WO2020182444A1 - Aufwachsstruktur für ein strahlung emittierendes halbleiterbauelement und strahlung emittierendes halbleiterbauelement - Google Patents

Aufwachsstruktur für ein strahlung emittierendes halbleiterbauelement und strahlung emittierendes halbleiterbauelement Download PDF

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    • H10P14/3441—Conductivity type
    • H10P14/3442—N-type

Definitions

  • a growth structure for a radiation-emitting semiconductor component which contains, in particular, a material based on arsenide compound semiconductors.
  • dislocation density in GaAs wafers is, however, at 10 5 cm -2. Dislocations that occur in the GaAs substrate
  • the semiconductor structure or luminescence diode structure can lead to spontaneous failures and increased aging during operation.
  • a growth structure for a radiation-emitting semiconductor component is specified.
  • the growth structure is particularly suitable for a laser diode.
  • the growth structure comprises a
  • Semiconductor substrate containing a material based on arsenide compound semiconductors containing a material based on arsenide compound semiconductors.
  • the growth structure has a buffer structure which is arranged on the semiconductor substrate and contains a material based on arsenide compound semiconductors.
  • a structure designated in this way or a part of this structure preferably comprises Al n Ga m In- nm As, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1. This material does not necessarily have to be mathematically exact
  • composition according to the above formula can have one or more dopants as well as additional ones
  • the buffer structure comprises a buffer layer which has at least one n-doped layer which contains oxygen.
  • the at least one n-doped layer therefore contains oxygen.
  • a mole fraction of oxygen in the n-doped layer is between 10 15 cnr 3 and 10 19 cm -3.
  • the mole fraction of oxygen is in the n-doped layer is greater than 10 15 cnr 3 and at most 10 19 cm -3.
  • the oxygen - for example like a
  • the oxygen in the n-doped layer advantageously helps to compensate for the
  • oxygen-containing layer is between 10 17 cnr 3 and 10 18 cm -3.
  • the mole fraction can be at least 100 ppm and at most 20,000 ppm. Also here are
  • Deviations of up to 10% are tolerable. With a mole fraction in the specified ranges, it is possible that a large part of the dislocation lines are bent so that they do not reach a surface of the
  • Luminous diode structure is provided.
  • Radiation-emitting semiconductor component the electrical conductivity of the buffer layer or respectively
  • Buffer structure guaranteed.
  • several layers contained in the buffer structure are n-doped with the same dopant.
  • the buffer structure is or are contained in the buffer structure
  • Layers grown on the semiconductor substrate can be done by epitaxial deposition, for example by means of MOCVD (“Metal-Organic Chemical Vapor Deposition”), MBE (“Molecular Beam Epitaxy”) or LPE (“Liquid Phase Epitaxy”).
  • MOCVD Metal-Organic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • LPE Liquid Phase Epitaxy
  • the above-mentioned dislocation density means the total length of all dislocation lines per unit volume in a crystalline solid.
  • the dislocation lines extend from the growth substrate into the luminescence diode structure and lead to defects there. This problem becomes
  • Luminous diode structure can penetrate, and the
  • the luminescence diode structure is therefore largely dislocation-free or the dislocation density is insignificant
  • the at least one n-doped oxygen-containing layer contains AlGaAsO. Since AlGaAs or AlGaAsO has almost the same lattice constant as GaAs, the less common gallium can advantageously be at least partially replaced by the more common aluminum.
  • a mole fraction of aluminum is preferably between 1% and 100% inclusive, particularly preferably between 1% and 60% inclusive.
  • the at least one n-doped layer (5) contains Al m Ga As m: 0, where 0:01 ⁇ m ⁇ 1, more preferably 0:01 ⁇ m ⁇ 0.6 applies. Deviations of up to 10% are quite tolerable.
  • the oxygen is introduced into a GaAs material with a complex aluminum compound, with AlGaAsO being formed.
  • the at least one n-doped oxygen-containing layer consists of AlGaAsO.
  • the at least one n-doped oxygen-containing layer is preferably free from indium.
  • Buffer layer made of an n-doped, oxygen-containing
  • the buffer layer is a so-called “bulk layer”.
  • the buffer layer is largely homogeneous, that is to say made from only a single material, and is comparatively thick or stable.
  • the n-doped, oxygen-containing layer can or buffer layer have a thickness between 50 nm and 800 nm inclusive.
  • a suitable material for the n-doped oxygen-containing layer or buffer layer is preferably AlGaAsO, that is to say AlGaAs mixed with oxygen.
  • the n-doped layer can be n-doped with dopants such as Te and / or Si.
  • the Buffer layer in particular formed largely without interruption.
  • the buffer layer can have at least one n-doped, oxygen-free layer, that is to say a layer without oxygen, and at least one n-doped, oxygen-containing layer which
  • Buffer layer has a plurality of n-doped, oxygen-free and a plurality of n-doped oxygen-containing layers, which are arranged alternately.
  • the at least one oxygen-containing layer can be formed from AlGaAsO. For which at least one oxygen-free layer comes
  • the buffer layer particularly preferably consists of a superlattice, that is to say of a sequence of thin layers which are periodic
  • the superlattice can have 5 to 20 repetitions.
  • the at least one oxygen-free layer can be made thicker than the at least one oxygen-containing layer.
  • the at least one oxygen-free layer is preferably with a thickness between 0.5 nm inclusive, which is a monolayer
  • the thickness of the at least one oxygen-containing layer can be between 0.5 nm, preferably 1 nm, and 5 nm. Deviations of up to 10% are quite tolerable.
  • tellurium, silicon or sulfur can be used as the n-type dopant for the at least one oxygen-free layer. Both in the oxygen-containing and in the oxygen-free layers, the same n-dopant can be used for doping these layers.
  • the buffer structure consists of the buffer layer, that is to say the
  • the buffer structure has no further layers.
  • the buffer structure can have at least one further buffer layer.
  • the further buffer layer is arranged, for example, on a side of the above-described first buffer layer facing the semiconductor substrate.
  • the further, second buffer layer can contain GaAs and be n-doped.
  • tellurium, silicon or sulfur can be used as the n-type dopant for the further buffer layer
  • the second buffer layer is free of oxygen. If the buffer structure has a further buffer layer, the first buffer layer can be made thinner. In this case, a thickness of about 10 nm can be sufficient.
  • the buffer structure can be on a side of the first, facing away from the semiconductor substrate
  • Buffer layer have a further buffer layer.
  • This buffer layer can also contain GaAs and be doped with an n-type dopant such as tellurium, silicon or sulfur and be free of oxygen.
  • Buffer structure a first buffer layer that consists of a
  • the crystal quality of the growth structure can be further improved by means of the further buffer layer (s).
  • the lattice constant of the growth structure can be further improved by means of the further buffer layer (s).
  • the buffer structure comprises a first buffer layer, which is designed as a “bulk layer” with the above-mentioned properties, and also has a second and / or third buffer layer, which (each) consists of a superlattice with the above-mentioned
  • the at least one further buffer layer can serve as an etch stop layer when the semiconductor substrate or the growth structure is detached from the luminescence diode structure.
  • a radiation-emitting semiconductor component which has a growth structure as described above.
  • the growth structure thus comprises a semiconductor substrate that has an arsenide
  • the growth structure comprises a buffer structure which is arranged on the semiconductor substrate, which contains a material based on arsenide compound semiconductors and which has a buffer layer with at least one n-doped layer which contains oxygen.
  • the first area is preferably an n-conducting area and the second area is a p-conducting area.
  • the first area is particularly preferred on one of the first area
  • a structure designated in this way or a part of this structure preferably comprises Al n Ga m In- nm As or Al n Ga m In- nm P, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but rather it can have one or more dopants as well as additional components that
  • the above formula only contains the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, P), even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the luminescence diode structure by means of MOCVD ("Metal-Organic Chemical Vapor Deposition"), MBE
  • based luminescence diode structure or its active area is for generating radiation with a wavelength in the red (InxGayAll-x-yP) to infrared
  • the radiation-emitting transmits
  • the active area of the luminescence diode structure preferably has a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW) or a
  • quantum well structure for generating radiation.
  • quantum well structure includes in particular any structure in which
  • quantum well structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the n-conductive region, the active region and the p-conductive region can each have one or more layers.
  • the radiation-emitting semiconductor component is a
  • Laser diode i.e. a coherent emitter.
  • the laser diode is a
  • High-performance laser diode that produces a radiation output of 20 W up to and including 300 W with a current between 20 A and 300 A.
  • the luminescence diode structure of the semiconductor component can be designed as a laser bar and several
  • Semiconductor component has in particular at least ten strip-shaped regions lying next to one another.
  • the radiation-emitting semiconductor component is an edge emitter. This means that the radiation generated by the active region emerges on at least one side surface of the semiconductor component.
  • the side surfaces limit that
  • the direction of growth of the luminescence diode structure run.
  • the growing direction indicates the direction in which the
  • Layers of the luminescence diode structure are applied one after the other to the growth structure.
  • the radiation-emitting one may be
  • the component can be a surface emitter.
  • the radiation generated in the active area occurs at one
  • the semiconductor component is on one of the main surfaces
  • Luminous diode structure limited to the outside. It is true that the radiation output that can be achieved with a surface emitter is generally lower than with one
  • Edge emitter However, surface emitters often have a better beam quality.
  • the use of the radiation-emitting semiconductor component decides whether it is used as a Edge emitter or is formed as a surface emitter. While edge emitters are used, for example, as pump lasers, surface emitters are used, for example, as optical transmitters for fiber optic data transmission and also for laser printers.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a TEM image of a conventional nitride compound semiconductor based
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional representation of a
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional representation of a
  • Radiation-emitting semiconductor component according to a second exemplary embodiment.
  • Figures 1 to 4 are each schematic representations and are therefore not necessarily true to scale. Rather, comparatively small elements and in particular
  • FIG. 1 shows a conventional semiconductor structure 15 based on nitride compound semiconductors.
  • nitride compound semiconductors means in the present context that the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof comprises a nitride III / V compound semiconductor material.
  • the semiconductor structure 15 has a growth structure 1 and a semiconductor layer sequence 17 grown thereon.
  • the growth structure 1 comprises a semiconductor substrate 2 and an ELOG (“Epitaxial Lateral”)
  • Overgrowth masking layer 16 applied to the
  • the ELOG masking layer 16 is to reduce the
  • the masking layer 16 is made of SiN, while the semiconductor substrate 2 is made of sapphire.
  • the ELOG masking layer 16 has a plurality of
  • the growth structure 1 has one of the
  • Semiconductor layer sequence 17 facing side compared to semiconductor substrate 2 has a reduced dislocation density.
  • Recesses in the ELOG masking layer 16, for example due to photolithographic structuring, are comparatively complex.
  • Figure 2 shows a comparative example of radiation
  • emitting semiconductor device 10 comprises a
  • Luminescence diode structure 11 which is used to generate
  • Radiation preferably in the infrared range, is provided.
  • the growth structure 1 has a semiconductor substrate 2 made of GaAs with a comparatively high dislocation density. To reduce the dislocation density, the
  • Growth structure 1 a buffer layer 4, which is on the
  • Luminescence diode structure 11 is grown.
  • the buffer layer 4 is an n-doped layer made of GaAs which is free of oxygen.
  • tellurium is used here as the n-dopant.
  • the luminescence diode structure 11 is deposited on the growth structure 1.
  • the luminescence diode structure 11 contains materials based on arsenide compound semiconductors.
  • Luminescence diode structure 11 has a first, n-conducting
  • Area 12 which is followed in a growth direction A by an active area 13 for generating radiation.
  • a second, p-conductive region 14 follows the active region 13 in the growth direction A.
  • the buffer layer 4 contained in the growth structure 1 can be formed largely without dislocations.
  • the buffer layer 4 cannot sufficiently prevent the during the growth of the
  • dislocation lines 7 extend from the semiconductor substrate 2 through the first region 12 and the active region 13 to the second region 14 and thereby reduce the dislocation lines 7
  • the radiation-emitting semiconductor component 10 shown in FIG. 3 has a growth structure 1 and a luminescence diode structure 11 arranged thereon for generating radiation.
  • the growth structure 1 is a
  • the semiconductor substrate 2 forms, in particular, a growth substrate that is used both for growing the
  • Luminescence diode structure 11 is suitable. Furthermore, the semiconductor substrate 2 advantageously forms a self-supporting, stable base body and can in the finished radiation
  • the semiconductor substrate 2 can be removed or at least thinned and, for example, replaced by another carrier.
  • Both the semiconductor substrate 2 and the buffer structure 3 are formed from materials based on arsenide compound semiconductors.
  • the semiconductor substrate 2 is preferably made of GaAs.
  • the luminescence diode structure 11 can also contain materials based on arsenide compound semiconductors.
  • the luminescence diode structure 11 can contain materials that are based on phosphide compound semiconductors.
  • Luminescence diode structures 3, 11 are, for example, MOCVD
  • the buffer structure 3 consists of a buffer layer 4, which a
  • the buffer layer 4 comprises several n-doped, oxygen-free layers 6 and several n-doped, oxygen-containing layers 5, which are shown in FIG.
  • a particularly suitable material system for the oxygen-containing layers 5 is AlGaAsO. Where is a
  • the mole fraction of oxygen is greater than 10 15 cnr 3 and at most 10 19 cm -3. More preferably, the mole fraction of oxygen is in the n-doped layers 5 between 10 and 17 cnr 3 10 18 cm -3. In other words, the mole fraction can be at least 100 ppm and at most 20,000 ppm.
  • GaAs is particularly suitable for the oxygen-free layers 6. Deviations of up to 10% are in the specified
  • n-dopant can be used in each case for doping these layers in both oxygen-containing and oxygen-free layers 6, 5.
  • the oxygen-free layers 6 are preferably with a thickness Dl between inclusive
  • nm 0.5 nm, preferably 2 nm, and 10 nm inclusive
  • the luminescence diode structure 11 has a first region 12 of a first conductivity type, a second region 14 of a second conductivity type and an active region 13 arranged between the first and second regions 14 for generating radiation.
  • the first region 12 is preferably an n-conducting region and the second region is a p-conducting region 14.
  • the first area 12 is on one of the first area 12
  • the side of the active region 13 facing the growth structure 1 is arranged, while the second region 14 is located on a side of the active region 13 facing away from the growth structure 1.
  • Semiconductor substrate 2 dislocation lines 7 which extend into the buffer structure 3 or buffer layer 4.
  • the dislocation lines 7 are largely bent by means of the buffer structure 3 or buffer layer 4, so that they do not migrate further into the luminescence diode structure 11.
  • the inventors have found that, in particular, the oxygen used in the n-doped layers 5 causes the dislocation lines to bend, so that these mostly do not enter the
  • Luminous diode structure 11 can advance.
  • a buffer structure 3 which does not consist of only one buffer layer 4, as in the exemplary embodiment shown, but has at least one further buffer layer (not shown).
  • a further buffer layer can be arranged on a side of the buffer layer 4 facing the semiconductor substrate 2 or on a side of the buffer layer 4 facing away from the semiconductor substrate 2.
  • the at least one further buffer layer can contain GaAs, be free of oxygen and, moreover, be n-doped. For example, tellurium can be used as the n-type dopant. It is also conceivable that the at least one further buffer layer as a “bulk layer” with the
  • the radiation-emitting semiconductor component 10 is designed as a laser diode, which in particular emits radiation in the
  • Luminescence diode structure run.
  • the growth direction A indicates the direction in which the areas 12, 13, 14 of the luminescent diode structure 11 successively on the
  • the radiation-emitting component 10 is a high-power laser diode that has a
  • Radiation-emitting semiconductor component 10 has a structure similar to that shown in FIG.
  • the radiation-emitting semiconductor component 10 comprises a growth structure 1 and one arranged thereon
  • Luminescence diode structure 11 for generating radiation can contain materials based on arsenide compound semiconductors. Alternatively, the
  • Luminous diode structure 11 can be formed from materials based on phosphide compound semiconductors.
  • the growth structure 1 comprises a semiconductor substrate 2, preferably a GaAs substrate, and a buffer structure 3, which in particular is grown on the semiconductor substrate 2.
  • the buffer structure 3 has a first buffer layer 4, which consists of an n-doped, oxygen-containing layer 5.
  • the buffer layer 4 has AlGaAs as a material system to which oxygen has been added.
  • the buffer layer 4 is thus formed from AlGaAsO.
  • the buffer layer 4 is a so-called “bulk layer”. In other words, the buffer layer 4 is largely homogeneous, that is to say only off a single material system, and made comparatively thick or stable.
  • the buffer structure 3 has two further buffer layers 8, 9, between which the first buffer layer 4 is arranged.
  • the first buffer layer 4 can be made comparatively thin with a thickness D of approximately 10 nm.
  • the second and third buffer layers 8, 9 can each contain GaAs and be n-doped, with tellurium, for example, being used as the n-dopant. In particular, they are
  • Buffer layers 8, 9 free of oxygen.
  • the second and third buffer layers 8, 9 can each consist of a superlattice, as in connection with the one in FIG.
  • the buffer structure 3 has only one further buffer layer, which is on one of the
  • Semiconductor substrate 2 facing or facing away from the first buffer layer 4 is arranged.
  • the buffer structure 3 may consist only of the buffer layer 4.
  • the buffer layer 4 is made comparatively thick with a preferred thickness D between 50 nm and 150 nm inclusive, deviations of up to 10% being tolerable.
  • the radiation-emitting component 10 is preferably an edge-emitting laser diode with those already described in connection with FIG.
  • emitting semiconductor component 10 also by a act surface-emitting laser diode, in which the
  • Luminescence diode structures 11 are improved, so that fewer failures occur in the semiconductor components 10 and the operating time can be extended.

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Abstract

Es wird eine Aufwachsstruktur (1) für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (10) angegeben umfassend - ein Halbleitersubstrat (2), das - einauf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält, - eine Pufferstruktur (3), die - auf dem Halbleitersubstrat (2) angeordnet ist, - ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält und - eine Pufferschicht (4) mit zumindest einer n-dotierten Schicht (5) aufweist, wobei die n-dotierte Schicht (5) Sauerstoff enthält. Ferner wird ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (10) mit einer Aufwachsstruktur (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes
Halbleiterbauelement und Strahlung emittierendes
Halbleiterbauelement
Es wird eine Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben, die insbesondere ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält.
Es sind Aufwachssubstrate aus GaAs bekannt, die mit dem
Problem einer vergleichsweise hohen Versetzungsdichte
behaftet sind. Während Siliziumwafer für gewöhnlich eine sehr geringe Versetzungsdichte von weniger als 100 cnr2 aufweisen, liegt die Versetzungsdichte bei GaAs-Wafern hingegen bei 105 cm-2. Dabei können Versetzungen, die im GaAs-Substrat
auftreten, in darüberliegende Schichten einer aufgewachsenen Halbleiterstruktur weitermigrieren. Bei einem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement mit einer derartigen
Halbleiterstruktur beziehungsweise Lumineszenzdiodenstruktur kann es infolgedessen im Betrieb zu spontanen Ausfällen und einer verstärkten Alterung kommen. Die bislang verwendeten Pufferschichten oder ELOG („Epitaxial Lateral
Overgrowth") - Maskierungsschichten können dieses Problem nicht oder nur mit erheblichem Aufwand verhindern.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, eine
Aufwachsstruktur beziehungsweise ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Kristallqualität bei annehmbarem Herstellungsaufwand anzugeben. Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Aufwachsstruktur beziehungsweise ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement mit den
Merkmalen der unabhängigen Gegenstandsansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Aufwachsstruktur beziehungsweise des Strahlung emittierenden
Halbleiterbauelements sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche .
Es wird eine Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben. Insbesondere eignet sich die Aufwachsstruktur für eine Laserdiode. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Aufwachsstruktur ein
Halbleitersubstrat, das ein auf Arsenid- Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält.
Weiterhin weist die Aufwachsstruktur eine Pufferstruktur auf, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist und ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält.
„Auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine derart bezeichnete Struktur oder ein Teil dieser Struktur vorzugsweise AlnGamIni-n-mAs 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 physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird für die
Aufwachsstruktur ein Halbleitersubstrat verwendet, das aus GaAs besteht. Auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Halbleitersubstrate beziehungsweise Aufwachsstrukturen eignen sich besonders zur Herstellung von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen, die auf Arsenid- oder Phosphid- Verbindungshalbleitern basieren. Die Pufferstruktur umfasst eine Pufferschicht, die zumindest eine n-dotierte Schicht aufweist, die Sauerstoff enthält. Die zumindest eine n-dotierte Schicht ist also sauerstoffhaltig. Dabei beträgt ein Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n- dotierten Schicht zwischen 1015 cnr3 und 1019 cm-3. Insbesondere ist der Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten Schicht größer als 1015 cnr3 und beträgt höchstens 1019 cm-3. Dabei kann der Sauerstoff - zum Beispiel wie ein
Dotierstoff - in eine Kristallstruktur der n-dotierten
Schicht eingebaut sein. Mit Vorteil trägt der Sauerstoff in der n-dotierten Schicht zur Kompensation der
Versetzungsdichte des Halbleitersubstrats bei.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der
Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten
sauerstoffhaltigen Schicht zwischen 1017 cnr3 und 1018 cm-3.
Anders ausgedrückt kann der Stoffmengenanteil mindestens 100 ppm und höchstens 20000 ppm betragen. Auch hier sind
Abweichungen von bis zu 10 % durchaus tolerabel. Mit einem Stoffmengenanteil in den angegebenen Bereichen ist es möglich, dass ein Großteil der Versetzungslinien abgeknickt wird, so dass sie nicht bis an eine Oberfläche des
Aufwachssubstrats heranreichen, die zum Aufwachsen der
Lumineszenzdiodenstruktur vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die Pufferschicht beziehungsweise die
Pufferstruktur insgesamt n-dotiert, was im Betrieb des
Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements die elektrische Leitfähigkeit der Pufferschicht beziehungsweise
Pufferstruktur gewährleistet. Insbesondere sind mehrere in der Pufferstruktur enthaltene Schichten mit dem gleichen Dotierstoff n-dotiert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Pufferstruktur beziehungsweise sind in der Pufferstruktur enthaltene
Schichten auf dem Halbleitersubstrat aufgewachsen . Dies kann durch epitaktische Abscheidung, beispielsweise mittels MOCVD („Metal-Organic Chemical Vapour Deposition" ) , MBE („Molecular Beam Epitaxy") oder LPE („Liquid Phase Epitaxy"), erfolgen.
Im Vergleich zu der Herstellung einer Aufwachsstruktur, bei der auf dem Halbleitersubstrat eine ELOG-Maskierungsschicht erzeugt wird, entfällt hierbei die aufwändige Strukturierung der Maskierungsschicht.
Unter der oben erwähnten Versetzungsdichte versteht man die Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumeneinheit in einem kristallinen Festkörper. Bei herkömmlichen
Halbleiterbauelementen erstrecken sich die Versetzungslinien von dem Aufwachssubstrat bis in die Lumineszenzdiodenstruktur und führen dort zu Störstellen. Dieses Problem wird
vorliegend insbesondere mittels der Pufferschicht gelöst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Halbleitersubstrat Versetzungslinien auf, die sich in die Pufferstruktur fortsetzen und mittels der Pufferschicht abgeknickt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere der in der Pufferschicht verwendete Sauerstoff ein Abknicken der Versetzungslinien des Halbleitersubstrats bewirkt, so dass diese größtenteils nicht in die
Lumineszenzdiodenstruktur Vordringen können, und die
Lumineszenzdiodenstruktur daher weitgehend versetzungsfrei ist oder die Versetzungsdichte eine unwesentliche
Größenordnung erlangt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht AlGaAsO. Da AlGaAs beziehungsweise AlGaAsO nahezu die gleiche Gitterkonstante aufweist wie GaAs, kann das seltener vorkommende Gallium mit Vorteil zumindest teilweise durch das häufiger vorkommende Aluminium ersetzt werden. Dabei beträgt ein Stoffmengenanteil von Aluminium vorzugsweise zwischen einschließlich 1 % und 100%, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 % und einschließlich 60 %. In anderen Worten enthält die zumindest eine n-dotierte Schicht (5) AlmGai-mAs : 0, wobei 0.01 < m < 1, besonders bevorzugt 0.01 < m < 0.6, gilt. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel. Beispielsweise wird der Sauerstoff mit einer komplexen Aluminiumverbindung in ein GaAs- Material eingebracht, wobei AlGaAsO ausgebildet wird. Insbesondere besteht die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht aus AlGaAsO.
Weiterhin ist die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht vorzugsweise frei von Indium.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel besteht die
Pufferschicht aus einer n-dotierten, sauerstoffhaltigen
Schicht. In diesem Fall handelt es sich bei der Pufferschicht um einen sogenannten „bulk layer" . In anderen Worten ist die Pufferschicht größtenteils homogen, das heißt nur aus einem einzigen Material, und vergleichsweise dick beziehungsweise stabil ausgebildet. Beispielsweise kann die n-dotierte, sauerstoffhaltige Schicht beziehungsweise Pufferschicht eine Dicke zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 800 nm aufweisen. Als Material für die n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht beziehungsweise Pufferschicht kommt vorzugsweise AlGaAsO, also mit Sauerstoff versetztes AlGaAs in Frage.
Weiterhin kann die n-dotierte Schicht mit Dotierstoffen wie Te und/oder Si n-dotiert sein. Darüber hinaus ist die Pufferschicht insbesondere weitgehend unterbrechungsfrei ausgebildet .
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Pufferschicht mindestens eine n-dotierte, sauerstofffreie Schicht, das heißt eine Schicht ohne Sauerstoff, und mindestens eine n- dotierte, sauerstoffhaltige Schicht aufweisen, die
aufeinander angeordnet sind. Insbesondere weist die
Pufferschicht mehrere jeweils n-dotierte, sauerstofffreie und mehrere jeweils n-dotierte sauerstoffhaltige Schichten auf, die abwechselnd angeordnet sind. Dabei kann die mindestens eine sauerstoffhaltige Schicht aus AlGaAsO gebildet sein. Für die mindestens eine sauerstofffreie Schicht kommt
vorzugsweise GaAs in Betracht. Besonders bevorzugt besteht die Pufferschicht aus einem Übergitter, das heißt aus einer Abfolge von dünnen Schichten, die sich periodisch
wiederholen. Beispielsweise kann das Übergitter 5 bis 20 Wiederholungen aufweisen. Dabei kann die mindestens eine sauerstofffreie Schicht dicker ausgebildet sein als die mindestens eine sauerstoffhaltige Schicht. Die mindestens eine sauerstofffreie Schicht ist vorzugsweise mit einer Dicke zwischen einschließlich 0,5 nm, was einer Monolage
entspricht, vorzugsweise 2 nm, und einschließlich 10 nm ausgebildet. Weiterhin kann die Dicke der mindestens einen sauerstoffhaltigen Schicht zwischen 0,5 nm, vorzugsweise 1 nm, und 5 nm betragen. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff für die mindestens eine sauerstofffreie Schicht Tellur, Silizium oder Schwefel verwendet werden. Sowohl in den sauerstoffhaltigen als auch in den sauerstofffreien Schichten kann jeweils derselbe n-Dotierstoff zur Dotierung dieser Schichten Verwendung finden. Gemäß zumindest einer Aus führungs form besteht die Pufferstruktur aus der Pufferschicht, das heißt die
Pufferstruktur weist außer der Pufferschicht keine weiteren Schichten auf.
Alternativ kann die Pufferstruktur zumindest eine weitere Pufferschicht aufweisen. Die weitere Pufferschicht ist beispielsweise auf einer dem Halbleitersubstrat zugewandten Seite der oben beschriebenen ersten Pufferschicht angeordnet. Die weitere, zweite Pufferschicht kann GaAs enthalten und n- dotiert sein. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff Tellur, Silizium oder Schwefel für die weitere Pufferschicht
verwendet werden. Insbesondere ist die zweite Pufferschicht frei von Sauerstoff. Weist die Pufferstruktur eine weitere Pufferschicht auf, so kann die erste Pufferschicht dünner ausgebildet sein. In diesem Fall kann bereits eine Dicke von etwa 10 nm ausreichend sein.
Zusätzlich oder alternativ kann die Pufferstruktur auf einer dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite der ersten
Pufferschicht eine weitere Pufferschicht aufweisen. Auch diese Pufferschicht kann GaAs enthalten und mit einem n- Dotierstoff wie etwa Tellur, Silizium oder Schwefel dotiert und dabei frei von Sauerstoff sein.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die
Pufferstruktur eine erste Pufferschicht, die aus einem
Übergitter mit den oben genannten Eigenschaften besteht, sowie eine zweite und/oder dritte Pufferschicht, die
(jeweils) als „bulk layer" mit den oben genannten
Eigenschaften ausgebildet sind. Mittels der weiteren Pufferschicht (en) kann die Kristallqualität der Aufwachsstruktur weiter verbessert werden. Außerdem kann dadurch die Gitterkonstante der
Aufwachsstruktur an die Gitterkonstante des
Halbleitersubstrats weiter angenähert werden.
Ferner ist es denkbar, dass die Pufferstruktur eine erste Pufferschicht umfasst, die als „bulk layer" mit den oben genannten Eigenschaften ausgebildet ist, und darüber hinaus eine zweite und/oder dritte Pufferschicht aufweist, die (jeweils) aus einem Übergitter mit den oben genannten
Eigenschaften bestehen.
Beispielsweise kann die zumindest eine weitere Pufferschicht bei einer Ablösung des Halbleitersubstrats beziehungsweise der Aufwachsstruktur von der Lumineszenzdiodenstruktur als Ätzstoppschicht dienen.
Es wird ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben, das eine wie oben beschriebene Aufwachsstruktur aufweist. Insbesondere umfasst also die Aufwachsstruktur ein Halbleitersubstrat, das ein auf Arsenid-
Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält. Darüber hinaus umfasst die Aufwachsstruktur eine Pufferstruktur, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, die ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält und die eine Pufferschicht mit zumindest einer n-dotierten Schicht aufweist, die Sauerstoff enthält.
Weiterhin weist das Strahlung emittierende
Halbleiterbauelement eine auf Arsenid- oder Phosphid- Verbindungshalbleitern basierende Lumineszenzdiodenstruktur auf, die einen ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps , einen zweiten Bereich eines zweiten
Leitfähigkeitstyps und einen zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordneten aktiven Bereich zur Strahlungserzeugung aufweist, wobei die Lumineszenzdiodenstruktur auf die
Aufwachsstruktur aufgewachsen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen n-leitenden Bereich und bei dem zweiten Bereich um einen p-leitenden Bereich.
Besonders bevorzugt ist der erste Bereich auf einer der
Aufwachsstruktur zugewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet, während sich der zweite Bereich auf einer der Aufwachsstruktur abgewandten Seite des aktiven Bereichs befindet .
„Auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine derart bezeichnete Struktur oder ein Teil dieser Struktur vorzugsweise AlnGamIni- n-mAs oder AlnGamIni-n-mP 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
physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Beispielsweise kann die Lumineszenzdiodenstruktur mittels MOCVD („Metal-Organic Chemical Vapour Deposition" ) , MBE
(„Molecular Beam Epitaxy") oder LPE („Liquid Phase Epitaxy") epitaktisch auf die Aufwachsstruktur aufgewachsen sein. Die auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierende Lumineszenzdiodenstruktur beziehungsweise deren aktiver Bereich ist zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge im roten ( InxGayAll-x-yP) bis infraroten
( InxGayAll-x-yAs ) Spektralbereich besonders geeignet.
Insbesondere sendet das Strahlung emittierende
Halbleiterbauelement im Betrieb Strahlung mit einer
Wellenlänge zwischen 750 nm und 1200 nm aus.
Der aktive Bereich der Lumineszenzdiodenstruktur weist vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine EinfachquantentopfStruktur (SQW) oder eine
MehrfachquantentopfStruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung auf. Die Bezeichnung QuantentopfStruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der
Ladungsträger durch Einschluss ( confinements ) eine
Quantisierung mehrerer Energiezustände erfahren können.
Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der n-leitende Bereich, der aktive Bereich und der p-leitende Bereich können jeweils eine oder mehrere Schichten aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement um eine
Laserdiode, also um einen kohärenten Emitter. Insbesondere handelt es sich bei der Laserdiode um eine
Hochleistungslaserdiode, die eine Strahlungsleistung von einschließlich 20 W bis einschließlich 300 W bei einem Strom zwischen 20 A und 300 A erbringt. Um eine derartige
Strahlungsleistung zu erreichen, kann die Lumineszenzdiodenstruktur des Halbleiterbauelements als Laserbarren ausgebildet sein und mehrere
nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche aufweisen, die elektrisch parallel betrieben werden. Das
Halbleiterbauelement weist insbesondere mindestens zehn nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement ein Kantenemitter. Dies bedeutet, dass die von dem aktiven Bereich erzeugte Strahlung an zumindest einer Seitenfläche des Halbleiterbauelements austritt. Die Seitenflächen begrenzen das
Halbleiterbauelement in lateralen Richtungen, das heißt in Richtungen, die quer, insbesondere senkrecht, zu einer
Aufwachsrichtung der Lumineszenzdiodenstruktur verlaufen. Die Aufwachsrichtung gibt die Richtung an, in welcher die
Schichten der Lumineszenzdiodenstruktur nacheinander auf die Aufwachsstruktur aufgebracht werden.
Alternativ kann es sich bei dem Strahlung emittierenden
Bauelement um einen Oberflächenemitter handeln. Hierbei tritt die in dem aktiven Bereich erzeugte Strahlung an einer
Hauptfläche des Halbleiterbauelements aus. Durch die
Hauptfläche wird das Halbleiterbauelement auf einer der
Aufwachsstruktur abgewandten Seite der
Lumineszenzdiodenstruktur nach außen begrenzt. Zwar ist die Strahlungsleistung, die mit einem Oberflächenemitter erzielt werden kann, in der Regel geringer als bei einem
Kantenemitter. Jedoch weisen Oberflächenemitter häufig eine bessere Strahlqualität auf.
Insgesamt entscheidet also die Verwendung des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements darüber, ob es als Kantenemitter oder als Oberflächenemitter ausgebildet wird. Während Kantenemitter beispielsweise als Pumplaser Anwendung finden, werden Oberflächenemitter zum Beispiel als optische Sender für Glasfaser-Datenübertragung und weiterhin für Laserdrucker benutzt.
Weitere Vorteile, bevorzugte Aus führungs formen und
Weiterbildungen der Aufwachsstruktur sowie des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements ergeben sich aus den nachfolgenden Erläuterungen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer TEM-Aufnahme einer herkömmlichen, auf Nitrid- Verbindungshalbleitern basierenden
Halbleiterstruktur (Quelle: Dissertation „Metallorganische Gasphasen-Epitaxie von Gruppe I I I-Nitrid-basierten LED Strukturen auf Silizium", Seite 136, Bild 5.36, 07.07.1982, Sebastian
Drechsel ) ,
Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem Vergleichsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 4 ein schematische Querschnittsdarstellung eines
Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 bis 4 sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere
Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein .
Figur 1 zeigt eine herkömmliche, auf Nitrid- Verbindungshalbleitern basierende Halbleiterstruktur 15.
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie- Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid- III/V-Verbindungshalbleitermaterial umfasst .
Die Halbleiterstruktur 15 weist eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge 17 auf.
Die Aufwachsstruktur 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 und eine ELOG („Epitaxial Lateral
Overgrowth") -Maskierungsschicht 16, die auf dem
Halbleitersubstrat 2 aufgebracht ist. Die ELOG- Maskierungsschicht 16 ist zur Reduzierung der
Versetzungsdichte in der Halbleiterstruktur 15 vorgesehen.
Die Maskierungsschicht 16 ist aus SiN gebildet, während das Halbleitsubstrat 2 aus Saphir besteht. Die ELOG-Maskierungsschicht 16 weist eine Vielzahl von
Aussparungen (nicht gekennzeichnet) auf, durch die hindurch die Halbleiterschichtenfolge 17 durch epitaktisches Wachstum auf dem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet ist. Da sich hierbei Versetzungen nur durch die Aussparungen hindurch ausbreiten können, weist die Aufwachsstruktur 1 auf einer der
Halbleiterschichtenfolge 17 zugewandten Seite im Vergleich zum Halbleitersubstrat 2 eine reduzierte Versetzungsdichte auf .
Wie aus Figur 1 hervorgeht, treten dennoch Durchbrüche 18 von Störstellen auf. Außerdem ist die Herstellung der
Aussparungen in der ELOG-Maskierungsschicht 16 etwa durch fotolithografische Strukturierung vergleichsweise aufwändig.
Figur 2 zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Strahlung
emittierenden Halbleiterbauelements 10. Das Strahlung
emittierende Halbleiterbauelement 10 umfasst eine
Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete
Lumineszenzdiodenstruktur 11, die zur Erzeugung von
Strahlung, vorzugsweise im infraroten Bereich, vorgesehen ist .
Die Aufwachsstruktur 1 weist ein Halbleitersubstrat 2 aus GaAs mit einer vergleichsweise hohen Versetzungsdichte auf. Zur Reduzierung der Versetzungsdichte enthält die
Aufwachsstruktur 1 eine Pufferschicht 4, die auf dem
Halbleitersubstrat 2 angeordnet und auf welcher die
Lumineszenzdiodenstruktur 11 aufgewachsen ist.
Bei der Pufferschicht 4 handelt es sich um eine n-dotierte Schicht aus GaAs, die frei von Sauerstoff ist. Beispielsweise wird als n- Dotierstoff hierbei Tellur verwendet. Auf der Aufwachsstruktur 1 ist die Lumineszenzdiodenstruktur 11 abgeschieden. Die Lumineszenzdiodenstruktur 11 enthält auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien.
Angrenzend an die Aufwachsstruktur 1 weist die
Lumineszenzdiodenstruktur 11 einen ersten, n-leitenden
Bereich 12 auf, dem in einer Aufwachsrichtung A ein aktiver Bereich 13 zur Strahlungserzeugung nachgeordnet ist. Auf den aktiven Bereich 13 folgt in der Aufwachsrichtung A ein zweiter, p-leitender Bereich 14.
Die in der Aufwachsstruktur 1 enthaltene Pufferschicht 4 kann zwar größtenteils ohne Versetzungen ausgebildet werden.
Allerdings kann die Pufferschicht 4 nicht in ausreichendem Maße verhindern, dass während des Aufwachsens der
Lumineszenzdiodenstruktur 11 oder später im Betrieb des
Bauelementes eine Migration der Versetzungslinien 7 von dem Halbleitersubstrat 2 in die Lumineszenzdiodenstruktur 11 stattfindet. Wie aus Figur 2 hervorgeht, erstrecken sich die Versetzungslinien 7 von dem Halbleitersubstrat 2 durch den ersten Bereich 12 und den aktiven Bereich 13 hindurch bis in den zweiten Bereich 14 und mindern dadurch die
Kristallqualität des Strahlung emittierenden
Halbleiterbauelements 10.
Insgesamt kann also weder durch die in Verbindung mit Figur 1 beschriebene Maskierungsschicht 16 noch durch die in
Verbindung mit Figur 2 beschriebene Pufferschicht 4 eine Kristallqualität ausreichender Güte bei annehmbarem
Herstellungsaufwand erzielt werden.
Anders verhält es sich bei den nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das in Figur 3 dargestellte Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 weist eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete Lumineszenzdiodenstruktur 11 zur Strahlungserzeugung auf.
Bei der Aufwachsstruktur 1 handelt es sich um eine
zusammengesetzte Komponente, die ein Halbleitersubstrat 2 und eine auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnete Pufferstruktur 3 aufweist. Das Halbleitersubstrat 2 bildet insbesondere ein Aufwachssubstrat, das sowohl zum Aufwachsen der
Pufferstruktur 3 als auch zum Aufwachsen der
Lumineszenzdiodenstruktur 11 geeignet ist. Ferner bildet das Halbleitersubstrat 2 mit Vorteil einen selbsttragenden stabilen Grundkörper und kann im fertigen Strahlung
emittierenden Halbleiterbauelement 10 als Trägerkörper dienen. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 2 entfernt oder zumindest gedünnt werden und beispielsweise durch einen anderen Träger ersetzt werden.
Sowohl das Halbleitersubstrat 2 als auch die Pufferstruktur 3 sind aus Materialien gebildet, die auf Arsenid- Verbindungshalbleitern basieren. Vorzugsweise besteht das Halbleitersubstrat 2 aus GaAs .
Auch die Lumineszenzdiodenstruktur 11 kann auf Arsenid- Verbindungshalbleitern basierende Materialien enthalten.
Alternativ kann die Lumineszenzdiodenstruktur 11 Materialen enthalten, die auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basieren.
Geeignete Methoden zur Herstellung der Puffer- und
Lumineszenzdiodenstruktur 3, 11 sind beispielsweise MOCVD
(„Metal-Organic Chemical Vapour Deposition" ) , MBE („Molecular Beam Epitaxy") oder LPE („Liquid Phase Epitaxy") . Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Pufferstruktur 3 aus einer Pufferschicht 4, die ein
Übergitter aufweist. Dabei umfasst die Pufferschicht 4 mehrere n-dotierte, sauerstofffreie Schichten 6 und mehrere n-dotierte, sauerstoffhaltige Schichten 5, die in
abwechselnder Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Als Materialsystem kommt für die sauerstoffhaltigen Schichten 5 insbesondere AlGaAsO in Frage. Dabei beträgt ein
Stoffmengenanteil von Aluminium vorzugsweise zwischen
einschließlich 1 % und 100%, insbesondere zwischen
einschließlich 1 % und einschließlich 60 %. In anderen Worten enthalten die n-dotierten, sauerstoffhaltigen Schichten 5 jeweils AlmGai-mAs : 0, wobei 0.01 < m < 1, besonders bevorzugt 0.01 < m < 0.6, gilt. Vorzugsweise ist der Stoffmengenanteil von Sauerstoff größer als 1015 cnr3 und beträgt höchstens 1019 cm-3. Besonders bevorzugt liegt der Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in den n-dotierten Schichten 5 zwischen 1017 cnr3 und 1018 cm-3. Anders ausgedrückt kann der Stoffmengenanteil mindestens 100 ppm und höchstens 20000 ppm betragen. Für die sauerstofffreien Schichten 6 ist GaAs besonders geeignet. Abweichungen von bis zu 10 % sind bei den angegebenen
Stoffmengenanteilen durchaus tolerabel. Sowohl in den
sauerstoffhaltigen als auch in den sauerstofffreien Schichten 6, 5 kann jeweils derselbe n-Dotierstoff zur Dotierung dieser Schichten Verwendung finden.
Die sauerstofffreien Schichten 6 sind vorzugsweise mit einer Dicke Dl zwischen einschließlich
0,5 nm, vorzugsweise 2 nm, und einschließlich 10 nm
ausgebildet. Weiterhin beträgt die Dicke D2 der
sauerstoffhaltigen Schichten 5 insbesondere zwischen 0,5 nm, vorzugsweise 1 nm, und 5 nm. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel. Die Lumineszenzdiodenstruktur 11 weist einen ersten Bereich 12 eines ersten Leitfähigkeitstyps , einen zweiten Bereich 14 eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen zwischen dem ersten und zweiten Bereich 14 angeordneten aktiven Bereich 13 zur Strahlungserzeugung auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bereich 12 um einen n-leitenden Bereich und bei dem zweiten Bereich um einen p-leitenden Bereich 14.
Weiterhin ist der erste Bereich 12 auf einer der
Aufwachsstruktur 1 zugewandten Seite des aktiven Bereichs 13 angeordnet, während sich der zweite Bereich 14 auf einer der Aufwachsstruktur 1 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 13 befindet .
Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, gehen von dem
Halbleitersubstrat 2 Versetzungslinien 7 aus, die bis in die Pufferstruktur 3 beziehungsweise Pufferschicht 4 reichen. Mittels der Pufferstruktur 3 beziehungsweise Pufferschicht 4 werden die Versetzungslinien 7 größtenteils abgeknickt, so dass sie nicht bis in die Lumineszenzdiodenstruktur 11 weitermigrieren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere der verwendete Sauerstoff in den n-dotierten Schichten 5 ein Abknicken der Versetzungslinien bewirkt, so dass diese größtenteils nicht in die
Lumineszenzdiodenstruktur 11 Vordringen können.
Dieser Effekt kann auch bei einer Pufferstruktur 3 erzielt werden, die nicht wie im dargestellten Ausführungsbeispiel aus nur einer Pufferschicht 4 besteht, sondern zumindest eine weitere Pufferschicht (nicht dargestellt) aufweist. Eine weitere Pufferschicht kann auf einer dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten Seite der Pufferschicht 4 oder auf einer dem Halbleitersubstrat 2 abgewandten Seite der Pufferschicht 4 angeordnet sein. Es können auch zwei weitere Pufferschichten vorgesehen sein, zwischen denen dann die Pufferschicht 4 angeordnet ist. Die zumindest eine weitere Pufferschicht kann GaAs enthalten, frei von Sauerstoff und darüber hinaus n- dotiert sein. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff Tellur verwendet werden. Ferner ist es denkbar, dass die zumindest eine weitere Pufferschicht als „bulk layer" mit den
nachfolgend in Verbindung mit Figur 4 beschriebenen
Eigenschaften ausgebildet sind.
Das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 ist als Laserdiode ausgebildet, die insbesondere Strahlung im
infraroten Bereich mit einer Wellenlänge zwischen 750 nm und 1200 nm emittiert. Ferner handelt es sich bei dem
dargestellten Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 10 um einen Kantenemitter, der die von dem aktiven Bereich 13 erzeugte Strahlung an einer parallel zur Bildebene
angeordneten Seitenfläche des Halbleiterbauelements 10 emittiert. Die Seitenflächen 10A sowie die parallel zur
Bildebene angeordneten (nicht dargestellten) Seitenflächen begrenzen das Halbleiterbauelement 10 in lateralen
Richtungen, das heißt in Richtungen, die quer, insbesondere senkrecht, zu einer Aufwachsrichtung A der
Lumineszenzdiodenstruktur verlaufen. Die Aufwachsrichtung A gibt die Richtung an, in welcher die Bereiche 12, 13, 14 der Lumineszenzdiodenstruktur 11 nacheinander auf die
Aufwachsstruktur 1 aufgebracht sind.
Insbesondere handelt es sich bei dem Strahlung emittierenden Bauelement 10 um eine Hochleistungslaserdiode, die eine
Strahlungsleistung von einschließlich 20 W bis einschließlich 300 W bei einem Strom zwischen 20 A und 300 A erbringt. Um eine derartige Strahlungsleistung zu erreichen, kann die Lumineszenzdiodenstruktur 11 des Halbleiterbauelements 10 als Laserbarren ausgebildet sein und dabei mehrere
nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche umfassen, die jeweils eine wie in Figur 3 dargestellte Struktur aufweisen.
Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements 10 weist einen ähnlichen Aufbau wie das in Figur 3 dargestellte
Halbleiterbauelement 10 auf. Insofern wird auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen. Unterschiede bestehen bei der Pufferstruktur 3, auf die nachfolgend näher eingegangen wird .
Das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 umfasst eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete
Lumineszenzdiodenstruktur 11 zur Strahlungserzeugung. Beide Strukturen 1, 11 können auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien enthalten. Alternativ kann die
Lumineszenzdiodenstruktur 11 aus Materialien gebildet sein, die auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basieren.
Die Aufwachstruktur 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2, vorzugsweise ein GaAs-Substrat, und eine Pufferstruktur 3, die insbesondere auf dem Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen ist .
Die Pufferstruktur 3 weist eine erste Pufferschicht 4 auf, die aus einer n-dotierten, sauerstoffhaltigen Schicht 5 besteht. Die Pufferschicht 4 weist als Materialsystem AlGaAs auf, das mit Sauerstoff versetzt ist. Die Pufferschicht 4 ist also aus AlGaAsO gebildet. Bei der Pufferschicht 4 handelt es sich um einen sogenannten „bulk layer" . In anderen Worten ist die Pufferschicht 4 größtenteils homogen, das heißt nur aus einem einzigen Materialsystem, und vergleichsweise dick beziehungsweise stabil ausgebildet.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Pufferstruktur 3 zwei weitere Pufferschichten 8, 9 auf, zwischen denen die erste Pufferschicht 4 angeordnet ist. In diesem Fall kann die erste Pufferschicht 4 vergleichsweise dünn mit einer Dicke D von etwa 10 nm ausgebildet werden.
Die zweite und dritte Pufferschicht 8, 9 können jeweils GaAs enthalten und n-dotiert sein, wobei als n-Dotierstoff zum Beispiel Tellur verwendet wird. Insbesondere sind die
Pufferschichten 8, 9 frei von Sauerstoff. Alternativ können die zweite und dritte Pufferschicht 8, 9 jeweils aus einem Übergitter, wie in Verbindung mit der in Figur 3
dargestellten Pufferschicht 4 beschrieben, bestehen.
Ferner ist es denkbar, dass die Pufferstruktur 3 nur eine weitere Pufferschicht aufweist, die auf einer dem
Halbleitersubstrat 2 zugewandten oder abgewandten Seite der ersten Pufferschicht 4 angeordnet ist.
Auch ist es möglich, dass die Pufferstruktur 3 nur aus der Pufferschicht 4 besteht. In diesem Fall ist die Pufferschicht 4 vergleichsweise dick mit einer bevorzugten Dicke D zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 150 nm ausgebildet, wobei Abweichungen bis zu 10 % tolerabel sind.
Bei dem Strahlung emittierenden Bauelement 10 handelt es sich vorzugsweise um eine kantenemittierende Laserdiode mit den bereits in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen
Eigenschaften. Es kann sich jedoch bei dem Strahlung
emittierenden Halbleiterbauelement 10 auch um eine oberflächenemittierende Laserdiode handeln, bei dem die
Strahlung an einer Hauptfläche 10B des Halbleiterbauelements 10 ausgekoppelt wird. Insgesamt kann mittels der vorliegend beschriebenen
Pufferstrukturen 3 die Kristallqualität der
Lumineszenzdiodenstrukturen 11 verbessert werden, so dass bei den Halbleiterbauelementen 10 weniger Ausfälle auftreten und die Betriebsdauer verlängert werden kann.
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.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102019106521.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 AufwachsStruktur
2 Halbleitersubstrat
3 PufferStruktur
4 PufferSchicht
5 sauerstoffhaltige Schicht
6 sauerstofffreie Schicht
7 Versetzungsünie
8, 9 weitere Pufferschicht
10 Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement 10A Seitenfläche
10B Hauptfläche
11 Lumineszenzdiodenstruktur
12 erster Bereich
13 aktiver Bereich
14 zweiter Bereich
15 HalbleiterStruktur
16 MaskierungsSchicht
17 Halbleiterschichtenfolge
18 Durchbruch
A Aufwachsrichtung
D, Dl, D2 Dicke

Claims

Patentansprüche
1. Aufwachsstruktur (1) für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (10) umfassend
- ein Halbleitersubstrat (2), das
- ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes
Material enthält,
- eine Pufferstruktur (3), die
- auf dem Halbleitersubstrat (2) angeordnet ist,
- ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes
Material enthält und
- eine Pufferschicht (4) mit zumindest einer n-dotierten Schicht (5) aufweist, wobei
die n-dotierte Schicht (5) Sauerstoff enthält und ein
Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten Schicht (5) zwischen 1015 cnr3 und 1019 cnr beträgt.
2. Aufwachsstruktur (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Halbleitersubstrat (2) Versetzungslinien (7) aufweist, die sich in die Pufferstruktur (3) fortsetzen und mittels der Pufferschicht (4) abgeknickt werden.
3. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die zumindest eine n-dotierte Schicht (5) AlGaAsO enthält .
4. Aufwachsstruktur (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine n-dotierte Schicht (5) AlmGai-mAs : 0 enthält und 0.01 < m < 1 ist.
5. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine n-dotierte Schicht (5) aus AlGaAsO besteht.
6. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei ein Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n- dotierten Schicht (5) mindestens 100 ppm und höchstens 20000 ppm beträgt.
7. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die Pufferschicht (4) aus einer n-dotierten
sauerstoffhaltigen Schicht (5) besteht.
8. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pufferschicht (4) mindestens eine n-dotierte, sauerstofffreie Schicht (6) und mindestens eine n-dotierte, sauerstoffhaltige Schicht (5) aufweist, die aufeinander angeordnet sind.
9. Aufwachsstruktur (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Pufferschicht (4) mehrere n-dotierte,
sauerstofffreie Schichten (6) und mehrere n-dotierte, sauerstoffhaltige Schichten (5) aufweist, die abwechselnd angeordnet sind.
10. Aufwachsstruktur (1) gemäß Anspruch 8 oder 9,
wobei die mindestens eine sauerstofffreie Schicht (6) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 10 nm aufweist.
11. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die mindestens eine sauerstoffhaltige Schicht (5) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm aufweist.
12. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die sauerstofffreie Schicht (6) GaAs enthält.
13. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das Halbleitersubstrat (2) aus GaAs besteht.
14. Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die Pufferstruktur (3) zumindest eine weitere
Pufferschicht (2, 3) aufweist, die n-dotiert ist und frei von Sauerstoff ist.
15. Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement (10) umfassend
- eine Aufwachsstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und
- eine auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern
basierende Lumineszenzdiodenstruktur (11), die einen ersten Bereich (12) eines ersten Leitfähigkeitstyps , einen zweiten Bereich (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen zwischen dem ersten und zweiten Bereich (12, 14) angeordneten aktiven Bereich (13) zur Strahlungserzeugung aufweist,
wobei
die Lumineszenzdiodenstruktur (11) auf die Aufwachsstruktur (1) aufgewachsen ist.
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