 eine größere Schichtdicke als übliche Barrierenschichten haben, um Oberflächeneffekte zu vermeiden.
Die Fig. 4B und 4C zeigen jeweils Messergebnisse der Quan teneffizienz bei einerseits 12 K (Fig. 4B) sowie Raumtempera tur (Fig. 4C) an der Halbleiterschichtstruktur, die Teil des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 von Fig. 4A bil det. Beispielsweise kann die Messung an einer Schichtstruktur durchgeführt sein, die dem optoelektronischen Halbleiterbau- element 10 ohne erstes und zweites Kontaktelement 130, 135 entspricht. Dabei ist jeweils die Quanteneffizienz in Abhän gigkeit der eingestrahlten Laserleistung dargestellt. Die Mes sungen sind jeweils für verschiedene Schichtdicken der Zwi schenschicht 125 aufgenommen. Wie zu sehen ist, tritt bei ei ner Temperatur von 12 K aufgrund des Ausfrierens der Defekte und einer vernachlässigbaren Oberflächenrekombination eine Ef fizienz auf, die von der Schichtdicke der Zwischenschicht 125 jeweils unabhängig ist. Wie in Fig. 4C dargestellt ist, steigt bei Raumtemperatur die Quanteneffizienz in Abhängigkeit der Dicke der Zwischenschicht stark an. Wenn die Dicke der Zwi schenschicht von 4 nm auf 13 nm ansteigt, kann die Quantenef fizienz um etwa 30 % gesteigert werden.
Wie der Vergleich der Fig. 4B und 4C zeigt, kann durch Anwe senheit der Zwischenschicht 125 Kristalldefekte verringert werden. Als Folge kann die Kristallqualität der Quantentopf struktur 114 verbessert werden.
Fig. 5A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen . Abweichend von der in Fig. 4A dargestellten Struktur ist hier die aktive Zone 115 als eine EinfachquantentopfStruktur ausge bildet. Mit anderen Worten ist eine QuantentopfSchicht 113 zur Ausbildung der QuantentopfStruktur 114 zwischen der Barrieren schicht 116 und der Deckschicht 122 angeordnet. Beispielsweise kann die Deckschicht 122 eine ähnliche Zusammensetzung wie ei ne Barrierenschicht haben. Die Zwischenschicht 125 ist angren zend an die Barrierenschicht 116 angeordnet.
Die Fig. 5B und 5C zeigen jeweils Photolumineszenz-Messungen an optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10. Dabei wurde die Messung von Fig. 5C an einem optoelektronischen Halblei terbauelement durchgeführt, das beispielsweise in Fig. 5A dar- gestellt ist, mit einer EinfachquantentopfStruktur . Die Mes sung von Fig. 5B wurde an einem optoelektronischen Halbleiter bauelement 10 ohne Zwischenschicht 125 durchgeführt. Die opto elektronischen Halbleiterbauelemente 10 entstammen jeweils un terschiedlichen Positionen eines prozessierten Wafers 104.
Das obere Spektrum der Fig. 5B zeigt eine Messung an opto elektronischen Halbleiterbauelementen 10, die einer Position gegenüber der Flachstelle („anti-flat" ) des Wafers 104 entnom men sind. Das untere Spektrum der Fig. 5B ist der Mitte des Wafers 104 entnommen. Ohne Zwischenschicht findet im oberen Spektrum lediglich eine Emission an Stelle (1) statt. Diese Emission ist auf Emission in der bulk-AlGaN-Schicht zurückzu führen. Das untere Spektrum von Fig. 5B zeigt eine Emission an Stelle (1) statt, die auf Emission in der bulk-AlGaN-Schicht zurückzuführen ist. Zusätzlich findet Emission an Stelle (2) statt. Die Emission an Stelle (2) ist auf Emission von der EinfachquantentopfStruktur zurückzuführen. Dabei ist die Emis sionswellenlänge kürzer als aufgrund der Abscheideparameter zu erwarten wäre. Das bedeutet, dass in der Einfachquantentopf struktur zu wenig Gallium vorliegt.
Wieder zeigt das obere Spektrum von Fig. 5C eine Messung an optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10, die einer Posi tion gegenüber der Flachstelle („anti-flat" ) des Wafers 104 entnommen sind. Hier tritt eine Emission an Stelle (1) auf, die auf Emission in der bulk-AlGaN-Schicht zurückzuführen ist. Zusätzlich tritt Emission an Stelle (2) auf, die auf Emission von der EinfachquantentopfStruktur zurückzuführen ist. Die Wellenlänge ist größer als die Emissionswellenlänge an Stelle (2) des unteren Spektrums von Fig. 5B, was zeigt, dass mehr Gallium in die QuantentopfStruktur eingebaut ist. Weiterhin zeigt das untere Spektrum von Fig. 5C eine deutlich längere Emissionswellenlänge von Emission (2), die im Bereich der Emissionswellenlänge einer MehrfachquantentopfStruktur liegt. Dies zeigt, dass die EinfachquantentopfStruktur homogener aus gebildet ist.
Insgesamt können somit aufgrund der Zwischenschicht 125 die Quantentöpfe in homogenerer Weise, d.h. bezogen auf einen Wafer 104, ausgebildet werden. Der Einbau von Gallium in die QuantentopfStruktur wird verbessert, wodurch eine Emission bei größerer Wellenlänge ermöglicht wird.
Fig. 6 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halb leiterbauelements umfasst das Ausbilden (S100) einer ersten Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wo bei die erste Halbleiterschicht 110 die Zusammensetzung AlxGai-xN hat. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden (S130) einer zweiten Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sowie das Ausbilden (S120) einer aktiven Zo ne 115 zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der zwei ten Halbleiterschicht 120, wobei die aktive Zone 115 eine QuantentopfStruktur 114 aufweist. Das Verfahren umfasst wei terhin das Ausbilden ( S110 ) einer Zwischenschicht 125 zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der aktiven Zone 115, wo bei die Zwischenschicht 125 ein Halbleitermaterial der Zusam mensetzung AlyGai-yN umfasst, mit x · 1,05 < y < 1.
Die Halbleiterschichten können beispielsweise durch ein MOVPE- Verfahren (metallorganische Gasphasenepitaxie, "metal organic vapor phase epitaxy"), andere geeignete Epitaxie-Verfahren o- der ein MOCVD-Verfahren (metallorganische Abscheidung aus der Gasphase, "metal organic Chemical vapor deposition") ausgebil det werden. Üblicherweise ist, um eine hochleitfähige n-AlGaN- Schicht mit einem Aluminiumgehalt zwischen 30 und 95 % aufzu wachsen, eine hohe Metall-Übersättigung während der Abschei- düng erforderlich, um die Kompensation der Metall-Leerstellen- Komplexe zu reduzieren.
Generell ist die Aluminium-Übersättigung s definiert als (P/Po)-l, wobei P den Partialdruck von Aluminium-Komponenten und Po den Dampfdruck von Aluminium-Komponenten bei thermodyna mischem Gleichgewicht bezeichnen. Auf ähnliche Weise ist eine Gallium-Übersättigung definiert. Bei Wachstum einer AlGaN- Schicht ist eine Metall-Übersättigung als Summe der Aluminium- und Galliumübersättigungen definiert.
Bei einer hohen Metallübersättigung wird ein spiral- oder schraubenförmiges Wachstum der jeweiligen Schichten gefördert, was letztendlich zu einer rauen Oberfläche führt.
Dadurch, dass die Zwischenschicht 125 nach Ausbilden der ers ten Halbleiterschicht und vor Ausbilden der aktiven Zone aus gebildet wird, kann zum einen die Oberflächenrauigkeit redu ziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass durch die Zwi schenschicht 125 Versetzungen, die durch das spiral- oder schraubenförmige Wachstum bedingt sind, eingeebnet werden. Als Folge kann ein wohldefinierter und damit scharfer Übergang zwischen der Zwischenschicht 125 und der aktiven Zone 115 er reicht werden. Dadurch wird das Profil der aktiven Zone, ins besondere das Profil der QuantentopfStruktur verbessert. Wei terhin wird die Homogenität der QuantentopfStruktur verbes sert. Als Ergebnis wird insgesamt eine bessere innere Quan teneffizienz und Effizienz der Ladungsträgerinjektion erzielt.
Beispielsweise wird die Zwischenschicht bei einer niedrigeren Metallübersättigung als die Metallübersättigung, die bei der Ausbildung der ersten Halbleiterschicht vorliegt, gewachsen. Eine niedrigere Metallübersättigung kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die Wachstumsrate verringert wird, das Verhältnis der Bestandteile der fünften Gruppe im Vergleich zu den Bestandteilen der dritten Gruppe variiert wird oder, indem die Temperatur während des Wachstums erhöht wird. Beispielsweise kann das Verhältnis der Bestandteile der fünften Gruppe in Abhängigkeit von der Wachstumsatmosphäre va riiert werden. Beispielsweise sollte die Metallübersättigung für das Wachstum der Zwischenschicht 125 mindestens 10 % ge ringer als für die erste Halbleiterschicht 110 sein. Eine niedrigere Metallübersättigung führt zu einer höheren Konzent ration von Metall-Leerstellen. Diese enthalten mehr Ga- Leerstellen, da die Al-N-Bindung stärker ist als die Ga-N- Bindung. Daher ist ein höherer Aluminiumgehalt erforderlich, um die Ga-Leerstellen und die Ga-Leerstellen-Komplexe zu redu zieren .
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Zwischenschicht 125 auch als eine Übergitterstruktur realisiert sein und eine Vielzahl von ersten und zweiten Teilschichten 126, 127 enthal ten, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2A beschrieben worden ist. Hier kann zum Abscheiden der Teilschichten 126, 127 eine durchschnittliche Übersättigung eingestellt werden, die gerin ger ist als die zum Abscheiden der ersten Halbleiterschicht 110. Dabei muss die Übersättigung bei Abscheidung der Teil schicht 126 oder 127 nicht notwendigerweise geringer sein als die Übersättigung bei Abscheidung der ersten Halbleiterschicht 110.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein Aluminiumgehalt der Zwischenschicht 125 variieren. Beispielsweise kann der Alumi niumgehalt von der ersten Halbleiterschicht bis zur aktiven Zone hin zunehmen. Weiterhin kann die Zwischenschicht 125 oder der Zwischenschichtstapel , der eine Vielzahl von ersten und zweiten Teilschicht 126, 127 aufweist, dotiert werden. Bei spielsweise kann gleichzeitig die Zwischenschicht 125 dotiert werden, beispielsweise bei einer Konzentration kleiner als 5E19 cnf3, und der Aluminiumgehalt kann mit abnehmendem Abstand von der aktiven Zone zunehmen. Dadurch kann die Elektronenkon zentration über Polarisationsdotierung erhöht werden, wodurch die Ladungsträgerinjektion weiter verbessert wird.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass durch Ausbil den der Zwischenschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der aktiven Zone 115 die Lichtausgangsleistung erhöht wer den kann. Die innere Quanteneffizienz kann durch Erhöhen der Dicke der Zwischenschicht 125 erhöht werden. Weiterhin wird die nichtstrahlende Ladungsträgerrekombination innerhalb der QuantentopfStruktur verringert. Insgesamt führt die Anwesen heit der Zwischenschicht 125 zu einer besseren Qualität der QuantentopfStruktur 114. Darüber hinaus kann aufgrund der grö ßeren Homogenität der QuantentopfStruktur 114 die Ladungsträ gerinjektionseffizienz erhöht werden. Als Ergebnis wird insge samt eine verbesserte externe Quanteneffizienz erreicht.
Fig. 7 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Ausfüh rungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 15 umfasst das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10. Beispielsweise kann die optoelektronische Vorrichtung 15 eine Vorrichtung zum Desinfizieren unter Verwendung von UV- Strahlung sein. Beispielsweise kann die optoelektronische Vor richtung 15 verwendet werden, um Wasser oder Luft zu desinfi zieren. Darüber hinaus kann die optoelektronische Vorrichtung 15 als UV-Messeinrichtung oder als Aushärtevorrichtung für Po lymere verwendet werden.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpas sungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 optoelektronisches Halbleiterbauelement
15 optoelektronische Vorrichtung
20 elektromagnetische Strahlung
100 Substrat
101 Hauptoberfläche des Substrats
102 Seitenfläche des Substrats
1 04 Wafer
1 05 AIN-Schicht
110 erste Halbleiterschicht
1 13 QuantentopfSchicht
1 14 QuantentopfStruktur
1 15 aktive Zone
1 1 6 Barrierenschicht
1 17 Elektronen-BlockierSchicht
120 zweite Halbleiterschicht
122 Deckschicht
123 KontaktSchicht
125 Zwischenschicht
12 6 erste Teilschicht
127 zweite Teilschicht
130 erstes Kontaktelement
135 zweites Kontaktelement

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10), umfas send :
eine erste Halbleiterschicht (110) von einem n- Leitfähigkeitstyp, wobei die erste Halbleiterschicht (110) die Zusammensetzung AlxGai-xN hat;
eine zweite Halbleiterschicht (120) von einem p- Leitfähigkeitstyp;
eine aktive Zone (115) zwischen der ersten Halbleiter schicht (110) und der zweiten Halbleiterschicht (120), wobei die aktive Zone (115) eine QuantentopfStruktur (114) aufweist, sowie
eine Zwischenschicht (125) zwischen der ersten Halb leiterschicht (110) und der aktiven Zone (115), wobei die Zwi schenschicht (125) ein Halbleitermaterial der Zusammensetzung AlyGai-yN umfasst, mit x*l,05< y <1, und wobei die Zwischen schicht (125) direkt an die aktive Zone (115) angrenzt.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 1, bei dem die Zwischenschicht (125) eine Schichtdicke größer als 2 nm hat.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 1 oder 2, bei dem die Zwischenschicht (125) eine Schichtdicke größer als 8 nm hat.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 3, bei dem die Zwischenschicht (125) eine Schichtdicke größer als 40 nm hat.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht (125) eine Schichtdicke kleiner als 100 nm hat.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht (125) undotiert ist.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Zwischenschicht (125) vom n-Leitfähigkeitstyp ist.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht (125) einen Schichtstapel mit abwechselnd übereinander gesta pelten ersten Teilschichten (126) der Zusammensetzung AlyOai- y'N (0 < y' <1) mit einer Schichtdicke d', und zweiten Teil schichten (127) der Zusammensetzung Aly"Gai-y"N (0 <y'' <y') mit einer Schichtdicke d'' aufweist, wobei x*l,05< yavg <1 und yavg = (y '*d ' + y"*d") / (d'+d") .
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 8, bei dem die Schichtdicken der ersten und zweiten Teilschichten (126, 127) jeweils größer als 1 nm und kleiner als 10 nm sind.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 8 oder 9, bei dem die Schichtdicke der Zwischenschicht kleiner als 100 nm ist.
11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterschicht (110) die Zusammensetzung AlxGai-xN hat mit 0,3 < x < 0,95.
12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Aluminiumgehalt der Zwi- schenschicht (125) mit zunehmendem Abstand von der aktiven Zo ne abnimmt .
13. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) umfassend:
Ausbilden (S100) einer ersten Halbleiterschicht (110) von einem n-Leitfähigkeitstyp, wobei die erste Halbleiter schicht (110) die Zusammensetzung AlxGai-xN hat;
Ausbilden (S130) einer zweiten Halbleiterschicht (120) von einem p-Leitfähigkeitstyp;
Ausbilden (S120) einer aktiven Zone (115) zwischen der ersten Halbleiterschicht (110) und der zweiten Halbleiter schicht (120), wobei die aktive Zone (115) eine Quantentopf struktur (114) aufweist, sowie
Ausbilden ( S 110 ) einer Zwischenschicht (125) zwischen der ersten Halbleiterschicht (110) und der aktiven Zone (115), wobei die Zwischenschicht (125) ein Halbleitermaterial der Zu sammensetzung AlyGai-yN umfasst, mit x*l,05< y <1, und wobei die Zwischenschicht (125) direkt an die aktive Zone (115) an grenzt .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Ausbildung der ersten Halbleiterschicht (110) aus einem metallübersättigten Gasgemisch erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Ausbildung der Zwischenschicht (125) aus einem metallübersättigten Gasgemisch erfolgt und ein Grad der Metallübersättigung für die Abschei dung der Zwischenschicht (125) niedriger ist als für die erste Halbleiterschicht (110) .
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein Grad der Metal lübersättigung für die Abscheidung der Zwischenschicht (125) mindestens 10% geringer als für die erste Halbleiterschicht (110) ist.
17. Optoelektronische Vorrichtung (15), welche das opto- elektronische Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprü che 1 bis 13 aufweist.
18. Optoelektronische Vorrichtung (15) nach Anspruch 17, die ausgewählt ist aus einem UV-Desinfektionsgerät, einem UV- Härtungsvorrichtung oder einer UV-Messeinrichtung .
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