WO2021099100A2 - Optoelektronisches bauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Optoelektronisches bauelement und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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Jens Ebbecke
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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component and a method for producing the optoelectronic component.
  • At least one of the electrical contacts can be provided on a radiation exit area of the semiconductor body. If a metal is used to establish electrical contact with the semiconductor body, the electrical contact can reduce the coupling-out of light, because light that arises under the metal contact cannot leave the semiconductor body through the metal.
  • One object to be achieved consists in specifying an improved optoelectronic component in which, in particular, the coupling-out of light is impaired as little as possible by a metal contact on the radiation exit surface. Furthermore, a method suitable for producing the optoelectronic component is to be specified.
  • the optoelectronic component comprises a semiconductor body with an active layer which is suitable for emitting radiation and has a quantum well structure.
  • the quantum well structure can be a single or multiple quantum well structure.
  • the quantum well structure contains at least one quantum well layer which is arranged between barrier layers.
  • the quantum well structure contains alternating quantum well layers and barrier layers.
  • the number of quantum well layers is, for example, between 1 and 100, preferably between 5 and 10.
  • the barrier layers have a larger electronic band gap than the at least one quantum well layer.
  • the active layer is arranged, for example, between a p-type semiconductor region and an n-type semiconductor region of the semiconductor body.
  • the optoelectronic component has a first electrical contact and a second electrical contact.
  • the first electrical contact and the second electrical contact are provided to form a current path through the semiconductor body.
  • the quantum well structure has at least one mixing region and at least one non-mixing region.
  • the at least one quantum well layer and the barrier layers are at least partially or even completely mixed in the mixing region.
  • the first electrical contact is a metal contact which is arranged on a radiation exit area of the semiconductor body.
  • the first electrical contact can in particular have a metal or a metal alloy with good electrical conductivity such as gold, silver, aluminum, titanium or platinum or an alloy of these metals. It is also possible for the first contact to have a layer sequence of several metal layers, for example a Ti / Pt / Au layer sequence.
  • the materials mentioned can also be used for the second electrical contact.
  • the second electrical contact can in particular be arranged on a main surface of the semiconductor body opposite the radiation exit surface.
  • the optoelectronic component is in particular a so-called vertical LED, in which the current flow through the semiconductor body takes place from the first electrical contact on the radiation exit area to the second electrical contact on a main area of the semiconductor body opposite the radiation exit area.
  • the mixing region of the quantum well structure is arranged in the vertical direction below the first electrical contact.
  • the vertical direction is to be understood here as the direction running perpendicular to the layer planes of the semiconductor body.
  • the first electrical contact does not have to directly adjoin the mixing area; rather, at least one semiconductor layer can be between the first electrical contact and the Be arranged mixing area. “Below the first contact” means in particular that the first contact is not laterally offset from the mixing area.
  • the first contact and the mixing area can be arranged centered with respect to one another in the lateral direction.
  • the first electrical contact and the mixing area preferably have the same shape and / or width.
  • the first electrical contact and the mixing region can be congruent in plan view of the semiconductor body.
  • the areas of the quantum well structure that are not mixed are advantageously arranged offset in the lateral direction from the first contact.
  • the optoelectronic component described here makes use in particular of the idea that the radiative recombination of charge carriers is reduced in the mixing area below the first electrical contact. Charge carriers that are injected into the active layer from the electrical contacts recombine due to the increased electronic band gap in the
  • the width of the mixing region is less than 10 ⁇ m and preferably less than 2 mpi. A small width of the
  • the width of the first electrical contact is preferably essentially the same as the width of the mixing area, for example the width of the first electrical contact is between 0.8 and 1.2 times, preferably between 0.9 and 1.1 times the width of the mixing area.
  • the widths of the first electrical contact and of the mixing area are particularly preferably the same.
  • the width of the mixing area is preferably less than 10 ⁇ m and preferably less than 2 ⁇ m.
  • the mixing area and / or the first electrical contact are, for example, between 100 nm and 10 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 2 ⁇ m wide.
  • the electronic band gap in the mixing region is at least 0.05 eV, at least 0.08 eV or even at least 0.1 eV larger than in the non-mixed region.
  • the electronic band gap in the mixing range is, for example, between 0.05 eV and 0.3 eV, preferably between 0.08 eV and 0.1 eV, greater than in the non-mixed range.
  • the first electrical contact is an n-contact and the second electrical contact is a p-contact of the semiconductor body.
  • the semiconductor body is, for example, a so-called thin-film semiconductor body.
  • a functional semiconductor layer sequence which in particular comprises the radiation-emitting active layer, is first grown epitaxially on a growth substrate, then a carrier is applied to the surface of the semiconductor layer sequence opposite the growth substrate and the growth substrate is subsequently separated. Since in particular the growth substrates used for nitride compound semiconductors, for example SiC, sapphire or GaN, are comparatively expensive, this method offers the particular advantage that the growth substrate can be reused.
  • a growth substrate made of sapphire can be detached from a semiconductor layer sequence made of a nitride compound semiconductor using a laser lift-off method, for example.
  • the p-type semiconductor region typically faces the carrier substrate and the n-type semiconductor region originally grown first on the growth substrate faces the radiation exit area.
  • the second electrical contact is arranged on a main surface of the semiconductor body opposite the radiation exit surface.
  • the current path through the semiconductor body thus leads from the radiation exit surface to the opposite main surface of the semiconductor body.
  • the semiconductor body is based on one
  • the semiconductor body can be In x Al y Gai- xy As, In x Al y Gai- xy P or Included in x Al y Gai- xy N, each with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1.
  • the III-V compound semiconductor material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to one of the above formulas. Rather, it can have one or more dopants and additional components. For the sake of simplicity, however, the above formulas only contain the essential components of the crystal lattice, even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the intermixed region and the unmixed region have essentially the same dopant concentration.
  • the mixing area and the non-mixed area are nominally doped the same, i.e. foreign atoms are not specifically incorporated into the mixing area. This can in particular be achieved in that the production of the mixing area by a mixing process free of foreign atoms
  • Quantum well structure (impurity free quantum well intermixing) takes place.
  • the optoelectronic component is an LED.
  • the LED can, for example, emit light in the visible spectral range or in the adjacent UV or IR spectral range.
  • a method for producing the optoelectronic component is also specified.
  • a semiconductor body with an active layer suitable for emitting radiation is produced, the active layer having a quantum well structure.
  • the quantum well structure can be a single or multiple quantum well structure.
  • the quantum well structure contains at least one quantum well layer which is arranged between barrier layers. In the case of a multiple quantum well structure, the quantum well structure contains alternating quantum well layers and barrier layers.
  • a dielectric layer is applied to a contact region of the semiconductor body.
  • the contact area is an area of the semiconductor body to which a metallic first electrical contact is applied in a later method step.
  • the dielectric layer has a coefficient of thermal expansion different from that of the semiconductor body, in particular a smaller coefficient of thermal expansion.
  • the different thermal expansion coefficients of the dielectric layer and the adjacent semiconductor body cause thermal stress. For example, a compressive stress arises in the semiconductor material if the dielectric layer has a lower coefficient of thermal expansion than the semiconductor body.
  • a temperature treatment is then carried out in which atoms diffuse from the semiconductor body into the dielectric layer and thus create vacancies in the semiconductor body.
  • the diffusion of atoms from the semiconductor material into the dielectric layer is driven by the compressive thermal stress in the semiconductor material that occurs during the temperature treatment.
  • the vacancies left by the atoms diffused into the dielectric layer can be occupied by other atoms, which in turn leave vacancies. In this way it is achieved that vacancies quasi diffuse in the semiconductor body.
  • a mixing region is produced in the quantum well structure, the at least one quantum well layer and the barrier layers being at least partially mixed in the mixing region. In this way it is achieved that the mixing region has a larger electronic band gap than the at least one quantum well layer in the non-mixed region.
  • the dielectric layer is removed from the contact region of the semiconductor body.
  • a metal layer is then applied to the contact area of the semiconductor body. In this way, the first electrical contact is formed in the contact area which is arranged above the mixing area of the quantum well structure.
  • the dielectric layer is an Si0 2 layer.
  • S1O2 Compared to III semiconductor materials such as arsenide, phosphide or nitride compound semiconductor materials, S1O2 has a lower coefficient of thermal expansion. The semiconductor body is therefore stressed compressively during the temperature treatment.
  • the semiconductor body has a semiconductor material containing Ga, wherein during the temperature treatment Ga atoms diffuse from the semiconductor body into the dielectric layer.
  • Ga atoms from a semiconductor material such as, for example, Ga (In, Al) As or Ga (In, A1) P can be brought about by compressive stress, which can in particular be produced with a SiCh layer .
  • the Ga atoms leave behind voids in the semiconductor material, which subsequently diffuse through the semiconductor material and in this way in particular produce the intermixing region.
  • the temperature treatment is carried out at a temperature of at least 700 ° C, at least 800 ° C or even at least 900 ° C.
  • the temperature treatment can take place in particular in the temperature range from 700 ° C. to 1200 ° C., preferably in the range from 800 ° C. to 1000 ° C., for example at about 900 ° C.
  • a mechanical stress can be brought about between the dielectric layer and the semiconductor body, which tension stimulates a diffusion of atoms from the semiconductor body into the dielectric layer.
  • the duration of the temperature treatment is about 10 s to 10 min, preferably 1 min to 2 min.
  • a further dielectric layer is applied to the semiconductor body, which has a greater coefficient of thermal expansion than the semiconductor body. In the area of the further dielectric layer, there is therefore no compressive stress, but rather tensile stress. The diffusion of atoms from the semiconductor body and the resulting mixing of the quantum well structure are reduced or even completely prevented.
  • the further dielectric layer is removed again from the semiconductor body, for example together with the dielectric layer.
  • the further dielectric layer is preferably an SrF2 layer.
  • SrF2 is characterized by a large coefficient of thermal expansion. This material is particularly well suited for reducing the thermally induced compressive stress outside the area of the dielectric layer, for example a SiCh layer, and thus reducing the diffusion of atoms from the semiconductor body in this area.
  • FIG. 1A shows a schematic illustration of a cross section through an example of the optoelectronic component
  • FIG. 1B shows a schematic detailed view of the active layer in the unmixed area in the example of the optoelectronic component
  • FIG. IC shows a schematic illustration of the profile of the electronic band gap of the active layer in the lateral direction in the example of the optoelectronic component
  • FIGS. 2A to 2D show a schematic illustration of an example of the method for producing the optoelectronic component.
  • the optoelectronic component 10 can in particular be an LED.
  • the optoelectronic component 10 has a semiconductor body 6 which has a p-type semiconductor region 3, an n-type semiconductor region 5 and an active layer 4 arranged between the p-type semiconductor region 3 and the n-type semiconductor region 5.
  • the active layer 4 is in particular a radiation-emitting active layer 4.
  • the p-type semiconductor region 3 and the n-type semiconductor region 5 can each comprise one or more semiconductor layers.
  • the p-type semiconductor region 3 contains one or more p-doped semiconductor layers and the n-doped semiconductor region 5 contains one or more n-doped semiconductor layers. It is also possible for the p-type semiconductor region 3 and / or the n-type semiconductor region 5 to contain one or more undoped semiconductor layers.
  • the semiconductor body 6 of the optoelectronic component 10 is preferably based on a III-
  • V-compound semiconductor material in particular on an arsenide, phosphide or nitride compound semiconductor material.
  • the material is selected on the basis of the desired emission wavelength of the optoelectronic component 10.
  • nitride compound semiconductor material for example, radiation in the UV, blue and green spectral range can be generated.
  • Phosphide compound semiconductor material can, for example, generate radiation in the green to red spectral range.
  • an arsenide compound semiconductor material for example, radiation in the red to infrared spectral range can be generated.
  • the semiconductor body 6 can In x Al y Gai- xy As, In x Al y Gai- xy P or In x Al y Gai- xy N, each with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1, included.
  • the III-V compound semiconductor material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to one of the above formulas. Rather, it can have one or more dopants and additional components. For the sake of simplicity, however, the above formulas only contain the essential components of the crystal lattice, even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the active layer 4 of the optoelectronic component 10 is a quantum well structure which has an unmixed region 43 and a mixed region 44.
  • a detailed view of the active layer 4 in the unmixed area 43 is shown in FIG. 1B.
  • the active layer 4 has alternating quantum well layers 41 and barrier layers 42.
  • the barrier layers 42 have a larger electronic band gap than that Quantum well layers 41.
  • the quantum well layers 41 and barrier layers 42 of the active layer 4 are in one in the optoelectronic component 10 shown in FIG. 1A
  • Mixing area 44 at least partially mixed.
  • the semiconductor material of the quantum well layers 41 is at least partially mixed with the semiconductor material of the barrier layers 42, which has the larger electronic band gap. This has the consequence that the active layer 4 in the mixing region 44 has a larger electronic band gap than the quantum well layers 41 in the non-mixed region 43.
  • the optoelectronic component 10 has a first electrical contact 1 and a second electrical contact 2 for electrical contacting.
  • the first electrical contact is the p-contact and the second electrical contact 2 is the n-contact of the optoelectronic component 10.
  • the first electrical contact 1 is a metal contact which is arranged on a radiation exit surface 9 of the optoelectronic component 10.
  • the first electrical contact 1 and / or the second electrical contact 2 can in particular each have a metal such as gold, silver, aluminum, titanium or platinum or an alloy or a layer sequence of these metals.
  • the mixing region 44 of the active layer 4 is arranged below the first electrical contact 1.
  • the mixing region 44 preferably has essentially the same width as the first electrical contact 1
  • Mixing area 44 is arranged in particular centered below the first electrical contact 1. In the vertical direction, the intermixing region 44 does not directly adjoin the first electrical contact 1, but is spaced apart from the first electrical contact 1 by one or more semiconductor layers of the n-type semiconductor region 5, for example.
  • the arrangement of the mixing area 44 below the first electrical contact 1 has the advantage that the electronic band gap is enlarged in this area.
  • the profile of the electronic band gap in the lateral direction in the example of the optoelectronic component 10 is shown schematically in FIG.
  • the electronic band gap in the mixing region below the first electrical contact is preferably at least 0.05 eV, for example between 0.05 eV and 0.3 eV and preferably between 0.08 eV and 0.1 eV larger than in the non-mixed region .
  • the increased electronic band gap in the mixing area can be detected, for example, by measuring the photoluminescence in this area.
  • the enlarged electronic band gap in the mixing region 44 leads to the fact that electrons e, which move from the first electrical contact 1 to the active zone 4, and holes h, which move from the second electrical contact 2 in the direction of the active Zone 4 move, substantially do not recombine with one another in the mixing area 44. Instead, the electrons e and the holes h diffuse, as shown by arrows in FIG. 1A, into the adjacent unmixed regions 43 and only recombine there with emission of radiation.
  • the width of the mixed region 44 is smaller than the diffusion length of the charge carriers e, h in the semiconductor body.
  • the semiconductor body 6 is therefore advantageously based on a material system with a large charge carrier diffusion length such as, for example, GaAs, InAlGaAs, InGaAlP or InP.
  • the mixing region 44 can also be implemented in nitride semiconductor materials such as, for example, InGaN, GaN or AlGaN.
  • the width of the mixing area 44 and / or of the first contact 1 is preferably less than 10 ⁇ m and particularly preferably less than 2 ⁇ m.
  • the width of the mixing area and / or of the first contact is between 100 nm and 10 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 2 pm.
  • the reduced recombination of charge carriers in the area below the first electrical contact 1 has the advantage that less radiation occurs below the first electrical contact 1 that could be absorbed at the first electrical contact 1. Rather, the recombination of charge carriers and thus the emission of radiation takes place increasingly in the unmixed areas 43, over which no electrical contact is arranged and thus the radiation exit area 9 is exposed. The light extraction from the optoelectronic component 10 is improved in this way.
  • FIGS. 2A to 2D a method for producing the optoelectronic component 10 is shown by way of example on the basis of intermediate steps.
  • a semiconductor body 6 has been produced which has the p-type semiconductor region 3, the active layer 4 designed as a quantum well structure, and the n-type sub-region 5.
  • the active layer 4 has alternating quantum well layers and barrier layers, as described above in connection with FIG. 1B.
  • a dielectric layer 7, which is different from the semiconductor body 6, has been applied to a contact area of the semiconductor body 6, which is an area of the surface of the semiconductor body 6 to which the first electrical contact is to be applied in a later method step thermal
  • the dielectric layer 7 is, for example, an Si0 2 layer.
  • the thermal expansion coefficient of S1O2 is lower than the thermal expansion coefficient of III-V-
  • the coefficient of thermal expansion of S1O2 is approximately 0.5 * 10 6 / K and the coefficient of thermal expansion of GaAs is approximately 6 * 10 6 / K.
  • the thermal expansion of the semiconductor material is therefore significantly greater than the thermal expansion of the dielectric layer 7.
  • a further dielectric layer 8, which has a greater coefficient of thermal expansion than the dielectric layer and the semiconductor body, can be applied to the areas of the surface of the semiconductor body 6 which are arranged next to the dielectric layer 7.
  • the further dielectric layer 8 is, for example, an SrF2 layer. It is possible that the further dielectric layer 8 is also applied to an opposite surface of the semiconductor body 6.
  • a temperature treatment of the semiconductor body 6 is carried out.
  • the temperature treatment can take place in the temperature range from about 700 ° C. to 1200 ° C., for example at a temperature of about 900 ° C.
  • the temperature treatment lasts for example 10 s to 10 min, preferably about 1 min to 2 min.Due to the different thermal expansion coefficients of the semiconductor body 6 and the dielectric layer 7, a tension arises in the area of the dielectric layer 7 between the materials of the dielectric layer 7 and the semiconductor body 6th
  • the temperature treatment creates, in particular, a large compressive stress in the semiconductor body.
  • the thermally induced stress causes atoms 11 to move out of semiconductor body 6 into dielectric layer 7.
  • gallium atoms 11 from the semiconductor material of the semiconductor body 6 can diffuse into the dielectric layer 7 during the temperature treatment.
  • the diffused from the semiconductor body 6 atoms 11 leave vacancies in the Diffuse semiconductor body 6.
  • the quantum well layers and barrier layers are at least partially mixed in the region below the dielectric layer 7, and the mixed region 44 is thus produced in the active layer 4.
  • the thermal stress is significantly lower due to the greater coefficient of thermal expansion of the further dielectric layer 8 and therefore has essentially no effect Diffusion of atoms of the semiconductor body 6 into the further dielectric layer 8. Therefore, outside the area of the dielectric layer 7, there is essentially no vacancy diffusion, so that the active layer 4 is not mixed there. After the temperature treatment, there are therefore unmixed areas 43 of the active layer 4 outside the contact area of the semiconductor body 6 to which the dielectric layer 7 is applied.
  • the mixing region 44 is advantageously produced in the active layer 4 by a thermally induced diffusion process in which no foreign atoms are introduced into the mixing region 44.
  • the doping of the semiconductor body 6 is therefore not specifically changed during the production of the intermixing region 44.
  • the unmixed areas 43 and the intermixed area 44 of the active layer 4 have nominally the same doping or no doping at all.
  • the dielectric layer 7 and the further dielectric layer 8 have again been removed from the semiconductor body 6. This can be done for example with an etching process suitable for this purpose.
  • the first electrical contact 1 and the second electrical contact 2 have been applied to the semiconductor body 6.
  • the first electrical contact 1 is applied to the contact region of the semiconductor body 6 on which the dielectric layer 7 was previously arranged. In this way it is achieved that the mixing region 44 is arranged below the first electrical contact 1.
  • the first electrical contact 1 is preferably applied in such a way that the shape and / or width of the first electrical contact 1 essentially correspond to the shape and / or width of the mixing region 44.
  • the first electrical contact 1 and the mixing region 44 are particularly preferably congruent in plan view of the semiconductor body 6.
  • the first electrical contact 1 is, for example, the n-contact of the optoelectronic component.
  • the second electrical contact 2 is applied to a surface of the semiconductor body 6 opposite the first electrical contact 2.
  • the second electrical contact 2 can, for example, be applied over the entire surface to the main surface of the semiconductor body opposite the radiation exit surface 9.
  • the second electrical contact 2 can be embodied, for example, as a mirror contact, which is an emitted by the active layer 4 Has radiation reflective material such as silver or aluminum. It is possible for the second electrical contact 2 to be arranged between the semiconductor body 6 and a carrier (not shown) of the semiconductor body 6.
  • the second electrical contact 2 is, for example, the p-contact of the optoelectronic component 10.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement (10) angegeben, umfassend einen Halbleiterkörper (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mindestens eine Quantentopfschicht (41) und Barriereschichten (42) enthält, einen ersten elektrischen Kontakt (1) und einen zweiten elektrischen Kontakt (2), wobei die aktive Schicht (4) mindestens einen Durchmischungsbereich (44) und mindestens einen nicht durchmischten Bereich (43) aufweist. Die mindestens eine Quantentopfschicht (41) und die Barriereschichten (42) sind in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine Quantentopfschicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43). Der erste elektrische Kontakt (1) ist ein Metallkontakt, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, wobei der Durchmischungsbereich (44) in vertikaler Richtung unterhalb des ersten Kontakts (1) angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements (10) angegeben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZU DESSEN
HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements .
Bei optoelektronischen Bauelementen, insbesondere bei LEDs, kann zumindest einer der elektrischen Kontakte an einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen sein. Wird ein Metall verwendet, um den elektrischen Kontakt zum Halbleiterkörper herzustellen, kann sich durch den elektrischen Kontakt die Lichtauskopplung verringern, weil Licht, das unter dem Metallkontakt entsteht, nicht durch das Metall den Halbleiterkörper verlassen kann.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement anzugeben, bei dem insbesondere die Lichtauskopplung möglichst wenig durch einen Metallkontakt an der Strahlungsaustrittsfläche beeinträchtigt wird. Weiterhin soll ein zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements geeignetes Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronisches Bauelement einen Halbleiterkörper mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht, die eine QuantentopfStruktur aufweist. Die QuantentopfStruktur kann eine Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur sein. Die QuantentopfStruktur enthält mindestens eine QuantentopfSchicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet ist. Im Fall einer Mehrfach- QuantentopfStruktur enthält die QuantentopfStruktur abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten. Die Anzahl der Quantentopfschichten beträgt beispielsweise zwischen 1 und 100, bevorzugt zwischen 5 und 10. Die Barriereschichten weisen eine größere elektronische Bandlücke auf als die mindestens eine QuantentopfSchicht. Die aktive Schicht ist beispielsweise zwischen einem p-Typ Halbleiterbereich und einem n-Typ Halbleiterbereich des Halbleiterkörpers angeordnet.
Das optoelektronische Bauelement weist einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt auf. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt sind zur Ausbildung eines Strompfads durch den Halbleiterkörper vorgesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die QuantentopfStruktur mindestens einen Durchmischungsbereich und mindestens einen nicht durchmischten Bereich auf. Die mindestens eine QuantentopfSchicht und die Barriereschichten sind in dem Durchmischungsbereich zumindest teilweise oder sogar vollständig durchmischt. Durch das Durchmischen der QuantentopfStruktur wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine QuantentopfSchicht in dem nicht durchmischten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt ein Metallkontakt, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Der erste elektrische Kontakt kann insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit wie beispielsweise Gold, Silber, Aluminium, Titan oder Platin oder eine Legierung dieser Metalle aufweisen. Es ist auch möglich, dass der erste Kontakt eine Schichtenfolge mehrere Metallschichten, beispielsweise eine Ti/Pt/Au-Schichtenfolge, aufweist. Die genannten Materialien können auch für den zweiten elektrischen Kontakt verwendet werden. Der zweite elektrische Kontakt kann insbesondere an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Das optoelektronische Bauelement ist insbesondere eine sogenannte vertikale LED, bei der der Stromfluss durch den Halbleiterkörper von dem ersten elektrischen Kontakt an der Strahlungsaustrittsfläche zum zweiten elektrischen Kontakt an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Durchmischungsbereich der QuantentopfStruktur in vertikaler Richtung unterhalb des ersten elektrischen Kontakts angeordnet. Unter der vertikalen Richtung ist hier die senkrecht zu den Schichtebenen des Halbleiterkörpers verlaufende Richtung zu verstehen. Der erste elektrische Kontakt muss nicht direkt an den Durchmischungsbereich angrenzen, vielmehr kann mindestens eine Halbleiterschicht zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem Durchmischungsbereich angeordnet sein. "Unterhalb des ersten Kontakts" bedeutet insbesondere, dass der erste Kontakt nicht seitlich versetzt von dem Durchmischungsbereich ist. Insbesondere können der erste Kontakt und der Durchmischungsbereich in seitlicher Richtung zentriert zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise weisen der erste elektrische Kontakt und der Durchmischungsbereich die gleiche Form und/oder Breite auf. Insbesondere können der erste elektrische Kontakt und der Durchmischungsbereich in Draufsicht auf den Halbleiterkörper deckungsgleich sein. Die nicht durchmischten Bereiche der QuantentopfStruktur sind bei dem optoelektronischen Bauelement vorteilhaft in seitlicher Richtung von dem ersten Kontakt versetzt angeordnet.
Das hier beschriebene optoelektronische Bauelement macht insbesondere von der Idee Gebrauch, dass die strahlende Rekombination von Ladungsträgern in dem Durchmischungsbereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts vermindert ist. Ladungsträger, die von den elektrischen Kontakten in die aktive Schicht injiziert werden, rekombinieren aufgrund der erhöhten elektronischen Bandlücke in dem
Durchmischungsbereich nicht unterhalb des ersten Kontakts, der auf der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet ist, sondern diffundieren in die nicht durchmischten Bereiche mit der kleineren elektronischen Bandlücke und rekombinieren dort.
Auf diese Weise wird unterhalb des ersten elektrischen Kontakts weniger Strahlung erzeugt und so die Absorption von Strahlung in dem ersten elektrischen Kontakt vermindert. Die Lichtauskopplung aus dem optoelektronischen Bauelement wird so vorteilhaft erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Breite des Durchmischungsbereichs weniger als 10 pm und bevorzugt weniger als 2 mpi. Eine geringe Breite des
Durchmischungsbereichs ist vorteilhaft, damit möglichst viele Elektronen und Löcher in die nicht durchmischten Bereiche diffundieren können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Durchmischungsbereichs kleiner ist als die Diffusionslänge der Elektronen und Löcher in dem Halbleiterkörper. Die Breite des ersten elektrischen Kontakts ist vorzugweise im Wesentlichen gleich der Breite des Durchmischungsbereichs, beispielsweise beträgt die Breite des ersten elektrischen Kontakts zwischen dem 0,8 fachen und dem 1,2 fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,9 fachen und dem 1,1 fachen der Breite des Durchmischungsbereichs. Besonders bevorzugt sind die Breiten des ersten elektrischen Kontakts und des Durchmischungsbereichs gleich. Die Breite des Durchmischungsbereichs beträgt vorzugsweise weniger als 10 pm und bevorzugt weniger als 2 pm. Der Durchmischungsbereich und/oder der erste elektrische Kontakt sind beispielsweise zwischen 100 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 2 pm breit.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich um mindestens 0,05 eV, mindestens 0,08 eV oder sogar um mindestens 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich. Die elektronische Bandlücke im Durchmischungsbereich ist beispielsweise zwischen 0,05 eV und 0,3 eV, bevorzugt zwischen 0,08 eV und 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt ein n-Kontakt und der zweite elektrische Kontakt ein p-Kontakt des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper ist beispielsweise ein sogenannter Dünnfilm- Halbleiterkörper. Bei der Herstellung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers wird eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die strahlungsemittierende aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend ein Träger auf die dem Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist. Das Ablösen eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer Halbleiterschichtenfolge aus einem Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen. Bei einem Dünnfilm- Halbleiterkörper ist typischerweise der p-Typ Halbleiterbereich dem Trägersubstrat und der ursprünglich zuerst auf dem Aufwachssubstrat aufgewachsene n-Typ Halbleiterbereich der Strahlungsaustrittsfläche zugewandt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite elektrische Kontakt an einer der Strahlungsaustrittsfläche gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Strompfad durch den Halbleiterkörper führt somit von der Strahlungsaustrittsfläche zur gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert der Halbleiterkörper auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial , einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Nitridverbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper InxAlyGai-x-yAs, InxAlyGai-x-y P oder InxAlyGai-x-yN, jeweils mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der Durchmischungsbereich und der nicht durchmischte Bereich im Wesentlichen die gleiche Dotierstoffkonzentration auf. Insbesondere sind der Durchmischungsbereich und der nicht durchmischte Bereich nominell gleich dotiert, d.h. es werden nicht gezielt Fremdatome in den Durchmischungsbereich eingebaut. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Herstellung des Durchmischungsbereichs durch einen Fremdatom-freien Durchmischungsprozess der
QuantentopfStruktur (impurity free quantum well intermixing) erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Bauelement eine LED. Die LED kann beispielsweise Licht im sichtbaren Spektralbereich oder im angrenzenden UV- oder IR-Spektralbereich emittieren.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren in einem ersten Schritt ein Halbleiterkörper mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht hergestellt, wobei die aktive Schicht eine QuantentopfStruktur aufweist. Die QuantentopfStruktur kann eine Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur sein. Die QuantentopfStruktur enthält mindestens eine QuantentopfSchicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet ist. Im Fall einer Mehrfach- QuantentopfStruktur enthält die QuantentopfStruktur abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine dielektrische Schicht auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers aufgebracht. Der Kontaktbereich ist ein Bereich des Halbleiterkörpers, auf den in einem späteren Verfahrensschritt ein metallischer erster elektrischer Kontakt aufgebracht wird. Die dielektrische Schicht weist einen von dem Halbleiterkörper verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, insbesondere einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei einer Temperaturerhöhung bewirken die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Schicht und des angrenzen Halbleiterkörpers eine thermische Verspannung. Beispielsweise entsteht eine kompressive Verspannung in dem Halbleitermaterial, wenn die dielektrische Schicht einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Halbleiterkörper aufweist.
Nachfolgend wird eine Temperaturbehandlung durchgeführt, bei der Atome aus dem Halbleiterköper in die dielektrische Schicht diffundieren und so Leerstellen in dem Halbleiterkörper erzeugen. Die Diffusion von Atomen aus dem Halbleitermaterial in die dielektrische Schicht wird durch die bei der Temperaturbehandlung entstehende kompressive thermische Verspannung in dem Halbleitermaterial angetrieben. Die von den in die dielektrische Schicht diffundierten Atomen hinterlassenen Leerstellen können von anderen Atomen besetzt werden, die wiederum Leerstellen hinterlassen. Auf diese Weise wird erreicht, dass Leerstellen quasi in dem Halbleiterkörper diffundieren. Durch eine Diffusion der Leerstellen in dem Halbleiterkörper wird ein Durchmischungsbereich in der QuantentopfStruktur erzeugt, wobei die mindestens eine QuantentopfSchicht und die Barriereschichten in dem Durchmischungsbereich zumindest teilweise durchmischt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine QuantentopfSchicht in dem nicht durchmischten Bereich.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird die dielektrische Schicht von dem Kontaktbereich des Halbleiterkörpers entfernt. Nachfolgend wird eine Metallschicht auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers aufgebracht. Auf diese Weise wird der erste elektrische Kontakt in dem Kontaktbereich ausgebildet, der oberhalb des Durchmischungsbereichs der QuantentopfStruktur angeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die dielektrische Schicht eine Si02-Schicht. S1O2 weist im Vergleich zu III- Halbleitermaterialien wie beispielsweise Arsenid-, Phosphid- oder Nitridverbindungshalbleitermaterialien einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Der Halbleiterkörper wird deshalb bei der Temperaturbehandlung kompressiv verspannt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterkörper ein Ga enthaltendes Halbleitermaterial auf, wobei bei der Temperaturbehandlung Ga-Atome aus dem Halbleiterkörper in die dielektrische Schicht diffundieren.
Es hat sich herausgestellt, dass die Diffusion von Ga-Atomen aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Ga(In, Al)As oder Ga(In, A1)P durch eine kompressive Verspannung bewirkt werden kann, die insbesondere mit einer SiCh-Schicht erzeugt werden kann. Die Ga-Atome hinterlassen Leerstellen in dem Halbleitermaterial, die nachfolgend durch das Halbleitermaterial diffundieren und auf diese Weise insbesondere den Durchmischungsbereich erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700°C, mindestens 800°C oder sogar mindestens 900°C durchgeführt. Die Temperaturbehandlung kann insbesondere im Temperaturbereich von 700 °C bis 1200 °C, bevorzugt im Bereich von 800°C bis 1000°C, beispielsweise bei etwa 900°C erfolgen. Mit einer derart hohen Temperatur kann eine mechanische Spannung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Halbleiterkörper bewirkt werden, die eine Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper in die dielektrische Schicht anregt. Die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt etwa 10 s bis 10 min, vorzugsweise 1 min bis 2 min.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird neben der dielektrischen Schicht eine weitere dielektrische Schicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Halbleiterkörper. Im Bereich der weiteren dielektrischen Schicht entsteht daher keine kompressive Verspannung, sondern eine tensile Verspannung. Die Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper und die dadurch bedingte Durchmischung der QuantentopfStruktur werden so vermindert oder sogar ganz verhindert. Die weitere dielektrische Schicht wird bei dem Verfahren beispielsweise zusammen mit der dielektrischen Schicht wieder vom Halbleiterkörper entfernt.
Vorzugsweise ist die weitere dielektrische Schicht eine SrF2- Schicht. SrF2 zeichnet sich durch einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Dieses Material ist besonders gut dazu geeignet, die thermisch bedingte kompressive Verspannung außerhalb des Bereichs der dielektrischen Schicht, beispielsweise einer SiCh-Schicht, zu reduzieren und so die Diffusion von Atomen aus dem Halbleiterkörper in diesem Bereich zu vermindern.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel des optoelektronischen Bauelements,
Figur 1B eine schematische Detailansicht der aktiven Schicht in dem nicht durchmischten Bereich bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements,
Figur IC eine schematische Darstellung des Verlaufs der elektronischen Bandlücke der aktiven Schicht in lateraler Richtung bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements, und Figuren 2A bis 2D eine schematische Darstellung eines Beispiels des Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
In Figur 1A ist ein Beispiel des optoelektronischen Bauelements 10 dargestellt. Das optoelektronische Bauelement 10 kann insbesondere ein LED sein. Das optoelektronische Bauelement 10 weist einen Halbleiterkörper 6 auf, der einen p-Typ Halbleiterbereich 3, einen n-Typ Halbleiterbereich 5 und eine zwischen dem p-Typ Halbleiterbereich 3 und dem n-Typ Halbleiterbereich 5 angeordnete aktive Schicht 4 aufweist.
Die aktive Schicht 4 ist insbesondere eine strahlungsemittierende aktive Schicht 4. Der p-Typ Halbleiterbereich 3 und der n-Typ Halbleiterbereich 5 können jeweils eine oder mehrere Halbleiterschichten umfassen. Der p-Typ Halbleiterbereich 3 enthält eine oder mehrere p- dotierte Halbleiterschichten und der n-dotierte Halbleiterbereich 5 eine oder mehrere n-dotierte Halbleiterschichten. Es ist auch möglich, dass der p-Typ Halbleiterbereich 3 und/oder der n-Typ Halbleiterbereich 5 eine oder mehrere undotierte Halbleiterschichten enthalten.
Der Halbleiterkörper 6 des optoelektronischen Bauelements 10 basiert vorzugsweise auf einem III-
V-Verbindungshalbleitermaterial , insbesondere auf einem Arsenid-, Phosphid- oder Nitridverbindungshalbleitermaterial. Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlänge des optoelektronischen Bauelements 10.
Mit einem Nitridverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im UV-, blauen und grünen Spektralbereich erzeugt werden. Mit einem
Phosphidverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im grünen bis roten Spektralbereich erzeugt werden. Mit einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial kann beispielsweise Strahlung im roten bis infraroten Spektralbereich erzeugt werden.
Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 6 InxAlyGai-x-yAs, InxAlyGai-x-yP oder InxAlyGai-x-yN, jeweils mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1, enthalten. Dabei muss das III-V- Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die aktive Schicht 4 des optoelektronischen Bauelements 10 ist eine QuantentopfStruktur, die einen nicht durchmischten Bereich 43 und einen Durchmischungsbereich 44 aufweist. Eine Detailansicht der aktiven Schicht 4 in dem nicht durchmischten Bereich 43 ist in Figur 1B dargestellt. Die aktive Schicht 4 weist abwechselnde Quantentopfschichten 41 und Barriereschichten 42 auf. Die Barriereschichten 42 weisen eine größere elektronische Bandlücke auf als die Quantentopfschichten 41.
Die Quantentopfschichten 41 und Barriereschichten 42 der aktiven Schicht 4 sind bei dem in Figur 1A dargestellten optoelektronischen Bauelement 10 in einem
Durchmischungsbereich 44 zumindest teilweise durchmischt. In dem Durchmischungsbereich 44 ist insbesondere das Halbleitermaterial der Quantentopfschichten 41 zumindest teilweise mit dem Halbleitermaterial der Barriereschichten 42, das die größere elektronische Bandlücke aufweist, durchmischt. Dies hat zur Folge, dass die aktive Schicht 4 in dem Durchmischungsbereich 44 eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die Quantentopfschichten 41 in dem nicht durchmischten Bereich 43.
Das optoelektronische Bauelement 10 weist zur elektrischen Kontaktierung einen ersten elektrischen Kontakt 1 und einen zweiten elektrischen Kontakt 2 auf. Beispielsweise ist der erste elektrische Kontakt der p-Kontakt und der zweite elektrisch Kontakt 2 der n-Kontakt des optoelektronischen Bauelements 10. Der erste elektrische Kontakt 1 ist ein Metallkontakt, der an einer Strahlungsaustrittsfläche 9 des optoelektronischen Bauelements 10 angeordnet ist. Der erste elektrische Kontakt 1 und/oder der zweite elektrisch Kontakt 2 können insbesondere jeweils ein Metall wie beispielsweise Gold, Silber, Aluminium, Titan oder Platin oder eine Legierung oder eine Schichtenfolge dieser Metalle aufweisen.
Der Durchmischungsbereich 44 der aktiven Schicht 4 ist bei dem optoelektronischen Bauelement 10 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet. Vorzugsweise weist der Durchmischungsbereich 44 im Wesentlichen die gleiche Breite auf wie der erste elektrische Kontakt 1. Der Durchmischungsbereich 44 ist insbesondere zentriert unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet. In senkrechter Richtung grenzt der Durchmischungsbereich 44 nicht direkt an den ersten elektrischen Kontakt 1 an, sondern ist beispielsweise durch eine oder mehrere Halbleiterschichten des n-Typ Halbleiterbereichs 5 von dem ersten elektrischen Kontakt 1 beanstandet.
Die Anordnung des Durchmischungsbereichs 44 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 hat den Vorteil, dass in diesem Bereich die elektronische Bandlücke vergrößert ist.
Der Verlauf der elektronischen Bandlücke in lateraler Richtung bei dem Beispiel des optoelektronischen Bauelements 10 ist schematisch in Figur IC dargestellt. Im Bereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 ist der Abstand zwischen der Leitungsbandkante EL und der Valenzbandkante EB und somit die elektronische Bandlücke im Vergleich zu den benachbarten nicht durchmischten Bereichen der QuantentopfStruktur vergrößert. Vorzugsweise ist die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts um mindestens 0,05 eV, beispielsweise zwischen 0,05 eV und 0,3 eV und bevorzugt zwischen 0,08 eV und 0,1 eV größer als in dem nicht durchmischten Bereich. Die in dem Durchmischungsbereich vergrößerte elektronische Bandlücke kann beispielsweise durch eine Messung der Photolumineszenz in diesem Bereich nachgewiesen werden.
Wie in Figur 1A zu sehen, führt die vergrößerte elektronische Bandlücke in den Durchmischungsbereich 44 dazu, dass Elektronen e, die sich vom ersten elektrischen Kontakt 1 zur aktiven Zone 4 bewegen, und Löcher h, die sich vom zweiten elektrischen Kontakt 2 in Richtung zur aktiven Zone 4 bewegen, im Wesentlichen nicht in dem Durchmischungsbereich 44 miteinander rekombinieren. Stattdessen diffundieren die Elektronen e und die Löcher h, wie in Figur 1A durch Pfeile skizziert, in die benachbarten nicht durchmischten Bereiche 43 und rekombinieren erst dort unter Emission von Strahlung.
Damit möglichst viele Elektronen und Löchern in die nicht durchmischten Bereiche 43 diffundieren, ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Durchmischungsbereichs 44 kleiner ist als Diffusionslänge der Ladungsträger e, h in dem Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper 6 basiert deshalb vorteilhaft auf einem Materialsystem mit großer Ladungsträgerdiffusionslänge wie beispielsweise GaAs, InAlGaAs, InGaAlP oder InP. Der Durchmischungsbereich 44 ist aber auch in Nitrid-Halbleitermaterialien wie beispielsweise InGaN, GaN oder AlGaN realisierbar.
Die Breite des Durchmischungsbereichs 44 und/oder des ersten Kontakts 1 beträgt vorzugsweise weniger als 10 gm und besonders bevorzugt weniger als 2 gm. Beispielsweise beträgt die Breite des Durchmischungsbereichs und/oder des ersten Kontakts zwischen 100 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 2 pm.
Die im Bereich unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 verminderte Rekombination von Ladungsträgern hat den Vorteil, dass unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 weniger Strahlung entsteht, die an dem ersten elektrischen Kontakt 1 absorbiert werden könnte. Vielmehr erfolgt die Rekombination von Ladungsträgern und somit die Emission von Strahlung vermehrt in den nicht durchmischten Bereichen 43, über denen kein elektrischer Kontakt angeordnet ist und somit die Strahlungsaustrittsfläche 9 freiliegt. Die Lichtauskopplung aus dem optoelektronischen Bauelement 10 wird auf diese Weise verbessert .
In den folgenden Figuren 2A bis 2D ist beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements 10 anhand von Zwischenschritten dargestellt.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Zwischenschritt ist ein Halbleiterkörper 6 hergestellt worden, der den p-Typ Halbleiterbereich 3, die als QuantentopfStruktur ausgebildete aktive Schicht 4 und den n-Typ Teilbereich 5 aufweist. Die aktive Schicht 4 weist abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten auf, wie zuvor im Zusammenhang mit der Figur 1B beschrieben.
Auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers 6, bei dem es sich um einen Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 handelt, auf den in einem späteren Verfahrensschritt der erste elektrische Kontakt aufgebracht werden soll, ist eine dielektrische Schicht 7 aufgebracht worden, die einen von dem Halbleiterkörper 6 verschiedenen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die dielektrische Schicht 7 ist zum Beispiel eine Si02-Schicht. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von S1O2 ist geringer als der thermische Ausdehnungskoeffizient von III-V-
Halbleitermaterialien wie beispielsweise Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien. Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient von S1O2 etwa 0,5 * 106/K und der thermische Ausdehnungskoeffizient von GaAs etwa 6 * 106/K. Die thermische Ausdehnung des Halbleitermaterials ist also wesentlich größer als die thermische Ausdehnung der dielektrischen Schicht 7. Auf die Bereiche der Oberfläche des Halbleiterkörpers 6, die neben der dielektrischen Schicht 7 angeordnet sind, kann eine weitere dielektrische Schicht 8 aufgebracht werden, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die dielektrische Schicht und der Halbleiterkörper aufweist. Die weitere dielektrische Schicht 8 ist beispielsweise eine SrF2- Schicht. Es ist möglich, dass die weitere dielektrische Schicht 8 auch auf eine gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht wird.
In einem weiteren Schritt, der in Figur 2B schematisch dargestellt ist, wird eine Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers 6 durchgeführt. Die Temperaturbehandlung kann im Temperaturbereich von etwa 700°C bis 1200°C, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 900°C erfolgen. Die Temperaturbehandlung dauert beispielsweise 10 s bis 10 min, vorzugsweise etwa 1 min bis 2 min. Aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers 6 und der dielektrischen Schicht 7 entsteht im Bereich der dielektrischen Schicht 7 eine Verspannung zwischen den Materialien der dielektrischen Schicht 7 und dem Halbleiterkörper 6.
Im Fall einer dielektrischen Schicht aus S1O2 entsteht durch die Temperaturbehandlung insbesondere eine große kompressive Verspannung in dem Halbleiterkörper. Die thermisch induzierte Verspannung bewirkt, dass sich Atome 11 aus dem Halbleiterkörper 6 in die dielektrische Schicht 7 bewegen. Beispielsweise können Gallium-Atome 11 aus dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 6 bei der Temperaturbehandlung in die dielektrische Schicht 7 diffundieren. Die aus dem Halbleiterkörper 6 diffundierten Atome 11 hinterlassen Leerstellen, die in dem Halbleiterkörper 6 diffundieren. Durch die Diffusion der Leerstellen werden die Quantentopfschichten und Barriereschichten in dem Bereich unterhalb der dielektrischen Schicht 7 zumindest teilweise durchmischt und so der Durchmischungsbereich 44 in der aktiven Schicht 4 erzeugt.
In den seitlich von der dielektrischen Schicht 7 angeordneten Bereichen des Halbleiterkörpers 6, in denen eine SrF2-Schicht als weitere dielektrische Schicht 8 angeordnet ist, ist die thermische Verspannung aufgrund des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der weiteren dielektrischen Schicht 8 wesentlich geringer und bewirkt deshalb im Wesentlichen keine Diffusion von Atomen des Halbleiterkörpers 6 in die weitere dielektrische Schicht 8. Außerhalb des Bereichs der dielektrischen Schicht 7 findet daher im Wesentlichen keine Leerstellendiffusion statt, so dass die aktive Schicht 4 dort nicht durchmischt wird. Nach der Temperaturbehandlung liegen daher außerhalb des Kontaktbereichs des Halbleiterkörpers 6, auf den die dielektrischen Schicht 7 aufgebracht ist, nicht durchmischte Bereiche 43 der aktiven Schicht 4 vor.
Die Herstellung des Durchmischungsbereichs 44 in der aktiven Schicht 4 erfolgt bei dem hier beschriebenen Beispiel vorteilhaft durch einen thermisch induzierten Diffusionsprozess, bei dem keine Fremdatome in den Durchmischungsbereich 44 eingebracht werden. Die Dotierung des Halbleiterkörpers 6 wird daher bei der Herstellung des Durchmischungsbereichs 44 nicht gezielt verändert. Insbesondere weisen die nicht durchmischten Bereiche 43 und der Durchmischungsbereich 44 der aktiven Schicht 4 nominell die gleiche oder gar keine Dotierung auf. In einem weiteren Zwischenschritt des Verfahrens, der in Figur 2C schematisch dargestellt ist, sind die dielektrische Schicht 7 und die weitere dielektrische Schicht 8 wieder von dem Halbleiterkörper 6 entfernt worden. Dies kann beispielsweise mit einem dazu geeigneten Ätzprozess erfolgen.
In einem nächsten Schritt des Verfahrens, der in Figur 2D dargestellt ist, sind der erste elektrische Kontakt 1 und der zweite elektrischen Kontakt 2 auf den Halbleiterkörper 6 aufgebracht worden. Der erste elektrische Kontakt 1 wird auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht, auf dem zuvor die dielektrische Schicht 7 angeordnet war. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Durchmischungsbereich 44 unterhalb des ersten elektrischen Kontakts 1 angeordnet ist.
Der erste elektrische Kontakt 1 wird vorzugsweise derart aufgebracht, dass die Form und/oder Breite des ersten elektrischen Kontakts 1 im Wesentlichen der Form und/oder Breite des Durchmischungsbereichs 44 entsprechen. Besonders bevorzugt sind der erste elektrische Kontakt 1 und der Durchmischungsbereich 44 in Draufsicht auf den Halbleiterkörper 6 deckungsgleich. Der erste elektrische Kontakt 1 ist beispielsweise der n-Kontakt des optoelektronischen Bauelements.
Der zweite elektrische Kontakt 2 ist auf eine dem ersten elektrischen Kontakt 2 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 6 aufgebracht. Der zweite elektrische Kontakt 2 kann beispielsweise ganzflächig auf die der Strahlungsaustrittsfläche 9 gegenüberliegende Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht sein. Der zweite elektrische Kontakt 2 kann beispielsweise als Spiegelkontakt ausgeführt sein, der ein für die von der aktiven Schicht 4 emittierte Strahlung reflektierendes Material wie beispielsweise Silber oder Aluminium aufweist. Es ist möglich, dass der zweite elektrische Kontakt 2 zwischen dem Halbleiterkörper 6 und einem Träger (nicht dargestellt) des Halbleiterkörpers 6 angeordnet ist. Der zweite elektrische Kontakt 2 ist beispielsweise der p-Kontakt des optoelektronischen Bauelements 10.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102019 131 422.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 erster Kontakt
2 zweiter Kontakt
3 p-Typ Halbleiterbereich
4 aktive Schicht
41 QuantentopfSchicht
42 BarriereSchicht
43 nicht durchmischter Bereich
44 Durchmischungsbereich
5 n-Typ Halbleiterbereich
6 Halbleiterkörper
7 dielektrische Schicht
8 weitere dielektrische Schicht
9 Strahlungsaustrittsfläche
10 optoelektronisches Bauelement
11 Ga-Atom

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (10), umfassend
- einen Halbleiterkörper (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine QuantentopfStruktur aufweist, wobei die QuantentopfStruktur mindestens eine QuantentopfSchicht (41) und Barriereschichten (42) enthält,
- einen ersten elektrischen Kontakt (1) und einen zweiten elektrischen Kontakt (2), wobei
- die aktive Schicht (4) mindestens einen Durchmischungsbereich (44) und mindestens einen nicht durchmischten Bereich (43) aufweist,
- die mindestens eine QuantentopfSchicht (41) und die Barriereschichten (42) in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt sind, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine QuantentopfSchicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43),
- der erste elektrische Kontakt (1) ein Metallkontakt ist, der auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist, und
- der Durchmischungsbereich (44) in vertikaler Richtung unterhalb des ersten Kontakts (1) angeordnet ist, und
- der Durchmischungsbereich (44) eine Breite von weniger als 10 pm aufweist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Kontakt (1) eine Breite von weniger als 10 pm aufweist.
3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Bandlücke in dem Durchmischungsbereich (44) um mindestens 0,05 eV größer ist als in dem nicht durchmischten Bereich (43).
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kontakt (1) ein n-Kontakt und der zweite Kontakt (2) ein p-Kontakt des Halbleiterkörpers (6) ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontakt (2) an einer der Strahlungsaustrittsfläche (9) gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers (6) angeordnet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (6) auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder einem Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmischungsbereich (44) und der nicht durchmischte Bereich (43) die gleiche Dotierstoffkonzentration aufweisen.
8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Bauelement (10) eine LED ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, umfassend die Schritte:
Herstellen eines Halbleiterkörpers (6) mit einer zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht (4), die eine QuantentopfStruktur aufweist, wobei die QuantentopfStruktur mindestens eine QuantentopfSchicht (41) und Barriereschichten (42) enthält,
- Aufbringen einer dielektrischen Schicht (7) auf einen Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6), wobei die dielektrische Schicht (7) einen von dem Halbleiterkörper verschiedenen (6) thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist,
- Durchführen einer Temperaturbehandlung, bei der Atome aus dem Halbleiterköper (6) in die dielektrische Schicht (7) diffundieren und Leerstellen in dem Halbleiterkörper (6) erzeugen, wobei durch eine Diffusion der Leerstellen in dem Halbleiterkörper (6) ein Durchmischungsbereich (44) in der aktiven Schicht (4) erzeugt wird, und wobei die mindestens eine QuantentopfSchicht (41) und die Barriereschichten (42) in dem Durchmischungsbereich (44) zumindest teilweise durchmischt werden, so dass der Durchmischungsbereich (44) eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die mindestens eine QuantentopfSchicht (41) in dem nicht durchmischten Bereich (43) und der Durchmischungsbereich (44) eine Breite von weniger als 10 pm aufweist,
- Entfernen der dielektrischen Schicht (7) von dem Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6), und
- Aufbringen einer Metallschicht auf den Kontaktbereich des Halbleiterkörpers (6) zur Ausbildung eines ersten elektrischen Kontakts (1) in dem Kontaktbereich.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die dielektrische Schicht (7) eine SiCh-Schicht ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Halbleiterkörper (6) ein Ga enthaltendes Halbleitermaterial aufweist, und wobei bei der Temperaturbehandlung Ga-Atome (11) aus dem Halbleiterkörper (6) in die dielektrische Schicht (7) diffundieren.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 700 °C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei neben der dielektrischen Schicht (7) eine weitere dielektrische Schicht (8) auf den Halbleiterkörper (6) aufgebracht wird, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Halbleiterkörper (6).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die weitere dielektrische Schicht (8) eine SrF2- Schicht ist.
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