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WO2018167011A1 - Verfahren zur herstellung von leuchtdioden und leuchtdiode - Google Patents

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WO2018167011A1
WO2018167011A1 PCT/EP2018/056158 EP2018056158W WO2018167011A1 WO 2018167011 A1 WO2018167011 A1 WO 2018167011A1 EP 2018056158 W EP2018056158 W EP 2018056158W WO 2018167011 A1 WO2018167011 A1 WO 2018167011A1
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semiconductor contact
contact
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semiconductor
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PCT/EP2018/056158
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Bastian Galler
Jürgen OFF
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • a process for the production of light-emitting diodes is specified.
  • a light-emitting diode is specified.
  • An object to be achieved is given by specifying a light-emitting diode which has a high light extraction efficiency in the ultraviolet spectral range.
  • Procedure produced light-emitting diodes.
  • the finished LEDs emit incoherent radiation during operation, ie none
  • Laser radiation are light-emitting diodes for generating ultraviolet radiation, for example having a maximum intensity wavelength in the spectral range of between 200 nm and 400 nm or including 200 nm and 300 nm.
  • the method comprises the step of growing an n-type n-type layer.
  • the n-type layer may be formed by a single layer or may be composed of several partial layers which
  • each n-doped such as silicon
  • the n-type layer includes a thin sub-layer which is not necessarily n-doped and which is approximately as Barrier layer can serve for positive charge carriers, for example, with a thickness of at most 15 nm or 10 nm.
  • an active zone is grown.
  • the active zone is designed to generate ultraviolet radiation.
  • the wavelength of maximum intensity of the radiation generated by the active zone in the finished light-emitting diode preferably lies at a wavelength of at least 205 nm or 217 nm and / or at most 360 nm or 310 nm or 270 nm or 230 nm.
  • the maximum intensity wavelength is preferred between 205 nm and 260 nm inclusive.
  • the active zone preferably includes a multiple quantum well structure, also referred to as MQW.
  • a p-type p-type layer is grown.
  • the p-layer may include multiple sublayers, each preferably p-doped, such as with magnesium.
  • the p-layer includes a non-necessarily doped sub-layer as a barrier layer for negative charge carriers, ie for electrons, for example with a thickness of at most 15 nm or 10 nm.
  • the active zone directly adjoins the n-layer and on opposite sides the p-layer.
  • the method comprises the step of generating a p-type
  • the semiconductor contact layer is a part of the semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor contact layer is preferably heavily p-doped.
  • the semiconductor contact layer is at least
  • the semiconductor contact layer and the p-layer are in places in direct contact with the p-layer. That is, the semiconductor contact layer and the p-layer
  • a current injection into the p-layer takes place preferably exclusively or predominantly, for example at least 90% or 95%, over the semiconductor contact layer.
  • the electrode layer can also be composed of several partial layers.
  • the electrode layer can also be composed of several partial layers.
  • Electrode layer one or more metal layers.
  • the electrode layer is resistive.
  • Electrode layer touches the p-layer, wherein a geometric contact surface between the electrode layer and the p-layer may be larger than between the electrode layer and the
  • Electrode layer For example, no or no significant current flow from the electrode layer occurs directly into the p-layer so that current is conducted from the electrode layer into the semiconductor contact layer and thence into the p-layer.
  • the electrode layer is designed in particular as an anode.
  • the contact layer is especially necessary because the electrical barrier between the electrode and the p-layer is comparatively high for physical reasons. In the operation is therefore a
  • the n-layer and the active zone are each based on AlGaN.
  • the n- Layer and the active zone free of indium and preferably each have, at least in places, a high
  • the p-layer is AlGaN or InGaN or AlInGaN.
  • the semiconductor contact layer is a GaN layer. That is, the semiconductor contact layer is preferably free of indium and aluminum.
  • Such impurities and / or dopings preferably account for a proportion of at most 0.1% by weight and / or at most 10 23 / cm 3 or 10 21 / cm 3 .
  • the semiconductor contact layer on a varying thickness.
  • the semiconductor contact layer has a multiplicity of thickness maxima.
  • the thickness maxima are separated from each other by regions with a smaller thickness of the semiconductor contact layer.
  • a smaller thickness implies that the semiconductor contact layer may have a thickness of zero in places. That is, the thickness maxima may be formed by inseparate, non-contiguous regions of the semiconductor contact layer.
  • the thickness maxima seen in plan view have a surface concentration of
  • the finished light-emitting diodes have, for example, an average edge length of at least 0.25 mm or 0.5 mm and / or of at most 1.5 mm or 1 mm.
  • the thickness maxima are distributed irregularly. That is, seen in plan view, the thickness maxima do not represent a regular grid.
  • the method for producing light-emitting diodes is set up and comprises the following steps, preferably in the order given:
  • UV LEDs are usually thin
  • Absorption edge of p-GaN of about 360 nm is, through such a continuous p-GaN layer
  • metallic contact is applied as an electrode layer, which connects electrically to the p-GaN islands and there current
  • contacts made of transparent conductive oxides, TCOs for short, can also be used to form the electrode layer.
  • the p-layer is seen in plan view only in part from the
  • Semiconductor contact layer preferably at least 0.1% or 0.5% or 2% and / or at most 20% or 15% or 10% or 5%. This is the case of high reflectivity
  • Electrode layer the external quantum efficiency steigerbar Electrode layer the external quantum efficiency steigerbar.
  • Semiconductor contact layer is not a continuous layer.
  • adjacent thickness maxima seen in plan view have a mean distance from each other of at least 0.1 ym or 0.4 ym or 1 ym or 3 ym.
  • the middle is
  • the semiconductor contact layer has regions which have a maximum thickness over a larger surface area and thus a flat maximum thickness, then, as the thickness maxima in the present case, a point seen in plan view is preferably considered to be located in the middle of this region. In this case, that means per perseptic area
  • Semiconductor contact layer is exactly in plan view punctiform thickness maximum.
  • the thickness maxima preferably correspond in each case to one of the contact islands, so that a one-to-one correspondence between the contact islands and the thickness maxima can exist and / or the contact islands are identical to the thickness maxima.
  • the aforementioned values for the thickness maxima thus apply in the same way to the contact islands.
  • the side facing the electrode layer is located on the
  • Semiconductor contact layer a continuous partial layer.
  • the sub-layer is part of the semiconductor contact layer and preferably formed from the same material as the
  • the electrode layer is preferred
  • the sub-layer can connect all thickness maxima together.
  • the sub-layer of the semiconductor contact layer is made thin.
  • a thickness of the sub-layer is at least 2 nm or 5 nm or 10 nm and / or at most 50 nm or 30 nm or 20 nm.
  • the thickness of the first layer is the thickness of the first layer
  • Partial layer smaller than a mean height of the thickness maxima.
  • the sub-layer is thinner than the thickness maxima on average by at least a factor of 1.5 or 3 or 5.
  • the thickness maxima are achieved by using a material of the semiconductor contact layer
  • V defects formed.
  • the V defects arise through the targeted opening of defects such as dislocations in the
  • the opening of the defects, so that the V defects are pronounced, takes place, for example, in the p-layer, for example close to an interface to the active zone.
  • the defects can already be opened in the active zone or in the n-layer to the V-defects.
  • the resulting V-defects are preferably completely filled by the material of the semiconductor contact layer.
  • the opened V-defects are limited to the p-layer. That is, the previously linear, tubular running
  • Defects such as dislocations are selectively opened funnel-shaped or in the form of inverted pyramids and expanded.
  • the V-defects after opening have an opening angle of at least 20 ° or 30 ° or 40 °. Alternatively or additionally, this opening angle is at most 110 ° or 90 ° or 75 °.
  • the opening angle is about 60 °.
  • Semiconductor layer sequence in particular the p-layer, an opening layer.
  • the previously existing defects in particular the p-layer
  • the opening layer is made of AlInGaN or InGaN.
  • the opening layer is made of AlInGaN or InGaN.
  • Opening layer indium This is an indium content of
  • Opening layer preferably at most 20% or 10% or 5%.
  • a thickness of the opening layer is, for example, at least 5 nm or 10 nm or 15 nm and / or at most 50 nm or 35 nm or 20 nm. Is an opening layer
  • all remaining regions of the p-layer are preferably grown from AlGaN, so that the opening layer can be the only partial region of the p-layer which contains indium. According to at least one embodiment, the
  • Opening layer on one of the active zone facing side of the p-layer may form a boundary between the active zone and the p-layer or be located within the p-layer.
  • a distance between the active zone and the opening layer is preferably at most 50 nm or 30 nm or 15 nm.
  • a masking layer is produced in a step Cl) between steps C) and D) on a side of the p-layer facing away from the active zone.
  • the masking layer is preferably located directly on the p-layer.
  • the masking layer is preferably made of a dielectric material, in particular a nitride such as silicon nitride.
  • Masking layer is low, for example at most 3 nm or 2 nm or 1 nm
  • Masking layer has an average thickness of at most 1.5 monolayers or 1 monolayer.
  • the finished masking layer only partially covers the p-layer.
  • Masking layer preferably has a plurality of
  • the openings are in particular statistically distributed over the p-layer.
  • the masking layer may self-assemble, such as determined by a duration of supply of starting materials for the masking layer. That is, it is not necessary for the masking layer to be patterned through, for example, lithography or a stamping process.
  • Semiconductor contact layer in the openings starting from the p-layer. That is, the semiconductor contact layer is grown on the p-layer from the openings.
  • Material of the semiconductor contact layer preferably does not grow on the mask layer itself.
  • exactly one contact pad is provided per opening of the mask layer
  • Semiconductor contact layer ie in particular by p-doped GaN, interconnected.
  • the masking layer is preferably only partially of the material of
  • Thickness maxima in particular the contact islands and / or the filled V defects, p-doped GaN on.
  • Dopant concentration is preferably at least
  • a dopant is preferably magnesium.
  • the intermediate layer can consist of a
  • the interlayer is made of a dielectric material having one compared to
  • Semiconductor layer sequence is low refractive index, for example, of an oxide such as silicon dioxide or a nitride such as silicon nitride. Also an intermediate layer, composed of partial layers, for example from one
  • Masking layer and / or at the p-layer is a high reflectivity of ultraviolet radiation over Total reflection achievable over a substantial range of angles of incidence.
  • the method comprises a step D2) which is carried out between the steps D1) and E).
  • step D2) the intermediate layer is partially removed so that the contact pads and / or the V defects filled with the material of the semiconductor contact layer are exposed. This results in an efficient contacting of the semiconductor contact layer with the
  • Electrode layer possible.
  • the individual layers of the semiconductor layer sequence in particular the n-layer, the active zone, the p-layer and / or the
  • a growth temperature for the p-layer is preferably between 700 ° C. and 1100 ° C., especially between
  • the p-layer can be at comparatively low temperatures are grown, especially in the case of opening V-defects.
  • the growth temperature of the semiconductor contact layer is comparatively high and is at least 900 ° C or 950 ° C or 970 ° C and / or at most 1150 ° C or 1100 ° C or 1050 ° C.
  • Light-emitting diode is preferably produced by a method as indicated in connection with one or more of the above-mentioned embodiments. Features of the method are therefore also disclosed for the light emitting diode and vice versa.
  • the light emitting diode is configured to generate ultraviolet radiation and comprises an n-type n-type layer, a p-type p-type layer, and an active region for generating ultraviolet radiation therebetween.
  • Semiconductor contact layer has a varying thickness with a plurality of thickness maxima with a high
  • An ohmic-conductive electrode layer is applied directly to the semiconductor contact layer.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic sectional views of FIG.
  • FIGS 2A, 3A, 5A, 5B, 6A, 7A and 7C are schematic
  • Figures 2B, 3B, 6B and 7B are schematic plan views
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a
  • FIG. 1 shows a modification of a light-emitting diode.
  • the light emitting diode is adapted to emit ultraviolet radiation R.
  • the light emitting diode On a substrate 51, the light emitting diode a semiconductor layer sequence 2, see Figure 1A.
  • the semiconductor layer sequence 2 comprises a buffer layer 21, an n-type n-layer 22, an active zone 23, a p-type p-layer 24 and a continuous, planar p-type semiconductor contact layer 25
  • Semiconductor contact layer 25 is a ohmsch- conducting electrode layer 3rd
  • Radiation R generated in the active zone 23 is usually multiple in the semiconductor layer sequence 2
  • Semiconductor contact layer 25 is absorbent for the radiation R, arise on the planar semiconductor contact layer 25 comparatively large absorption losses. This reduces efficiency.
  • a wavelength of the radiation R is below 360 nm, corresponding to the
  • FIGS. 2 and 3 show method steps for
  • a growth substrate 51 is used, such as aluminum nitride.
  • the buffer layer 21 is made of aluminum nitride or AlGaN, for example, and is optionally n-doped.
  • the n-layer 22 is an n-doped AlGaN layer.
  • the active zone 23 is based on AlGaN and contains undrawn quantum well layers and just as few drawn barrier layers. The active zone 23 follows the p-layer 24 over the whole area, which is composed of p doped AlGaN, with an aluminum content ranging, for example, between 10% and 90% inclusive.
  • V defects 41 are opened. Seen in cross-section, the V-defects 41 are triangular, hexagonal in plan view, see FIG. 2B.
  • the V defects 41 have, in particular, the form of inverted, mostly largely regular
  • the p-layer 24 is particularly preferably at a combination of relatively low temperatures, in particular T ⁇ 1000 ° C, comparatively high pressure, in particular p ⁇ 200 mbar, comparatively high
  • Hydrogen content in the gas phase and / or relatively weakly doped with magnesium for example, with a dopant concentration of ⁇ 2 x 10 19 cm -3 .
  • Opening angle of the V-defects 41 is seen in cross section at about 60 °.
  • FIG. 3 illustrates that the V defects 41 are filled with a material for the semiconductor contact layer 25.
  • the semiconductor contact layer 25 is made of p-type GaN having a dopant concentration of preferably at least 10 19 cm -3 to 10 21 cm -3 , wherein magnesium is used as the dopant.
  • the semiconductor contact layer 25 becomes
  • T> 900 ° C doped comparatively highly doped with magnesium, for example with a dopant concentration of> 2 * 10 19 cm -3 .
  • the semiconductor contact layer 25 in the V defects 41 ranges at least 50% or 75% and / or too at most 90% or 95% through the p-layer 24 therethrough.
  • the V defects can also already start in the n-layer 22 or in the active zone 23.
  • a thickness of the p-layer 24 is, for example, as preferred in all others
  • Embodiments at least 50 nm or 100 nm or 200 nm and / or at most 500 nm or 300 nm. Seen in plan view is covered by the semiconductor contact layer 25, only a small area ratio of the p-layer 24.
  • the sub-layer 43 has only a small thickness, for example, between 5 nm and 15 nm inclusive, so that absorption of UV radiation in the
  • Sub-layer 43 is weak.
  • FIGS. 2 and 3 preferably take place in the wafer composite. Steps like applying a
  • Carrier substrate 52 a detachment of the growth substrate 51 or singulation to individual LEDs and the application of electrical contact structures are to
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the light-emitting diode 10. This is used for electrical contacting
  • n-side 22nd is for example electrically connectable via an electrical contact surface 55, such as a bonding pad. As in all other embodiments is optional
  • an efficient current impression in the p-side 24 can be achieved on the other hand, due to the small volume, there is only little absorption of UV radiation in the semiconductor contact layer 25.
  • defects such as dislocations and the intentional opening of the V defects are small structures and small mean distances between adjacent thickness maxima 4 achievable. Since the V defects 41 are completely filled, a smooth surface can be achieved on an active zone 23 side facing away from the p-layer 24 and the semiconductor contact layer 25, whereby an increased reflectivity at the electrode layer 3, which is preferably a mirror, can be achieved ,
  • the semiconductor layer sequence 2 additionally has an opening layer 44.
  • the opening layer 44 is formed for example of AlInGaN, with a
  • Opening layer 44 achievable.
  • the opening layer 44 is located at the boundary between the active zone 23 and the p-layer 24.
  • the opening layer 44 is located within the p-layer 24, for example with a distance to the active zone 23 of about 10 nm.
  • a masking layer 45 is applied locally to the p-layer 24, for example, from
  • the masking layer 45 remains a plurality of openings that may arise self-organized and in which the p-layer 24 remains free, see Figure 6B.
  • Masking layer 45 the material for the
  • Semiconductor contact layer 25 deposited so that thickness maxima 4 in the form of individual, non-contiguous
  • an intermediate layer 46 is produced before attaching the electrode layer 3, which takes place, for example, by sputtering or vapor deposition.
  • the intermediate layer 46 serves to planarize the thickness maxima 4.
  • the intermediate layer 46 is made of AlGaN, as is the p-layer 24.
  • the intermediate layer 46 may be doped or undoped.
  • a dielectric material, such as silicon dioxide, is deposited to increase To achieve reflectivity in the interaction of the electrode layer 3.
  • the intermediate layer 46 is optionally deposited in such a way that the contact islands 42 are at least partially covered by the material of the intermediate layer 46.
  • FIG. 7C it is illustrated that after generating the
  • Electrode layer 3 on.
  • the masking layer 45 is completely off the
  • the removal of the intermediate layer 46 can be done mechanically and / or chemically. Notwithstanding the representation in FIGS. 7A and 7C, the intermediate layer 46 can also be composed of several partial layers, in particular in order to achieve increased reflectivity at the intermediate layer 46 and at the electrode layer 3.
  • the proportion of the directly covered by the contact pads 42 surface of the p-layer is adjustable, for example by the growth time of
  • Masking layer 45 Instead of a self-organized masking layer 45 may alternatively be a Structuring via a stamping process or via lithographic processes take place.
  • Electrode layer 3 can each be used for the generated radiation R permeable electrode layer,
  • transparent conductive oxides in particular of transparent conductive oxides, in short TCOs.
  • transparent conductive oxides in short TCOs.
  • Ga 2 O 3, ITO or a Sr-Cu oxide may be used singly or in combination.
  • Generating the intermediate layer 46 is optional. If the intermediate layer 46 is omitted, the electrode layer 3 directly on the masking layer 45 and the
  • Electrode layer 3 is formed from a TCO.
  • Light-emitting diodes 10 described here are used, for example, for gas sensors in order to detect specific gas absorption lines.
  • a wavelength of maximum intensity of the generated radiation R is, for example, between
  • Radiation power of the radiation R is for example about 1 mW.

Landscapes

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Abstract

Das Verfahren ist zur Herstellung von Leuchtdioden eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge: A) Wachsen einer n-leitenden n-Schicht (22), B) Wachsen einer aktiven Zone (23) zur Erzeugung ultravioletter Strahlung, C) Wachsen einer p-leitenden p-Schicht (24), D) Erzeugen einer p-leitenden Halbleiterkontaktschicht (25) mit einer variierenden Dicke und mit einer Vielzahl von Dickenmaxima (4) direkt an der p-Schicht (24), und E) Anbringen einer ohmsch-leitenden Elektrodenschicht (3) direkt auf der Halbleiterkontaktschicht (25), wobei - die n-Schicht (22) und die aktive Zone (23) je auf AlGaN und die p-Schicht (24) auf AlGaN oder InGaN basieren und die Halbleiterkontaktschicht (25) eine GaN-Schicht ist, und - die Dickenmaxima (4) in Draufsicht gesehen eine Flächenkonzentration von mindestens 104 cm-2 aufweisen.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON LEUCHTDIODEN UND LEUCHTDIODE Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden angegeben. Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe ist dadurch gegeben, eine Leuchtdiode anzugeben, die im ultravioletten Spektralbereich eine hohe Lichtauskoppeleffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch eine Leuchtdiode mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden mit dem
Verfahren Leuchtdioden hergestellt. Die fertigen Leuchtdioden emittieren im Betrieb inkohärente Strahlung, also keine
Laserstrahlung. Insbesondere handelt es sich um Leuchtdioden zur Erzeugung von ultravioletter Strahlung, etwa mit einer Wellenlänge maximaler Intensität im Spektralbereich zwischen einschließlich 200 nm und 400 nm oder einschließlich 200 nm und 300 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Wachsens einer n-leitenden n-Schicht. Die n- Schicht kann durch eine einzige Schicht gebildet sein oder aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, die
insbesondere jeweils n-dotiert sind, etwa mit Silizium.
Optional beinhaltet die n-Schicht eine dünne Teilschicht, die nicht notwendigerweise n-dotiert ist und die etwa als Barriereschicht für positive Ladungsträger dienen kann, zum Beispiel mit einer Dicke von höchstens 15 nm oder 10 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine aktive Zone gewachsen. Die aktive Zone ist zur Erzeugung ultravioletter Strahlung eingerichtet. Bevorzugt liegt die Wellenlänge maximaler Intensität der von der aktiven Zone in der fertigen Leuchtdiode erzeugten Strahlung bei einer Wellenlänge von mindestens 205 nm oder 217 nm und/oder bei höchstens 360 nm oder 310 nm oder 270 nm oder 230 nm. Bevorzugt liegt die Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 205 nm und 260 nm. Die aktive Zone beinhaltet bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, auch als MQW bezeichnet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine p-leitende p- Schicht gewachsen. Die p-Schicht kann mehrere Teilschichten beinhalten, die bevorzugt jeweils p-dotiert sind, etwa mit Magnesium. Optional beinhaltet die p-Schicht eine nicht notwendigerweise dotierte Teilschicht als Barriereschicht für negative Ladungsträger, also für Elektronen, etwa mit einer Dicke von höchstens 15 nm oder 10 nm. Bevorzugt grenzt die aktive Zone an einander gegenüberliegenden Seiten unmittelbar an die n-Schicht und an die p-Schicht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens einer p-leitenden
Halbleiterkontaktschicht. Die Halbleiterkontaktschicht ist ein Teil der Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterkontaktschicht ist bevorzugt stark p-dotiert.
Ferner steht die Halbleiterkontaktschicht zumindest
stellenweise in direktem Kontakt mit der p-Schicht. Das heißt, die Halbleiterkontaktschicht und die p-Schicht
berühren sich. Eine Stromeinprägung in die p-Schicht erfolgt bevorzugt ausschließlich oder überwiegend, etwa zu mindestens 90 % oder 95 %, über die Halbleiterkontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf der
Halbleiterkontaktschicht, insbesondere direkt auf der
Halbleiterkontaktschicht, eine Elektrodenschicht aufgebracht. Auch die Elektrodenschicht kann aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein. Bevorzugt beinhaltet die
Elektrodenschicht eine oder mehrere Metallschichten. Die Elektrodenschicht ist ohmsch-leitend .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die
Elektrodenschicht direkt auf oder an der
Halbleiterkontaktschicht angebracht, sodass sich die
Elektrodenschicht und die Halbleiterkontaktschicht berühren. Es ist möglich, dass die Elektrodenschicht die p-Schicht berührt, wobei eine geometrische Kontaktfläche zwischen der Elektrodenschicht und der p-Schicht größer sein kann als zwischen der Elektrodenschicht und der
Halbleiterkontaktschicht. Zum Beispiel erfolgt kein oder kein signifikanter Stromfluss von der Elektrodenschicht direkt in die p-Schicht, sodass Strom von der Elektrodenschicht in die Halbleiterkontaktschicht und von dort in die p-Schicht geführt wird. Die Elektrodenschicht ist insbesondere als Anode ausgebildet. Die Kontaktschicht ist speziell deshalb erforderlich, weil die elektrische Barriere zwischen der Elektrode und der p-Schicht aus physikalischen Gründen vergleichsweise hoch ist. Beim Betrieb ist deswegen ein
Stromfluss direkt in die p-Schicht zwar gewünscht, aber geringer oder unterbunden als über die Kontaktschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basieren die n-Schicht und die aktive Zone jeweils auf AlGaN. Bevorzugt sind die n- Schicht sowie die aktive Zone frei von Indium und weisen bevorzugt je, zumindest stellenweise, einen hohen
Aluminiumgehalt auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die p-Schicht aus AlGaN oder aus InGaN oder aus AlInGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterkontaktschicht eine GaN-Schicht. Das heißt, die Halbleiterkontaktschicht ist bevorzugt frei von Indium und Aluminium .
Vorangehend sind hinsichtlich der Materialzusammensetzungen der jeweiligen Schichten nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, also Aluminium, Gallium, Indium und Stickstoff, genannt. Die jeweiligen Schichten können
zusätzliche Bestandteile in kleinen Mengen aufweisen, etwa Sauerstoff, Kohlenstoff, Silizium und/oder Magnesium. Solche Verunreinigungen und/oder Dotierungen machen bevorzugt einen Anteil von höchstens 0,1 Gew% und/oder höchstens 1023/cm3 oder 1021/cm3 aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterkontaktschicht eine variierende Dicke auf. Hierbei verfügt die Halbleiterkontaktschicht über eine Vielzahl von Dickenmaxima . Die Dickenmaxima sind ringsum durch Bereiche mit einer geringeren Dicke der Halbleiterkontaktschicht voneinander separiert. Geringere Dicke schließt in diesem Zusammenhang mit ein, dass die Halbleiterkontaktschicht stellenweise eine Dicke von Null aufweisen kann. Das heißt, die Dickenmaxima können durch inseiförmige, in sich nicht zusammenhängende Bereiche der Halbleiterkontaktschicht gebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Dickenmaxima in Draufsicht gesehen eine Flächenkonzentration von
mindestens lOVcm2 oder 105/cm2 oder 106/cm2 auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Flächenkonzentration bei
höchstens lOVcm2 oder 108/cm2 oder 107/cm2. Mit anderen Worten sind in den fertigen Leuchtdioden viele der Dickenmaxima vorhanden. Die fertigen Leuchtdioden weisen zum Beispiel eine mittlere Kantenlänge von mindestens 0,25 mm oder 0,5 mm und/oder von höchstens 1,5 mm oder 1 mm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Dickenmaxima unregelmäßig verteilt. Das heißt, in Draufsicht gesehen stellen die Dickenmaxima kein regelmäßiges Gitter dar.
Insbesondere sind die Dickenmaxima im Rahmen der
statistischen Schwankungen gleichmäßig über die p-Schicht hinweg verteilt, sodass keine Bereiche mit gezielt hoher oder gezielt niedriger Flächenkonzentration gebildet werden. In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
A) Wachsen einer n-leitenden n-Schicht,
B) Wachsen einer aktiven Zone zur Erzeugung ultravioletter Strahlung,
C) Wachsen einer p-leitenden p-Schicht,
D) Erzeugen einer p-leitenden Halbleiterkontaktschicht mit einer variierenden Dicke und mit einer Vielzahl von
Dickenmaxima direkt auf, an oder in der p-Schicht, und
E) Anbringen einer ohmsch-leitenden Elektrodenschicht direkt auf der Halbleiterkontaktschicht, wobei die n-Schicht und die aktive Zone je auf AlGaN und die p-Schicht auf AlGaN oder InGaN basieren und die Halbleiterkontaktschicht eine GaN- Schicht ist sowie die Dickenmaxima in Draufsicht gesehen Flächenkonzentration von mindestens 104 cm-2 oder 106 cm-2 aufweisen . Aufgrund der Materialeigenschaften von AlGaN mit hohem
Aluminiumgehalt, insbesondere der selbst im Vergleich zu GaN sehr hohen Aktivierungsenergie des üblichen Akzeptors
Magnesium, ist die Herstellung von p-dotierten AlGaN- Schichten mit hohem Aluminiumgehalt ausreichender
Leitfähigkeit und ausreichend niedrigem Kontaktwiderstand für Leuchtdioden, kurz LEDs, insbesondere zur Erzeugung
ultravioletter Strahlung, nur sehr bedingt möglich. Aus diesem Grund werden für UV-LEDs üblicherweise dünne,
durchgehende p-GaN-Schichten an einer p-Seite verwendet. Da die Emissionswellenlänge dieser LEDs unterhalb der
Absorptionskante von p-GaN von ungefähr 360 nm liegt, wird durch eine solche durchgehende p-GaN-Schicht ein
signifikanter Anteil der erzeugten Strahlung absorbiert und nicht emittiert.
Bei den hier beschriebenen Leuchtdioden werden als
elektrische Anschlussschicht dreidimensionale Strukturen, also kleine, p-GaN enthaltende Inseln, während des Wachsens an der ansonsten im Wesentlichen aus AlGaN bestehenden p- Seite erzeugt. Anschließend wird ein beispielsweise
metallischer Kontakt als Elektrodenschicht aufgebracht, der elektrisch die p-GaN-Inseln anschließt und dort Strom
injiziert. Anstelle von metallischen Kontakten können auch Kontakte aus transparenten leitfähigen Oxiden, kurz TCOs, verwendet werden, um die Elektrodenschicht zu bilden.
Durch das deutlich reduzierte Volumen des stark
absorbierenden p-GaN für die Halbleiterkontaktschicht lässt sich die Extraktionswahrscheinlichkeit für ultraviolette Strahlung wesentlich erhöhen. Eine solche Erhöhung kann, bei einer hohen Reflektivität der Elektrodenschicht, mehr als ein Faktor 2 betragen. Somit lässt sich die externe
Quanteneffizienz signifikant steigern. Die elektrische
Effizienz der Leuchtdioden wird durch die verringerte p- Kontaktflache, verursacht durch die Strukturierung der
Halbleiterkontaktschicht, dagegen üblicherweise verringert. Angesichts der signifikant gesteigerten
Extraktionswahrscheinlichkeit wird der Effekt durch die verringerte p-Kontaktflache jedoch kompensiert, sodass die Leuchtdiode insgesamt effizienter ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die p-Schicht in Draufsicht gesehen nur zum Teil von der
Halbleiterkontaktschicht bedeckt. Dabei liegt ein
Bedeckungsgrad der p-Schicht durch die
Halbleiterkontaktschicht bevorzugt bei mindestens 0,1 % oder 0,5 % oder 2 % und/oder bei höchstens 20 % oder 15 % oder 10 % oder 5 %. Hierdurch ist bei hoher Reflektivität der
Elektrodenschicht die externe Quanteneffizienz steigerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind eine der
Halbleiterkontaktschicht zugewandte Seite der
Elektrodenschicht und/oder eine der p-Schicht abgewandte
Seite der aktiven Zone eben. Das heißt insbesondere, dass die vorgenannten Seiten bestimmungsgemäß frei von einer
absichtlich erzeugten Strukturierung sind. Eventuelle
Unebenheiten sind somit auf unerwünschte Defekte
zurückzuführen. Eben bedeutet zum Beispiel eine mittlere Rauheit von höchstens 2 nm oder 0,5 nm oder 0,25 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterkontaktschicht durch eine Vielzahl von
Kontaktinseln gebildet. Damit ist es möglich, dass die
Halbleiterkontaktschicht keine durchgehende Schicht ist.
Insbesondere besteht zwischen den Kontaktinseln keine
Verbindung aus einem Material der Halbleiterkontaktschicht selbst .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen benachbarte Dickenmaxima in Draufsicht gesehen einen mittleren Abstand voneinander von mindestens 0,1 ym oder 0,4 ym oder 1 ym oder 3 ym auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere
Abstand bei höchstens 100 ym oder 30 ym oder 10 ym. Weist die Halbleiterkontaktschicht Bereiche auf, die eine maximale Dicke über einen größeren Flächenbereich und somit ein flächiges Dickenmaxima aufweisen, so wird als Dickenmaxima vorliegend bevorzugt ein in Draufsicht gesehen in der Mitte dieses Bereichs liegender Punkt betrachtet. Das heißt in diesem Fall, pro inseiförmigem Bereich der
Halbleiterkontaktschicht liegt genau ein in Draufsicht punktförmiges Dickenmaximum vor.
Die Dickenmaxima entsprechen bevorzugt jeweils einer der Kontaktinseln, sodass eine eineindeutige Zuordnung zwischen den Kontaktinseln und den Dickenmaxima bestehen kann und/oder die Kontaktinseln identisch mit den Dickenmaxima sind. Die vorgenannten Werte zu den Dickenmaxima gelten damit in gleicher Weise für die Kontaktinseln. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an einer der Elektrodenschicht zugewandten Seite der
Halbleiterkontaktschicht eine durchgehende Teilschicht. Die Teilschicht ist Bestandteil der Halbleiterkontaktschicht und bevorzugt aus dem gleichen Material gebildet wie die
Dickenmaxima . Bevorzugt steht die Elektrodenschicht
ganzflächig in direktem Kontakt zu dieser Teilschicht. Die Teilschicht kann alle Dickenmaxima miteinander verbinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Teilschicht der Halbleiterkontaktschicht dünn gestaltet. Insbesondere liegt eine Dicke der Teilschicht bei mindestens 2 nm oder 5 nm oder 10 nm und/oder bei höchstens 50 nm oder 30 nm oder 20 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke der
Teilschicht kleiner als eine mittlere Höhe der Dickenmaxima. Insbesondere ist die Teilschicht um mindestens einen Faktor 1,5 oder 3 oder 5 dünner als die Dickenmaxima im Mittel dick sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Dickenmaxima durch mit einem Material der Halbleiterkontaktschicht
aufgefüllte V-Defekte gebildet. Die V-Defekte entstehen durch die gezielte Öffnung von Defekten wie Versetzungen in der
Halbleiterschichtenfolge. Das Öffnen der Defekte, sodass die V-Defekte ausgeprägt entstehen, erfolgt beispielsweise in der p-Schicht, etwa nahe an einer Grenzfläche zur aktiven Zone. Alternativ können die Defekte bereits in der aktiven Zone oder in der n-Schicht zu den V-Defekten geöffnet werden. Die resultierenden V-Defekte werden bevorzugt vollständig von dem Material der Halbleiterkontaktschicht ausgefüllt. Bevorzugt sind die geöffneten V-Defekte auf die p-Schicht begrenzt. Das heißt, die zuvor linearen, schlauchförmig verlaufenden
Defekte wie Versetzungen werden gezielt trichterförmig oder in Form von umgekehrten Pyramiden geöffnet und erweitert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die V-Defekte nach dem Öffnen einen Öffnungswinkel von mindestens 20° oder 30° oder 40° auf. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Öffnungswinkel bei höchstens 110° oder 90° oder 75°.
Insbesondere liegt der Öffnungswinkel bei ungefähr 60°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die p-Schicht, eine Öffnungsschicht. In oder an der Öffnungsschicht werden die bereits zuvor vorhandenen Defekte, insbesondere die
Versetzungen, zu den V-Defekten geöffnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Öffnungsschicht aus AlInGaN oder aus InGaN. Insbesondere enthält die
Öffnungsschicht Indium. Dabei liegt ein Indiumanteil der
Öffnungsschicht bevorzugt bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 %. Eine Dicke der Öffnungsschicht beträgt beispielsweise mindestens 5 nm oder 10 nm oder 15 nm und/oder höchstens 50 nm oder 35 nm oder 20 nm. Ist eine Öffnungsschicht
vorhanden, so sind bevorzugt alle verbleibenden Bereiche der p-Schicht aus AlGaN gewachsen, sodass die Öffnungsschicht der einzige Teilbereich der p-Schicht sein kann, der Indium enthält . Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Öffnungsschicht an einer der aktiven Zone zugewandten Seite der p-Schicht. Dabei kann die Öffnungsschicht eine Grenze zwischen der aktiven Zone und der p-Schicht bilden oder sich innerhalb der p-Schicht befinden. Ein Abstand zwischen der aktiven Zone und der Öffnungsschicht liegt bevorzugt bei höchstens 50 nm oder 30 nm oder 15 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt Cl) zwischen den Schritten C) und D) auf einer der aktiven Zone abgewandten Seite der p-Schicht eine Maskierungsschicht erzeugt. Die Maskierungsschicht befindet sich bevorzugt unmittelbar auf der p-Schicht. Die Maskierungsschicht ist bevorzugt aus einem dielektrischen Material, insbesondere einem Nitrid wie Siliziumnitrid. Eine Dicke der
Maskierungsschicht ist gering, beispielsweise höchstens 3 nm oder 2 nm oder 1 nm. Insbesondere weist die
Maskierungsschicht eine mittlere Dicke von höchstens 1,5 Monolagen oder 1 Monolage auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die fertige Maskierungsschicht die p-Schicht nur zum Teil. Die
Maskierungsschicht weist bevorzugt eine Vielzahl von
Öffnungen auf. Die Öffnungen sind insbesondere statistisch über die p-Schicht hinweg verteilt. Die Maskierungsschicht kann selbstorganisiert entstehen, etwa durch eine Dauer einer Zufuhr von Ausgangsmaterialien für die Maskierungsschicht bestimmt. Das heißt, es ist für die Maskierungsschicht nicht nötig, dass eine Strukturierung etwa über Lithografie oder ein Stempelverfahren durchgeführt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform entsteht die
Halbleiterkontaktschicht in den Öffnungen, ausgehend von der p-Schicht. Das heißt, die Halbleiterkontaktschicht wird von den Öffnungen aus auf der p-Schicht aufgewachsen. Das
Material der Halbleiterkontaktschicht wächst bevorzugt nicht auf der Maskenschicht selbst an.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird pro Öffnung der Maskenschicht genau eine Kontaktinsel der
Halbleiterkontaktschicht erzeugt. Benachbarte Kontaktinseln sind bevorzugt nicht durch ein Material der
Halbleiterkontaktschicht, also insbesondere durch p-dotiertes GaN, miteinander verbunden. Die Maskierungsschicht ist bevorzugt nur zum Teil von dem Material der
Halbleiterkontaktschicht bedeckt. Dabei kann sich das
Material der Halbleiterkontaktschicht, bedingt durch das Wachstum der Kontaktinseln, an einem Rand der Öffnungen in Draufsicht gesehen auf die Maskierungsschicht erstrecken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Dickenmaxima, insbesondere die Kontaktinseln und/oder die ausgefüllten V-Defekte, p-dotiertes GaN auf. Eine
Dotierstoffkonzentration liegt bevorzugt bei mindestens
1019 cm-3 oder 1020 cm-3 und/oder bei höchstens 1023 cm-3 oder 1022 cm-3. Ein Dotierstoff ist bevorzugt Magnesium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die
Kontaktinseln und/oder die V-Defekte in einem Schritt Dl) zwischen den Schritten D) und E) mit einer Zwischenschicht überwachsen. Die Zwischenschicht kann aus einem
Halbleitermaterial wie undotiertem oder dotiertem AlGaN sein. Alternativ ist es möglich, dass die Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem im Vergleich zur
Halbleiterschichtenfolge niedrigen Brechungsindex ist, beispielsweise aus einem Oxid wie Siliziumdioxid oder aus einem Nitrid wie Siliziumnitrid. Auch eine Zwischenschicht, zusammengesetzt aus Teilschichten, etwa aus einem
Halbleitermaterial und aus einem dielektrischen Material, sind möglich. Über eine dielektrische Schicht der
Zwischenschicht, insbesondere direkt an der
Maskierungsschicht und/oder an der p-Schicht, ist eine hohe Reflektivität von ultravioletter Strahlung über Totalreflexion über einen wesentlichen Bereich an Einfallswinkeln erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt mit der
Zwischenschicht eine Planarisierung der Kontaktinseln
und/oder der V-Defekte. Bevorzugt wird durch die
Zwischenschicht zusammen mit den Kontaktinseln und/oder den V-Defekten eine durchgehende, zusammenhängende Schicht gebildet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die
Zwischenschicht nach dem Schritt Dl) die Kontaktinseln vollständig oder teilweise. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt D2) auf, der zwischen den Schritten Dl) und E) durchgeführt wird. In Schritt D2) wird die Zwischenschicht teilweise abgetragen, sodass die Kontaktinseln und/oder die mit dem Material der Halbleiterkontaktschicht ausgefüllten V- Defekte freigelegt werden. Hierdurch ist eine effiziente Kontaktierung der Halbleiterkontaktschicht mit der
Elektrodenschicht möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die n- Schicht, die aktive Zone, die p-Schicht und/oder die
Halbleiterkontaktschicht, mittels metallorganischer
Gasphasenepitaxie, kurz MOVPE, erzeugt. Dabei liegt eine Wachstumstemperatur für die p-Schicht bevorzugt zwischen einschließlich 700 °C und 1100 °C, speziell zwischen
einschließlich 700 °C und 800 °C. Mit anderen Worten kann die p-Schicht bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen gewachsen werden, insbesondere im Fall des Öffnens von V- Defekten .
Alternativ oder zusätzlich ist die Wachstumstemperatur der Halbleiterkontaktschicht vergleichsweise hoch und liegt bei mindestens 900 °C oder 950 °C oder 970 °C und/oder bei höchstens 1150 °C oder 1100 °C oder 1050 °C.
Darüber hinaus wird eine Leuchtdiode angegeben. Die
Leuchtdiode wird bevorzugt mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für die Leuchtdiode offenbart und umgekehrt. In mindestens einer Ausführungsform ist die Leuchtdiode zur Erzeugung von ultravioletter Strahlung eingerichtet und umfasst eine n-leitende n-Schicht, eine p-leitende p-Schicht und eine zwischen diesen liegende aktive Zone zur Erzeugung ultravioletter Strahlung. Eine p-leitende
Halbleiterkontaktschicht weist eine variierende Dicke mit einer Vielzahl von Dickenmaxima mit einer hohen
Flächenkonzentration auf und befindet sich direkt an der p- Schicht. Eine ohmsch-leitende Elektrodenschicht ist direkt auf der Halbleiterkontaktschicht aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterkontaktschicht durch mit hochdotiertem GaN
aufgefüllte V-Defekte gebildet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterkontaktschicht durch Kontaktinseln aus
hochdotiertem GaN gebildet. Dabei gehen die Kontaktinseln von Öffnungen in einer Maskierungsschicht auf der p-Schicht aus und bedecken die Maskierungsschicht teilweise.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und eine hier beschriebene Leuchtdiode unter Bezugnahme auf die
Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine
maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein.
Es zeigen: Figuren 1A und 1B schematische Schnittdarstellungen von
Abwandlungen von hier beschriebenen Leuchtdioden,
Figuren 2A, 3A, 5A, 5B, 6A, 7A und 7C schematische
Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen
Verfahrens ,
Figuren 2B, 3B, 6B und 7B schematische Draufsichten auf
Ausführungsbeispiele von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens, und
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen
Leuchtdiode .
In Figur 1 ist eine Abwandlung einer Leuchtdiode dargestellt. Die Leuchtdiode ist zur Emission von ultravioletter Strahlung R eingerichtet. Auf einem Substrat 51 weist die Leuchtdiode eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf, siehe Figur 1A. Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst eine Pufferschicht 21, eine n-leitende n-Schicht 22, eine aktive Zone 23, eine p- leitende p-Schicht 24 sowie eine durchgehende, flächige p- leitende Halbleiterkontaktschicht 25. An der
Halbleiterkontaktschicht 25 befindet sich eine ohmsch- leitende Elektrodenschicht 3.
In der aktiven Zone 23 erzeugte Strahlung R wird in der Halbleiterschichtenfolge 2 üblicherweise mehrfach
reflektiert, bevor eine Auskopplung der Strahlung R an einer Aufrauung 26 erfolgt, siehe Figur IB. Da die
Halbleiterkontaktschicht 25 absorbierend für die Strahlung R ist, entstehen an der flächigen Halbleiterkontaktschicht 25 vergleichsweise große Absorptionsverluste. Hierdurch ist eine Effizienz herabgesetzt. Eine Wellenlänge der Strahlung R liegt dabei unterhalb von 360 nm, entsprechend der
Absorptionskante von GaN. In den Figuren 2 und 3 sind Verfahrensschritte zur
Herstellung von hier beschriebenen Leuchtdioden 10
illustriert, in den Figurenteilen A als Schnittdarstellung und in den Figurenteilen B als schematische Draufsicht. Gemäß Figur 2A wird ein Aufwachssubstrat 51 verwendet, etwa aus Aluminiumnitrid. Die Pufferschicht 21 ist beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder aus AlGaN und ist optional n- dotiert. Bei der n-Schicht 22 handelt es sich um eine n- dotierte AlGaN-Schicht . Die aktive Zone 23 basiert auf AlGaN und beinhaltet nicht gezeichnete Quantentopfschichten und ebenso wenige gezeichnete Barriereschichten. Der aktiven Zone 23 folgt die p-Schicht 24 ganzflächig nach, die aus p- dotiertem AlGaN ist, wobei ein Aluminiumanteil zum Beispiel zwischen einschließlich 10 % und 90 % liegt.
An einer Grenzregion der p-Schicht 24 hin zur aktiven Zone 23 werden V-Defekte 41 geöffnet. Im Querschnitt gesehen sind die V-Defekte 41 dreieckig, in Draufsicht gesehen sechseckig, siehe Figur 2B. Die V-Defekte 41 weisen insbesondere die Form von umgekehrten, mehrheitlich weitgehend regelmäßigen
Sechseckpyramiden auf. Um ein Öffnen der V-Defekte 41 an bereits zuvor vorhandenen, nicht gezeichneten Versetzungen zu erzielen, wird die p-Schicht 24 besonders bevorzugt bei einer Kombination von vergleichsweise niedrigen Temperaturen, insbesondere T < 1000 °C, vergleichsweise hohem Druck, insbesondere p ^ 200 mbar, vergleichsweise hohem
Wasserstoffanteil in der Gasphase und/oder vergleichsweise schwach mit Magnesium dotiert abgeschieden, zum Beispiel mit einer Dotierstoffkonzentration von < 2 x 1019 cm-3. Ein
Öffnungswinkel der V-Defekte 41 liegt im Querschnitt gesehen bei ungefähr 60°.
In Figur 3 ist illustriert, dass die V-Defekte 41 mit einem Material für die Halbleiterkontaktschicht 25 ausgefüllt werden. Dabei ist die Halbleiterkontaktschicht 25 aus p-GaN mit einer Dotierstoffkonzentration von bevorzugt mindestens 1019 cm-3 bis 1021 cm-3, wobei als Dotierstoff etwa Magnesium verwendet wird. Die Halbleiterkontaktschicht 25 wird
bevorzugt bei einer Kombination von vergleichsweise hohen Temperaturen, insbesondere T > 900 °C, und vergleichsweise hoch mit Magnesium dotiert abgeschieden, zum Beispiel mit einer Dotierstoffkonzentration von > 2*1019 cm-3.
Die Halbleiterkontaktschicht 25 in den V-Defekten 41 reicht beispielsweise zu mindestens 50 % oder 75 % und/oder zu höchstens 90 % oder 95 % durch die p-Schicht 24 hindurch. Abweichend von der Darstellung in den Figuren 2 und 3 können die V-Defekte auch bereits in der n-Schicht 22 oder in der aktiven Zone 23 beginnen. Eine Dicke der p-Schicht 24 ist zum Beispiel, wie bevorzugt auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen, mindestens 50 nm oder 100 nm oder 200 nm und/oder höchstens 500 nm oder 300 nm. In Draufsicht gesehen wird durch die Halbleiterkontaktschicht 25 nur ein kleiner Flächenanteil der p-Schicht 24 bedeckt.
Optional wird auf die ausgefüllten V-Defekte 41 und auf der p-Schicht 24 ganzflächig eine Teilschicht 43 der
Halbleiterkontaktschicht 25 erzeugt. Durch diese Teilschicht 43 wird ein verbesserter Kontakt zur nachfolgend
aufgebrachten Elektrodenschicht 3, etwa aus Aluminium, gebildet. Dabei weist die Teilschicht 43 eine nur geringe Dicke auf, beispielsweise zwischen einschließlich 5 nm und 15 nm, sodass eine Absorption von UV-Strahlung in der
Teilschicht 43 schwach ausgeprägt ist.
Die Verfahrensschritte der Figuren 2 und 3 erfolgen bevorzugt im Waferverbund . Schritte wie ein Aufbringen eines
Trägersubstrats 52, ein Ablösen des Wachstumssubstrats 51 oder ein Vereinzeln zu einzelnen Leuchtdioden sowie das Aufbringen von elektrischen Kontaktstrukturen sind zur
Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Leuchtdiode 10 zu sehen. Zur elektrischen Kontaktierung dient das
Trägersubstrat 52 über die Elektrodenschicht 3. Ein
Stromfluss erfolgt von der Elektrodenschicht 3 dominant in die Halbleiterkontaktschicht 25 und von dieser aus in die p- Schicht 24 und hierüber in die aktive Zone 23. Die n-Seite 22 ist beispielsweise über eine elektrische Kontaktfläche 55, etwa ein Bondpad, elektrisch anschließbar. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist optional das
Wachstumssubstrat 51 entfernt und eine Aufrauung 26 zur
Verbesserung der Lichtauskopplung vorhanden.
Aufgrund der dreieckigen Querschnittsfläche der ausgefüllten V-Defekte 41 wird ein großes Verhältnis von Außenfläche der Halbleiterkontaktschicht 25 zu deren Volumen realisiert.
Dadurch ist einerseits eine effiziente Stromeinprägung in die p-Seite 24 erzielbar, andererseits erfolgt aufgrund des geringen Volumens nur wenig Absorption von UV-Strahlung in der Halbleiterkontaktschicht 25. Durch das Ausnutzen von Defekten wie Versetzungen und dem gezielten Öffnen der V- Defekte sind kleine Strukturen und kleine mittlere Abstände zwischen benachbarten Dickenmaxima 4 erzielbar. Da die V- Defekte 41 vollständig aufgefüllt werden, ist an einer der aktiven Zone 23 abgewandten Seite der p-Schicht 24 sowie der Halbleiterkontaktschicht 25 eine glatte Fläche erzielbar, wodurch eine erhöhte Reflektivität an der Elektrodenschicht 3, die bevorzugt ein Spiegel ist, erzielbar ist.
In Figur 5 weist die Halbleiterschichtenfolge 2 zusätzlich eine Öffnungsschicht 44 auf. Die Öffnungsschicht 44 ist beispielsweise aus AlInGaN gebildet, mit einem
vergleichsweise niedrigen Anteil an Indium. Hierdurch ist das gezielte Öffnen der V-Defekte 41 in oder an der
Öffnungsschicht 44 erzielbar. Gemäß Figur 5A befindet sich die Öffnungsschicht 44 an der Grenze zwischen der aktiven Zone 23 und der p-Schicht 24. Demgegenüber liegt gemäß Figur 5B die Öffnungsschicht 44 innerhalb der p-Schicht 24, beispielsweise mit einem Abstand zur aktiven Zone 23 von ungefähr 10 nm.
In den Figuren 6 und 7 ist ein weiteres Beispiel eines
Herstellungsverfahrens für Ausführungsbeispiele von
Leuchtdioden 10 dargestellt. Abweichend von Figur 2 werden keine V-Defekte in der p-Schicht erzeugt. Das Verhindern der Öffnung von V-Defekten erfolgt insbesondere dadurch, dass die p-Schicht 24 bei vergleichsweise hohen Temperaturen,
insbesondere bei 1200 °C +/- 50 °C, gewachsen wird, im
Unterschied zu Figur 2. Auf die p-Schicht 24 wird lokal eine Maskierungsschicht 45 aufgebracht, beispielsweise aus
Siliziumnitrid und mit einer mittleren Dicke von lediglich weniger als einer Monolage bis zu einigen Monolagen. In der Maskierungsschicht 45 verbleibt eine Vielzahl von Öffnungen, die selbstorganisiert entstehen können und in denen die p- Schicht 24 frei bleibt, siehe Figur 6B .
Gemäß Figur 7A wird ausgehend von den Öffnungen in der
Maskierungsschicht 45 das Material für die
Halbleiterkontaktschicht 25 abgeschieden, sodass Dickenmaxima 4 in Form von einzelnen, nicht zusammenhängenden
Kontaktinseln 42 entstehen, siehe die Draufsicht in Figur 7B. Optional wird vor dem Anbringen der Elektrodenschicht 3, das beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen erfolgt, eine Zwischenschicht 46 erzeugt. Die Zwischenschicht 46 dient zur Planarisierung der Dickenmaxima 4. Beispielsweise ist die Zwischenschicht 46 aus AlGaN, wie auch die p-Schicht 24. In diesem Fall kann die Zwischenschicht 46 dotiert oder auch undotiert sein. Alternativ wird ein dielektrisches Material wie Siliziumdioxid abgeschieden, um eine erhöhte Reflektivität im Zusammenspiel der Elektrodenschicht 3 zu erzielen .
Gemäß Figur 7A wird die Zwischenschicht 46 optional derart abgeschieden, dass die Kontaktinseln 42 zumindest teilweise von dem Material der Zwischenschicht 46 bedeckt werden. In Figur 7C ist illustriert, dass nach dem Erzeugen der
Zwischenschicht 46 diese teilweise wieder abgetragen wird, sodass durch die Zwischenschicht 46 zusammen mit den
Kontaktinseln 42 eine der aktiven Zone 23 abgewandte, glatte Seite gebildet wird, auf der die Elektrodenschicht 3 direkt aufgebracht wird. Damit liegen die Kontaktinseln 42 an der der aktiven Zone 23 abgewandten Seite direkt an der
Elektrodenschicht 3 an.
Die Maskierungsschicht 45 ist vollständig von der
Zwischenschicht 46 zusammen mit den Kontaktinseln 42 bedeckt. Dabei bedecken die Kontaktinseln 42 an einem Rand der
Öffnungen die Maskierungsschicht 45 teilweise.
Das Entfernen der Zwischenschicht 46 kann mechanisch und/oder chemisch erfolgen. Abweichend von der Darstellung in den Figuren 7A und 7C kann die Zwischenschicht 46 auch aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, insbesondere um eine erhöhte Reflektivität an der Zwischenschicht 46 sowie an der Elektrodenschicht 3 zu erzielen.
Durch eine solche Maskierungsschicht 45 ist der Anteil der von den Kontaktinseln 42 unmittelbar bedeckten Fläche der p- Schicht einstellbar, etwa durch die Wachstumszeit der
Maskierungsschicht 45. Anstelle einer selbstorganisiert erzeugten Maskierungsschicht 45 kann alternativ auch eine Strukturierung über ein Stempelverfahren oder über lithografische Verfahren erfolgen.
Alternativ zu einer metallischen, spiegelnden
Elektrodenschicht 3 kann je eine für die erzeugte Strahlung R durchlässige Elektrodenschicht herangezogen werden,
insbesondere aus transparenten leitfähigen Oxiden, kurz TCOs . Beispielsweise können Ga203, ITO oder ein Sr-Cu-Oxid, einzeln oder in Kombination, verwendet werden.
Das Erzeugen der Zwischenschicht 46 ist optional. Wird die Zwischenschicht 46 weggelassen, so wird die Elektrodenschicht 3 direkt auf der Maskierungsschicht 45 sowie den
Kontaktinseln 42 aufgebracht und weist eine vergleichsweise raue, strukturierte, der aktiven Zone 23 zugewandte Seite auf. Dies ist insbesondere möglich, wenn die
Elektrodenschicht 3 aus einem TCO geformt wird.
Hier beschriebene Leuchtdioden 10 werden beispielsweise für Gassensoren verwendet, um bestimmte Gasabsorptionslinien zu detektieren. Eine Wellenlänge maximaler Intensität der erzeugten Strahlung R liegt beispielsweise zwischen
einschließlich 217 nm und 230 nm. Eine emittierte
Strahlungsleistung der Strahlung R beträgt beispielsweise ungefähr 1 mW.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander
beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel
zueinander ausgerichtet. Ebenfalls soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Dickenverhältnisse, Längenverhältnisse und Positionen der gezeichneten
Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben. Die hier beschriebene 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 10 2017 105 397.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
10 Leuchtdiode
2 Halbleiterschichtenfolge
21 Pufferschicht
22 n-leitende n-Schicht
23 aktive Zone
24 p-leitende p-Schicht
25 p-leitende Halbleiterkontaktschicht
26 Aufrauung
3 ohmsch leitende Elektrodenschicht
4 Dickenmaximum der Halbleiterkontaktschicht
41 V-Defekt
42 Kontaktinsel
43 Teilschicht der Halbleiterkontaktschicht
44 Öffnungsschicht
45 Maskierungsschicht
46 Zwischenschicht
49 Versetzung
51 Wachstumssubstrat
52 Trägersubstrat
55 elektrische Kontaktfläche
R Strahlung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden (10) mit den folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge:
A) Wachsen einer n-leitenden n-Schicht (22),
B) Wachsen einer aktiven Zone (23) zur Erzeugung
ultravioletter Strahlung,
C) Wachsen einer p-leitenden p-Schicht (24),
D) Erzeugen einer p-leitenden Halbleiterkontaktschicht (25) mit einer variierenden Dicke und mit einer Vielzahl von
Dickenmaxima (4) direkt an der p-Schicht (24), und
E) Anbringen einer ohmsch-leitenden Elektrodenschicht (3) direkt auf der Halbleiterkontaktschicht (25) ,
wobei
- die n-Schicht (22) und die aktive Zone (23) je auf AlGaN und die p-Schicht (24) auf AlGaN oder InGaN basieren und die Halbleiterkontaktschicht (25) eine GaN-Schicht ist,
- die Dickenmaxima (4) in Draufsicht gesehen eine
Flächenkonzentration von mindestens 104 cm-2 aufweisen, und - die p-Schicht (24) in Draufsicht gesehen nur zum Teil von der Halbleiterkontaktschicht (25) bedeckt wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei eine der Halbleiterkontaktschicht (25) zugewandte Seite der Elektrodenschicht (3) und eine der p-Schicht (24) abgewandte Seite der aktiven Zone (23) eben sind, und
wobei die Halbleiterkontaktschicht (25) durch eine Vielzahl von Kontaktinseln (42) gebildet wird und keine durchgehende Schicht ist.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei ein Bedeckungsgrad der p-Schicht (24) durch die
Halbleiterkontaktschicht (25) zwischen einschließlich 0,5 % und 10 % liegt,
wobei benachbarte Dickenmaxima (4), die gleich den
Kontaktinseln (42) sind, in Draufsicht gesehen einen
mittleren Abstand voneinander zwischen einschließlich 1 ym und 30 ym aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dickenmaxima (4) durch mit Material der
Halbleiterkontaktschicht (25) aufgefüllte V-Defekte (41) gebildet werden,
wobei im Schritt C) beim Wachsen der p-Schicht (24) bereits zuvor vorhandene Defekte gezielt zu den V-Defekten (41) geöffnet werden, und
wobei die V-Defekte (41) nach dem Öffnen einen Öffnungswinkel zwischen einschließlich 30° und 90° aufweisen.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die p-Schicht (24) eine Öffnungsschicht (44) umfasst, in oder an der sich die bereits zuvor vorhandenen Defekte zu den V-Defekten (41) öffnen,
wobei die Öffnungsschicht (44) aus AlInGaN oder InGaN ist und Indium enthält und alle verbleibenden Bereiche der p-Schicht (24) aus AlGaN gewachsen werden.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei sich die Öffnungsschicht (44) an einer der aktiven Zone (23) zugewandten Seite der p-Schicht (24) befindet und ein Abstand zwischen der aktiven Zone (23) und der
Öffnungsschicht (44) höchstens 30 nm beträgt.
7. Verfahren nach zumindest Anspruch 2,
wobei in einem Schritt Cl) zwischen den Schritten C) und D) auf einer der aktiven Zone (23) abgewandten Seite der p- Schicht (24) eine Maskierungsschicht (45) erzeugt wird, wobei die Maskierungsschicht (45) die p-Schicht (23) nur zum Teil bedeckt und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, und wobei die Halbleiterkontaktschicht (25) in den Öffnungen der Maskierungsschicht (45) ausgehend von der p-Schicht (23) gewachsen wird, sodass die Kontaktinseln (42) entstehen.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei pro Öffnung der Maskierungsschicht (45) genau eine Kontaktinsel (42) erzeugt wird und benachbarte Kontaktinseln (42) nicht durch ein Material der Halbleiterkontaktschicht (25) selbst miteinander verbunden sind, sodass die
Maskierungsschicht (45) nur zum Teil von dem Material der Halbleiterkontaktschicht (25) bedeckt wird.
9. Verfahren nach zumindest Anspruch 2,
wobei die Kontaktinseln (42), die aus GaN mit einer Mg- Dotierstoffkonzentration zwischen einschließlich 1019 cm-3 und 1023 cm-3 sind, in einem Schritt Dl) zwischen den Schritten D) und E) mit einer Zwischenschicht (46) aus undotiertem AlGaN überwachsen und planarisiert werden, sodass durch die
Zwischenschicht (46) und die Kontaktinseln (42) eine
durchgehende, zusammenhängende Schicht gebildet wird.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die Zwischenschicht (46) nach dem Schritt Dl) die
Kontaktinseln (42) bedeckt,
wobei dem Schritt Dl) ein Schritt D2) nachfolgt, der dem Schritt E) vorangehet, und im Schritt D2) die Zwischenschicht (46) teilweise abgetragen wird, sodass die Kontaktinseln (42) freigelegt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-Schicht (24) und die Halbleiterkontaktschicht (25) mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie erzeugt werden,
wobei eine Wachstumstemperatur für die p-Schicht (24) zwischen einschließlich 700 °C und 800 °C liegt und die
Halbleiterkontaktschicht (25) bei einer Wachstumstemperatur zwischen einschließlich 950 °C und 1100 °C gewachsen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenschicht (3) direkt an der
Halbleiterkontaktschicht (25) ein transparentes leitfähiges Oxid umfasst oder die Elektrodenschicht (3) aus mindestens einem transparenten leitfähigen Oxid besteht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Zone (24) zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen
einschließlich 205 nm und 260 nm eingerichtet ist.
14. Leuchtdiode (10) zur Erzeugung von ultravioletter
Strahlung mit
- einer n-leitenden n-Schicht (22), einer p-leitenden p- Schicht (24) und einer dazwischenliegenden aktiven Zone (23) zur Erzeugung ultravioletter Strahlung,
- einer p-leitenden Halbleiterkontaktschicht (25) mit einer variierenden Dicke und mit einer Vielzahl von Dickenmaxima (4) direkt an der p-Schicht (23), und
- einer ohmsch-leitenden Elektrodenschicht (3) direkt auf der Halbleiterkontaktschicht (25) ,
wobei
- die n-Schicht (22) und die aktive Zone (23) je aus AlGaN und die p-Schicht (24) aus AlGaN oder InGaN sind und die Halbleiterkontaktschicht (25) eine hochdotierte GaN-Schicht ist, und
- die Dickenmaxima (4) eine Flächenkonzentration von
mindestens 104 cm-2 aufweisen.
15. Leuchtdiode (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Halbleiterkontaktschicht (25) durch mit
hochdotiertem GaN aufgefüllte V-Defekte (41) gebildet ist.
16. Leuchtdiode (10) nach Anspruch 14,
bei der die Halbleiterkontaktschicht (25) durch Kontaktinseln (42) aus hochdotiertem GaN gebildet ist,
wobei die Kontaktinseln (42) von Öffnungen in einer
Maskierungsschicht (45) auf der p-Schicht (24) ausgehen und die Maskierungsschicht (45) teilweise bedecken.
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