DE102019106521A1

DE102019106521A1 - Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement und Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102019106521A1
Application number: DE102019106521.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koller; Bernd Mayer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Also published as: DE112020001226A5; US20220131033A1; CN113490996B; CN113490996A; WO2020182444A1

Abstract

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

Description

Es wird eine Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben, die insbesondere ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält.
Es sind Aufwachssubstrate aus GaAs bekannt, die mit dem Problem einer vergleichsweise hohen Versetzungsdichte behaftet sind. Während Siliziumwafer für gewöhnlich eine sehr geringe Versetzungsdichte von weniger als 100 cm^-2 aufweisen, liegt die Versetzungsdichte bei GaAs-Wafern hingegen bei 10⁵ cm^-2. Dabei können Versetzungen, die im GaAs-Substrat auftreten, in darüberliegende Schichten einer aufgewachsenen Halbleiterstruktur weitermigrieren. Bei einem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement mit einer derartigen Halbleiterstruktur beziehungsweise Lumineszenzdiodenstruktur kann es infolgedessen im Betrieb zu spontanen Ausfällen und einer verstärkten Alterung kommen. Die bislang verwendeten Pufferschichten oder ELOG („Epitaxial Lateral Overgrowth“) - Maskierungsschichten können dieses Problem nicht oder nur mit erheblichem Aufwand verhindern.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, eine Aufwachsstruktur beziehungsweise ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement mit verbesserter Kristallqualität bei annehmbarem Herstellungsaufwand anzugeben. Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Aufwachsstruktur beziehungsweise ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Gegenstandsansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Aufwachsstruktur beziehungsweise des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird eine Aufwachsstruktur für ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben. Insbesondere eignet sich die Aufwachsstruktur für eine Laserdiode. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Aufwachsstruktur ein Halbleitersubstrat, das ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält. Weiterhin weist die Aufwachsstruktur eine Pufferstruktur auf, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist und ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält.
„Auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine derart bezeichnete Struktur oder ein Teil dieser Struktur vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird für die Aufwachsstruktur ein Halbleitersubstrat verwendet, das aus GaAs besteht. Auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Halbleitersubstrate beziehungsweise Aufwachsstrukturen eignen sich besonders zur Herstellung von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen, die auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern basieren.
Die Pufferstruktur umfasst eine Pufferschicht, die zumindest eine n-dotierte Schicht aufweist, die Sauerstoff enthält. Die zumindest eine n-dotierte Schicht ist also sauerstoffhaltig. Dabei kann der Sauerstoff - zum Beispiel wie ein Dotierstoff - in eine Kristallstruktur der n-dotierten Schicht eingebaut sein. Mit Vorteil trägt der Sauerstoff in der n-dotierten Schicht zur Kompensation der Versetzungsdichte des Halbleitersubstrats bei.
Vorzugsweise sind die Pufferschicht beziehungsweise die Pufferstruktur insgesamt n-dotiert, was im Betrieb des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements die elektrische Leitfähigkeit der Pufferschicht beziehungsweise Pufferstruktur gewährleistet. Insbesondere sind mehrere in der Pufferstruktur enthaltene Schichten mit dem gleichen Dotierstoff n-dotiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Pufferstruktur beziehungsweise sind in der Pufferstruktur enthaltene Schichten auf dem Halbleitersubstrat aufgewachsen. Dies kann durch epitaktische Abscheidung, beispielsweise mittels MOCVD („Metal-Organic Chemical Vapour Deposition“), MBE („Molecular Beam Epitaxy“) oder LPE („Liquid Phase Epitaxy“), erfolgen. Im Vergleich zu der Herstellung einer Aufwachsstruktur, bei der auf dem Halbleitersubstrat eine ELOG-Maskierungsschicht erzeugt wird, entfällt hierbei die aufwändige Strukturierung der Maskierungsschicht.
Unter der oben erwähnten Versetzungsdichte versteht man die Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumeneinheit in einem kristallinen Festkörper. Bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen erstrecken sich die Versetzungslinien von dem Aufwachssubstrat bis in die Lumineszenzdiodenstruktur und führen dort zu Störstellen. Dieses Problem wird vorliegend insbesondere mittels der Pufferschicht gelöst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat Versetzungslinien auf, die sich in die Pufferstruktur fortsetzen und mittels der Pufferschicht abgeknickt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere der in der Pufferschicht verwendete Sauerstoff ein Abknicken der Versetzungslinien des Halbleitersubstrats bewirkt, so dass diese größtenteils nicht in die Lumineszenzdiodenstruktur vordringen können, und die Lumineszenzdiodenstruktur daher weitgehend versetzungsfrei ist oder die Versetzungsdichte eine unwesentliche Größenordnung erlangt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht AlGaAsO. Da AlGaAs beziehungsweise AlGaAsO nahezu die gleiche Gitterkonstante aufweist wie GaAs, kann das seltener vorkommende Gallium mit Vorteil zumindest teilweise durch das häufiger vorkommende Aluminium ersetzt werden. Dabei beträgt ein Stoffmengenanteil von Aluminium vorzugsweise zwischen einschließlich 1 % und 100%, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 % und einschließlich 60 %. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel. Beispielsweise wird der Sauerstoff mit einer komplexen Aluminiumverbindung in ein GaAs- Material eingebracht, wobei AlGaAsO ausgebildet wird. Insbesondere besteht die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht aus AlGaAsO.
Weiterhin ist die zumindest eine n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht vorzugsweise frei von Indium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten sauerstoffhaltigen Schicht größer als 10¹⁵ cm^-3 und beträgt höchstens 10¹⁹ cm^-3. Besonders bevorzugt liegt der Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten sauerstoffhaltigen Schicht zwischen 10¹⁷ cm^-3 und 10¹⁸ cm^-3. Anders ausgedrückt kann der Stoffmengenanteil mindestens 100 ppm und höchstens 20000 ppm betragen. Auch hier sind Abweichungen von bis zu 10 % durchaus tolerabel. Mit einem Stoffmengenanteil in den angegebenen Bereichen ist es möglich, dass ein Großteil der Versetzungslinien abgeknickt wird, so dass sie nicht bis an eine Oberfläche des Aufwachssubstrats heranreichen, die zum Aufwachsen der Lumineszenzdiodenstruktur vorgesehen ist.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel besteht die Pufferschicht aus einer n-dotierten, sauerstoffhaltigen Schicht. In diesem Fall handelt es sich bei der Pufferschicht um einen sogenannten „bulk layer“. In anderen Worten ist die Pufferschicht größtenteils homogen, das heißt nur aus einem einzigen Material, und vergleichsweise dick beziehungsweise stabil ausgebildet. Beispielsweise kann die n-dotierte, sauerstoffhaltige Schicht beziehungsweise Pufferschicht eine Dicke zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 800 nm aufweisen. Als Material für die n-dotierte sauerstoffhaltige Schicht beziehungsweise Pufferschicht kommt vorzugsweise AlGaAsO, also mit Sauerstoff versetztes AlGaAs in Frage. Weiterhin kann die n-dotierte Schicht mit Dotierstoffen wie Te und/oder Si n-dotiert sein. Darüber hinaus ist die Pufferschicht insbesondere weitgehend unterbrechungsfrei ausgebildet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Pufferschicht mindestens eine n-dotierte, sauerstofffreie Schicht, das heißt eine Schicht ohne Sauerstoff, und mindestens eine n-dotierte, sauerstoffhaltige Schicht aufweisen, die aufeinander angeordnet sind. Insbesondere weist die Pufferschicht mehrere jeweils n-dotierte, sauerstofffreie und mehrere jeweils n-dotierte sauerstoffhaltige Schichten auf, die abwechselnd angeordnet sind. Dabei kann die mindestens eine sauerstoffhaltige Schicht aus AlGaAsO gebildet sein. Für die mindestens eine sauerstofffreie Schicht kommt vorzugsweise GaAs in Betracht. Besonders bevorzugt besteht die Pufferschicht aus einem Übergitter, das heißt aus einer Abfolge von dünnen Schichten, die sich periodisch wiederholen. Beispielsweise kann das Übergitter 5 bis 20 Wiederholungen aufweisen. Dabei kann die mindestens eine sauerstofffreie Schicht dicker ausgebildet sein als die mindestens eine sauerstoffhaltige Schicht. Die mindestens eine sauerstofffreie Schicht ist vorzugsweise mit einer Dicke zwischen einschließlich 0,5 nm, was einer Monolage entspricht, vorzugsweise 2 nm, und einschließlich 10 nm ausgebildet. Weiterhin kann die Dicke der mindestens einen sauerstoffhaltigen Schicht zwischen 0,5 nm, vorzugsweise 1 nm, und 5 nm betragen. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff für die mindestens eine sauerstofffreie Schicht Tellur, Silizium oder Schwefel verwendet werden. Sowohl in den sauerstoffhaltigen als auch in den sauerstofffreien Schichten kann jeweils derselbe n-Dotierstoff zur Dotierung dieser Schichten Verwendung finden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht die Pufferstruktur aus der Pufferschicht, das heißt die Pufferstruktur weist außer der Pufferschicht keine weiteren Schichten auf.
Alternativ kann die Pufferstruktur zumindest eine weitere Pufferschicht aufweisen. Die weitere Pufferschicht ist beispielsweise auf einer dem Halbleitersubstrat zugewandten Seite der oben beschriebenen ersten Pufferschicht angeordnet. Die weitere, zweite Pufferschicht kann GaAs enthalten und n-dotiert sein. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff Tellur, Silizium oder Schwefel für die weitere Pufferschicht verwendet werden. Insbesondere ist die zweite Pufferschicht frei von Sauerstoff. Weist die Pufferstruktur eine weitere Pufferschicht auf, so kann die erste Pufferschicht dünner ausgebildet sein. In diesem Fall kann bereits eine Dicke von etwa 10 nm ausreichend sein.
Zusätzlich oder alternativ kann die Pufferstruktur auf einer dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite der ersten Pufferschicht eine weitere Pufferschicht aufweisen. Auch diese Pufferschicht kann GaAs enthalten und mit einem n-Dotierstoff wie etwa Tellur, Silizium oder Schwefel dotiert und dabei frei von Sauerstoff sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Pufferstruktur eine erste Pufferschicht, die aus einem Übergitter mit den oben genannten Eigenschaften besteht, sowie eine zweite und/oder dritte Pufferschicht, die (jeweils) als „bulk layer“ mit den oben genannten Eigenschaften ausgebildet sind.
Mittels der weiteren Pufferschicht(en) kann die Kristallqualität der Aufwachsstruktur weiter verbessert werden. Außerdem kann dadurch die Gitterkonstante der Aufwachsstruktur an die Gitterkonstante des Halbleitersubstrats weiter angenähert werden.
Ferner ist es denkbar, dass die Pufferstruktur eine erste Pufferschicht umfasst, die als „bulk layer“ mit den oben genannten Eigenschaften ausgebildet ist, und darüber hinaus eine zweite und/oder dritte Pufferschicht aufweist, die (jeweils) aus einem Übergitter mit den oben genannten Eigenschaften bestehen.
Beispielsweise kann die zumindest eine weitere Pufferschicht bei einer Ablösung des Halbleitersubstrats beziehungsweise der Aufwachsstruktur von der Lumineszenzdiodenstruktur als Ätzstoppschicht dienen.
Es wird ein Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement angegeben, das eine wie oben beschriebene Aufwachsstruktur aufweist. Insbesondere umfasst also die Aufwachsstruktur ein Halbleitersubstrat, das ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält. Darüber hinaus umfasst die Aufwachsstruktur eine Pufferstruktur, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, die ein auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierendes Material enthält und die eine Pufferschicht mit zumindest einer n-dotierten Schicht aufweist, die Sauerstoff enthält.
Weiterhin weist das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement eine auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern basierende Lumineszenzdiodenstruktur auf, die einen ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordneten aktiven Bereich zur Strahlungserzeugung aufweist, wobei die Lumineszenzdiodenstruktur auf die Aufwachsstruktur aufgewachsen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen n-leitenden Bereich und bei dem zweiten Bereich um einen p-leitenden Bereich. Besonders bevorzugt ist der erste Bereich auf einer der Aufwachsstruktur zugewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet, während sich der zweite Bereich auf einer der Aufwachsstruktur abgewandten Seite des aktiven Bereichs befindet.
„Auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine derart bezeichnete Struktur oder ein Teil dieser Struktur vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs oder Al_nGa_mIn_1-n-mP umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Beispielsweise kann die Lumineszenzdiodenstruktur mittels MOCVD („Metal-Organic Chemical Vapour Deposition“), MBE („Molecular Beam Epitaxy“) oder LPE („Liquid Phase Epitaxy“) epitaktisch auf die Aufwachsstruktur aufgewachsen sein.
Die auf Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitern basierende Lumineszenzdiodenstruktur beziehungsweise deren aktiver Bereich ist zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge im roten (InxGayAl1-x-yP) bis infraroten (InxGayAl1-x-yAs) Spektralbereich besonders geeignet. Insbesondere sendet das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement im Betrieb Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 750 nm und 1200 nm aus.
Der aktive Bereich der Lumineszenzdiodenstruktur weist vorzugsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur (SQW) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) zur Strahlungserzeugung auf. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (confinements) eine Quantisierung mehrerer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der n-leitende Bereich, der aktive Bereich und der p-leitende Bereich können jeweils eine oder mehrere Schichten aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement um eine Laserdiode, also um einen kohärenten Emitter. Insbesondere handelt es sich bei der Laserdiode um eine Hochleistungslaserdiode, die eine Strahlungsleistung von einschließlich 20 W bis einschließlich 300 W bei einem Strom zwischen 20 A und 300 A erbringt. Um eine derartige Strahlungsleistung zu erreichen, kann die Lumineszenzdiodenstruktur des Halbleiterbauelements als Laserbarren ausgebildet sein und mehrere nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche aufweisen, die elektrisch parallel betrieben werden. Das Halbleiterbauelement weist insbesondere mindestens zehn nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement ein Kantenemitter. Dies bedeutet, dass die von dem aktiven Bereich erzeugte Strahlung an zumindest einer Seitenfläche des Halbleiterbauelements austritt. Die Seitenflächen begrenzen das Halbleiterbauelement in lateralen Richtungen, das heißt in Richtungen, die quer, insbesondere senkrecht, zu einer Aufwachsrichtung der Lumineszenzdiodenstruktur verlaufen. Die Aufwachsrichtung gibt die Richtung an, in welcher die Schichten der Lumineszenzdiodenstruktur nacheinander auf die Aufwachsstruktur aufgebracht werden.
Alternativ kann es sich bei dem Strahlung emittierenden Bauelement um einen Oberflächenemitter handeln. Hierbei tritt die in dem aktiven Bereich erzeugte Strahlung an einer Hauptfläche des Halbleiterbauelements aus. Durch die Hauptfläche wird das Halbleiterbauelement auf einer der Aufwachsstruktur abgewandten Seite der Lumineszenzdiodenstruktur nach außen begrenzt. Zwar ist die Strahlungsleistung, die mit einem Oberflächenemitter erzielt werden kann, in der Regel geringer als bei einem Kantenemitter. Jedoch weisen Oberflächenemitter häufig eine bessere Strahlqualität auf.
Insgesamt entscheidet also die Verwendung des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements darüber, ob es als Kantenemitter oder als Oberflächenemitter ausgebildet wird. Während Kantenemitter beispielsweise als Pumplaser Anwendung finden, werden Oberflächenemitter zum Beispiel als optische Sender für Glasfaser-Datenübertragung und weiterhin für Laserdrucker benutzt.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Aufwachsstruktur sowie des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements ergeben sich aus den nachfolgenden Erläuterungen in Verbindung mit den 1 bis 4.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer TEM-Aufnahme einer herkömmlichen, auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierenden Halbleiterstruktur (Quelle: Dissertation „Metallorganische Gasphasen-Epitaxie von Gruppe III-Nitrid-basierten LED Strukturen auf Silizium“, Seite 136, Bild 5.36, 07.07.1982, Sebastian Drechsel),
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem Vergleichsbeispiel,
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 ein schematische Querschnittsdarstellung eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 4 sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt eine herkömmliche, auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierende Halbleiterstruktur 15.
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial umfasst.
Die Halbleiterstruktur 15 weist eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge 17 auf. Die Aufwachsstruktur 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2 und eine ELOG („Epitaxial Lateral Overgrowth“) -Maskierungsschicht 16, die auf dem Halbleitersubstrat 2 aufgebracht ist. Die ELOG-Maskierungsschicht 16 ist zur Reduzierung der Versetzungsdichte in der Halbleiterstruktur 15 vorgesehen. Die Maskierungsschicht 16 ist aus SiN gebildet, während das Halbleitsubstrat 2 aus Saphir besteht.
Die ELOG-Maskierungsschicht 16 weist eine Vielzahl von Aussparungen (nicht gekennzeichnet) auf, durch die hindurch die Halbleiterschichtenfolge 17 durch epitaktisches Wachstum auf dem Halbleitersubstrat 2 ausgebildet ist. Da sich hierbei Versetzungen nur durch die Aussparungen hindurch ausbreiten können, weist die Aufwachsstruktur 1 auf einer der Halbleiterschichtenfolge 17 zugewandten Seite im Vergleich zum Halbleitersubstrat 2 eine reduzierte Versetzungsdichte auf.
Wie aus 1 hervorgeht, treten dennoch Durchbrüche 18 von Störstellen auf. Außerdem ist die Herstellung der Aussparungen in der ELOG-Maskierungsschicht 16 etwa durch fotolithografische Strukturierung vergleichsweise aufwändig.
2 zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements 10. Das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 umfasst eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete Lumineszenzdiodenstruktur 11, die zur Erzeugung von Strahlung, vorzugsweise im infraroten Bereich, vorgesehen ist.
Die Aufwachsstruktur 1 weist ein Halbleitersubstrat 2 aus GaAs mit einer vergleichsweise hohen Versetzungsdichte auf. Zur Reduzierung der Versetzungsdichte enthält die Aufwachsstruktur 1 eine Pufferschicht 4, die auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet und auf welcher die Lumineszenzdiodenstruktur 11 aufgewachsen ist.
Bei der Pufferschicht 4 handelt es sich um eine n-dotierte Schicht aus GaAs, die frei von Sauerstoff ist. Beispielsweise wird als n- Dotierstoff hierbei Tellur verwendet.
Auf der Aufwachsstruktur 1 ist die Lumineszenzdiodenstruktur 11 abgeschieden. Die Lumineszenzdiodenstruktur 11 enthält auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien. Angrenzend an die Aufwachsstruktur 1 weist die Lumineszenzdiodenstruktur 11 einen ersten, n-leitenden Bereich 12 auf, dem in einer Aufwachsrichtung A ein aktiver Bereich 13 zur Strahlungserzeugung nachgeordnet ist. Auf den aktiven Bereich 13 folgt in der Aufwachsrichtung A ein zweiter, p-leitender Bereich 14.
Die in der Aufwachsstruktur 1 enthaltene Pufferschicht 4 kann zwar größtenteils ohne Versetzungen ausgebildet werden. Allerdings kann die Pufferschicht 4 nicht in ausreichendem Maße verhindern, dass während des Aufwachsens der Lumineszenzdiodenstruktur 11 oder später im Betrieb des Bauelementes eine Migration der Versetzungslinien 7 von dem Halbleitersubstrat 2 in die Lumineszenzdiodenstruktur 11 stattfindet. Wie aus 2 hervorgeht, erstrecken sich die Versetzungslinien 7 von dem Halbleitersubstrat 2 durch den ersten Bereich 12 und den aktiven Bereich 13 hindurch bis in den zweiten Bereich 14 und mindern dadurch die Kristallqualität des Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements 10.
Insgesamt kann also weder durch die in Verbindung mit 1 beschriebene Maskierungsschicht 16 noch durch die in Verbindung mit 2 beschriebene Pufferschicht 4 eine Kristallqualität ausreichender Güte bei annehmbarem Herstellungsaufwand erzielt werden.
Anders verhält es sich bei den nachfolgend in Verbindung mit den 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Das in 3 dargestellte Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 weist eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete Lumineszenzdiodenstruktur 11 zur Strahlungserzeugung auf.
Bei der Aufwachsstruktur 1 handelt es sich um eine zusammengesetzte Komponente, die ein Halbleitersubstrat 2 und eine auf dem Halbleitersubstrat 2 angeordnete Pufferstruktur 3 aufweist. Das Halbleitersubstrat 2 bildet insbesondere ein Aufwachssubstrat, das sowohl zum Aufwachsen der Pufferstruktur 3 als auch zum Aufwachsen der Lumineszenzdiodenstruktur 11 geeignet ist. Ferner bildet das Halbleitersubstrat 2 mit Vorteil einen selbsttragenden stabilen Grundkörper und kann im fertigen Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 10 als Trägerkörper dienen. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 2 entfernt oder zumindest gedünnt werden und beispielsweise durch einen anderen Träger ersetzt werden.
Sowohl das Halbleitersubstrat 2 als auch die Pufferstruktur 3 sind aus Materialien gebildet, die auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basieren. Vorzugsweise besteht das Halbleitersubstrat 2 aus GaAs.
Auch die Lumineszenzdiodenstruktur 11 kann auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien enthalten. Alternativ kann die Lumineszenzdiodenstruktur 11 Materialen enthalten, die auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basieren.
Geeignete Methoden zur Herstellung der Puffer- und Lumineszenzdiodenstruktur 3, 11 sind beispielsweise MOCVD („Metal-Organic Chemical Vapour Deposition“), MBE („Molecular Beam Epitaxy“) oder LPE („Liquid Phase Epitaxy“).
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Pufferstruktur 3 aus einer Pufferschicht 4, die ein Übergitter aufweist. Dabei umfasst die Pufferschicht 4 mehrere n-dotierte, sauerstofffreie Schichten 6 und mehrere n-dotierte, sauerstoffhaltige Schichten 5, die in abwechselnder Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Als Materialsystem kommt für die sauerstoffhaltigen Schichten 5 insbesondere AlGaAsO in Frage. Dabei beträgt ein Stoffmengenanteil von Aluminium vorzugsweise zwischen einschließlich 1 % und 100%, insbesondere zwischen einschließlich 1 % und einschließlich 60 %. Vorzugsweise ist der Stoffmengenanteil von Sauerstoff größer als 10¹⁵ cm^-3 und beträgt höchstens 10¹⁹ cm^-3. Besonders bevorzugt liegt der Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der n-dotierten Schicht zwischen 10¹⁷ cm^-3 und 10¹⁸ cm^-3. Anders ausgedrückt kann der Stoffmengenanteil mindestens 100 ppm und höchstens 20000 ppm betragen. Für die sauerstofffreien Schichten 6 ist GaAs besonders geeignet. Abweichungen von bis zu 10 % sind bei den angegebenen Stoffmengenanteilen durchaus tolerabel. Sowohl in den sauerstoffhaltigen als auch in den sauerstofffreien Schichten 6, 5 kann jeweils derselbe n-Dotierstoff zur Dotierung dieser Schichten Verwendung finden.
Die sauerstofffreien Schichten 6 sind vorzugsweise mit einer Dicke D1 zwischen einschließlich 0,5 nm, vorzugsweise 2 nm, und einschließlich 10 nm ausgebildet. Weiterhin beträgt die Dicke D2 der sauerstoffhaltigen Schichten 5 insbesondere zwischen 0,5 nm, vorzugsweise 1 nm, und 5 nm. Abweichungen von bis zu 10 % sind dabei durchaus tolerabel.
Die Lumineszenzdiodenstruktur 11 weist einen ersten Bereich 12 eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Bereich 14 eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen zwischen dem ersten und zweiten Bereich 14 angeordneten aktiven Bereich 13 zur Strahlungserzeugung auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bereich 12 um einen n-leitenden Bereich und bei dem zweiten Bereich um einen p-leitenden Bereich 14. Weiterhin ist der erste Bereich 12 auf einer der Aufwachsstruktur 1 zugewandten Seite des aktiven Bereichs 13 angeordnet, während sich der zweite Bereich 14 auf einer der Aufwachsstruktur 1 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 13 befindet.
Wie aus 3 ersichtlich ist, gehen von dem Halbleitersubstrat 2 Versetzungslinien 7 aus, die bis in die Pufferstruktur 3 beziehungsweise Pufferschicht 4 reichen. Mittels der Pufferstruktur 3 beziehungsweise Pufferschicht 4 werden die Versetzungslinien 7 größtenteils abgeknickt, so dass sie nicht bis in die Lumineszenzdiodenstruktur 11 weitermigrieren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere der verwendete Sauerstoff in den n-dotierten Schichten 5 ein Abknicken der Versetzungslinien bewirkt, so dass diese größtenteils nicht in die Lumineszenzdiodenstruktur 11 vordringen können.
Dieser Effekt kann auch bei einer Pufferstruktur 3 erzielt werden, die nicht wie im dargestellten Ausführungsbeispiel aus nur einer Pufferschicht 4 besteht, sondern zumindest eine weitere Pufferschicht (nicht dargestellt) aufweist. Eine weitere Pufferschicht kann auf einer dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten Seite der Pufferschicht 4 oder auf einer dem Halbleitersubstrat 2 abgewandten Seite der Pufferschicht 4 angeordnet sein. Es können auch zwei weitere Pufferschichten vorgesehen sein, zwischen denen dann die Pufferschicht 4 angeordnet ist. Die zumindest eine weitere Pufferschicht kann GaAs enthalten, frei von Sauerstoff und darüber hinaus n-dotiert sein. Zum Beispiel kann als n-Dotierstoff Tellur verwendet werden. Ferner ist es denkbar, dass die zumindest eine weitere Pufferschicht als „bulk layer“ mit den nachfolgend in Verbindung mit 4 beschriebenen Eigenschaften ausgebildet sind.
Das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 ist als Laserdiode ausgebildet, die insbesondere Strahlung im infraroten Bereich mit einer Wellenlänge zwischen 750 nm und 1200 nm emittiert. Ferner handelt es sich bei dem dargestellten Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 10 um einen Kantenemitter, der die von dem aktiven Bereich 13 erzeugte Strahlung an einer parallel zur Bildebene angeordneten Seitenfläche des Halbleiterbauelements 10 emittiert. Die Seitenflächen 10A sowie die parallel zur Bildebene angeordneten (nicht dargestellten) Seitenflächen begrenzen das Halbleiterbauelement 10 in lateralen Richtungen, das heißt in Richtungen, die quer, insbesondere senkrecht, zu einer Aufwachsrichtung A der Lumineszenzdiodenstruktur verlaufen. Die Aufwachsrichtung A gibt die Richtung an, in welcher die Bereiche 12, 13, 14 der Lumineszenzdiodenstruktur 11 nacheinander auf die Aufwachsstruktur 1 aufgebracht sind.
Insbesondere handelt es sich bei dem Strahlung emittierenden Bauelement 10 um eine Hochleistungslaserdiode, die eine Strahlungsleistung von einschließlich 20 W bis einschließlich 300 W bei einem Strom zwischen 20 A und 300 A erbringt. Um eine derartige Strahlungsleistung zu erreichen, kann die Lumineszenzdiodenstruktur 11 des Halbleiterbauelements 10 als Laserbarren ausgebildet sein und dabei mehrere nebeneinanderliegende streifenförmige Bereiche umfassen, die jeweils eine wie in 3 dargestellte Struktur aufweisen.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements 10 weist einen ähnlichen Aufbau wie das in 3 dargestellte Halbleiterbauelement 10 auf. Insofern wird auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen. Unterschiede bestehen bei der Pufferstruktur 3, auf die nachfolgend näher eingegangen wird.
Das Strahlung emittierende Halbleiterbauelement 10 umfasst eine Aufwachsstruktur 1 und eine darauf angeordnete Lumineszenzdiodenstruktur 11 zur Strahlungserzeugung. Beide Strukturen 1, 11 können auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien enthalten. Alternativ kann die Lumineszenzdiodenstruktur 11 aus Materialien gebildet sein, die auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basieren.
Die Aufwachstruktur 1 umfasst ein Halbleitersubstrat 2, vorzugsweise ein GaAs-Substrat, und eine Pufferstruktur 3, die insbesondere auf dem Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen ist.
Die Pufferstruktur 3 weist eine erste Pufferschicht 4 auf, die aus einer n-dotierten, sauerstoffhaltigen Schicht 5 besteht. Die Pufferschicht 4 weist als Materialsystem AlGaAs auf, das mit Sauerstoff versetzt ist. Die Pufferschicht 4 ist also aus AlGaAsO gebildet. Bei der Pufferschicht 4 handelt es sich um einen sogenannten „bulk layer“. In anderen Worten ist die Pufferschicht 4 größtenteils homogen, das heißt nur aus einem einzigen Materialsystem, und vergleichsweise dick beziehungsweise stabil ausgebildet.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Pufferstruktur 3 zwei weitere Pufferschichten 8, 9 auf, zwischen denen die erste Pufferschicht 4 angeordnet ist. In diesem Fall kann die erste Pufferschicht 4 vergleichsweise dünn mit einer Dicke D von etwa 10 nm ausgebildet werden.
Die zweite und dritte Pufferschicht 8, 9 können jeweils GaAs enthalten und n-dotiert sein, wobei als n-Dotierstoff zum Beispiel Tellur verwendet wird. Insbesondere sind die Pufferschichten 8, 9 frei von Sauerstoff. Alternativ können die zweite und dritte Pufferschicht 8, 9 jeweils aus einem Übergitter, wie in Verbindung mit der in 3 dargestellten Pufferschicht 4 beschrieben, bestehen.
Ferner ist es denkbar, dass die Pufferstruktur 3 nur eine weitere Pufferschicht aufweist, die auf einer dem Halbleitersubstrat 2 zugewandten oder abgewandten Seite der ersten Pufferschicht 4 angeordnet ist.
Auch ist es möglich, dass die Pufferstruktur 3 nur aus der Pufferschicht 4 besteht. In diesem Fall ist die Pufferschicht 4 vergleichsweise dick mit einer bevorzugten Dicke D zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 150 nm ausgebildet, wobei Abweichungen bis zu 10 % tolerabel sind.
Bei dem Strahlung emittierenden Bauelement 10 handelt es sich vorzugsweise um eine kantenemittierende Laserdiode mit den bereits in Verbindung mit 3 beschriebenen Eigenschaften. Es kann sich jedoch bei dem Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement 10 auch um eine oberflächenemittierende Laserdiode handeln, bei dem die Strahlung an einer Hauptfläche 10B des Halbleiterbauelements 10 ausgekoppelt wird.
Insgesamt kann mittels der vorliegend beschriebenen Pufferstrukturen 3 die Kristallqualität der Lumineszenzdiodenstrukturen 11 verbessert werden, so dass bei den Halbleiterbauelementen 10 weniger Ausfälle auftreten und die Betriebsdauer verlängert werden kann.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Aufwachsstruktur
2: Halbleitersubstrat
3: Pufferstruktur
4: Pufferschicht
5: sauerstoffhaltige Schicht
6: sauerstofffreie Schicht
7: Versetzungslinie
8, 9: weitere Pufferschicht
10: Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement
10A: Seitenfläche
10B: Hauptfläche
11: Lumineszenzdiodenstruktur
12: erster Bereich
13: aktiver Bereich
14: zweiter Bereich
15: Halbleiterstruktur
16: Maskierungsschicht
17: Halbleiterschichtenfolge
18: Durchbruch
A: Aufwachsrichtung
D, D1, D2: Dicke

Claims

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