DE10244447B4

DE10244447B4 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE10244447B4
Application number: DE2002144447
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Brüderl; Alfred Lell; Dominik Dr. Eisert; Hans-Jürgen Dr. Lugauer; Johannes Dr. Baur; Uwe Dr. Strauss; Stephan Dr. Kaiser
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: DE10244447A1

Abstract

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung, mit
einem Substrat (10);
einer ersten Reflektorschicht (12) auf dem Substrat (10);
einer Halbleiterschichtfolge (12) auf Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter-Material auf der ersten Reflektorschicht, wobei die Halbleiterschichtfolge eine strahlungserzeugende aktive Schicht (20), eine untere Mantelschicht (16) in Kontakt mit der ersten Reflektorschicht und eine obere Mantelschicht (18) enthält; und
einer zweiten Reflektorschicht (30) auf der oberen Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge, die zusammen mit der ersten Reflektorschicht einen vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge angeordneten Resonator bildet, dessen Achse die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt,
wobei die zweite Reflektorschicht (30) für einen Teil der von der aktiven Schicht (20) erzeugten Strahlung durchlässig ist und die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung über die zweite Reflektorschicht aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Reflektorschicht (30) aus einem zweiten Metall mit guten optisch reflektierenden Eigenschaften bezüglich eines Spektralbereichs einer von der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung, insbesondere eine resonante Leuchtdiode (RCLED = Resonant Cavity Light Emitting Diode), nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.
Unter die Gruppe von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen auf Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial fallen vorliegend insbesondere solche Halbleiterbauelemente, bei denen eine epitaktisch hergestellte Halbleiterschicht, die in der Regel eine Halbleiterschichtfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial-System In_xAl_yGal_1–x–yN mit 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist.
Ein derartiges Halbleiterbauelement weist im allgemeinen eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschichtfolge, die eine Strahlung erzeugende aktive Schicht enthält, eine zwischen dem Substrat und der Halbleiterschichtfolge angeordnete erste Reflektorschicht und eine auf der dem Substrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtfolge angeordnete zweite Reflektorschicht auf, wobei die beiden Reflektorschichten einen Resonator bilden, dessen Achse die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt.
Die aktive Schicht kann beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang oder eine Doppelheterostruktur aufweisen, enthält vorzugsweise aber eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW- Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur).

Zur Erzielung einer größeren spektralen Reinheit der emittierten Strahlung sind aus dem Stand der Technik bereits oberflächenemittierende Laser mit senkrecht stehendem Resonator (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) und resonante lichtemittierende Dioden (RCLED, resonant cavity light emitting diode) für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen bekannt, die eine Grundstruktur wie oben beschrieben besitzen.

Solche vertikal emittierenden Bauelemente haben einige Vorteile gegenüber kantenemittierenden Bauelementen, einschließlich der Möglichkeit, solche Oberflächenemitter in Form einer zweidimensionalen Matrix anzuordnen. RCLEDs weisen Eigenschaften zwischen einer gewöhnlichen LED und einer Laserdiode auf. Verglichen mit normalen LEDs erzeugen sie wegen des Einschlusses der aktiven Schicht in den Mikroresonator eine stärker nach vorne gerichtete, leuchtstärkere Strahlung größerer spektraler Reinheit und weisen gleichzeitig höhere Modulationsgeschwindigkeiten auf.

Für RCLED-Anwendungen ist es notwendig, bei der Stromeinkopplung in das Bauelement dafür zu sorgen, dass die Strahlung in der aktiven Schicht möglichst in einem lateral begrenzten Bereich zwischen einer idealerweise hochreflektierenden und einer halbtransparenten Reflektorschicht generiert wird. Hierdurch können zwischen den Reflektorschichten Strahlungsmoden erzeugt werden, die dann in vertikaler Richtung als Vorwärtsstrahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt werden können; es bildet sich somit eine Kavität aus. Die auf diese Weise ausgekoppelte Strahlung besitzt dabei eine hohe spektrale Reinheit sowie einen stark begrenzten Abstrahlwinkel. Dagegen geht die Strahlung, die nicht direkt zwischen den beiden Reflektorschichten erzeugt wird, für die Auskopplung verloren.

Bei Bauelementen mit Halbleiterschichtfolgen auf GaN-Basis, wie InGaN, AlGaN und InGaAlN etc. mit variablen Anteilen an In, Ga und Al, stellt sich das Problem, dass Materialien mit guten elektrischen Kontakteigenschaften zu der oberen p-leitenden Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge im allgemeinen relativ schlechte Reflexionseigenschaften besitzen, während Metallisierungen mit guten Reflexionseigenschaften für den Spektralbereich von GaN-basierendem Material auf der Kontaktseite der p-leitenden Mantelschicht einen schlechten elektrischen Kontakt darstellen. Außerdem weist p-dotiertes GaN-basierendes Material, insbesondere p-dotiertes GaN, eine sehr geringe laterale Stromaufweitung von nur etwa 5 μm auf, so dass es bei konventioneller Bauelementkonstruktion nicht möglich ist, den Strom nur im Randbereich des Bauelements über elektrisch gute Kontakte einzuprägen und gleichzeitig Strahlung im zentralen Bereich des Bauelements zwischen den optisch guten Reflektorschichten zu erzeugen.

Diese Effekte führen im allgemeinen dazu, dass in RCLEDs auf Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf Basis von GaN die Strahlung nur an räumlich ungünstigen Orten für die Ausbildung von vertikal auskoppelbaren Lichtmoden erzeugt wird. Demnach weisen RCLEDs auf GaN-Basis einen sehr geringen Wirkungsgrad auf.

Es gibt deshalb Bestrebungen, die Stromeinkopplung lateral einzuschnüren, so dass die Strahlung in der aktiven Schicht ausschließlich in Bereichen zwischen lateral begrenzten und für den blau-grünen Spektralbereich effizienten Reflektorschichten erzeugt werden.

Ein bekannter Ansatz zur Lösung dieses Problems beschreiben zum Beispiel Y.-K. Song et al. in „A vertical cavity light-emitting InGaN quantum-well heterostructure", Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 23, 07. Juni 1999, Seiten 3441–3443 sowie ihrer jüngeren Veröffentlichung „Resonant-cavity InGaN quan tum-well blue light-emitting diodes", Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 12, 18. September 2000, Seiten 1744–1746. Das in diesen Veröffentlichungen offenbarte Halbleiterbauelement weist einen Aufbau gemäß beiliegender 3 auf. Die RCLED-Struktur 100 besteht aus einem Cu-Substrat 110, einer ersten Reflektorschicht 112 auf dem Substrat 110, einer Halbleiterschichtfolge 114 auf GaN-Basis mit einer strahlungserzeugenden aktiven Schicht 116, und einer halbtransparenten zweiten Reflektorschicht 118 auf der Halbleiterschichtfolge 114. Die zweite Reflektorschicht 118 ist dabei durch einen dielektrischen Bragg-Reflektor realisiert. Die Stromeinschnürung erfolgt durch die Verwendung von teilstrukturierten isolierenden Zwischenschichten 120 und einer strukturierten, transparenten oxidischen Zwischenschicht 122 (ITO), was den Aufbau relativ kompliziert macht. Die elektrische Kontaktierung erfolgt einerseits über einen mit dem Cu-Substrat 110 verbundenen elektrischen Leiter 124 und andererseits über eine n-Kontaktierung 126 aus Ti/Al zu der n-leitenden Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge.

Weiter sind beispielsweise aus der US 5,874,747 A und der DE 197 23 677 A1 eingangs beschriebene Halbleiterbauelemente bekannt, deren beide Reflektorschichten als nicht-leitende verteilte Bragg-Reflektorschichten (DBR, distributed Bragg reflector) ausgebildet sind. Aufgrund der nicht-leitenden DBRs ist ein relativ großer Aufwand bei der elektrischen Kontaktierung dieser Bauelemente erforderlich.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung, wie insbesondere eine RCLED auf der Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf GaN-Basis, vorzusehen, das auf einfache strukturelle Weise eine lateral begrenzte Stromeinkopplung und einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterbauelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements mit vertikaler Emissionsrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 19 angegeben.

Ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat; eine erste Reflektorschicht auf dem Substrat; eine Halbleiterschichtfolge auf InGaN-Basis bzw. GaN-Basis auf der ersten Reflektorschicht, wobei die Halbleiterschichtfolge eine strahlungserzeugende aktive Schicht, eine untere Mantelschicht in Kontakt mit der ersten Reflektorschicht und eine obere Mantelschicht enthält; und eine zweite Reflektorschicht auf der oberen Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge, die zusammen mit der ersten Reflektorschicht einen vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge angeordneten Resonator bildet, dessen Achse die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt, auf. Dabei ist die zweite Reflektorschicht für von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung teildurchlässig, und die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung wird über die zweite Reflektorschicht aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelt. Außerdem besteht die zweite Reflektorschicht aus einem zweiten Metall mit guten optisch reflektierenden Eigenschaften bezüglich des Spektralbereichs der von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung und in der zweiten Reflektorschicht ist eine Kontaktschicht in Kontakt mit der oberen Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge aus einem ersten Me tall mit guten elektrischen Eigenschaften bezüglich der Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge integriert; dabei ist in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge eine Struktur derart gebildet, dass zwischen Bereichen der Kontaktschicht ein Bereich der zweiten Reflektorschicht vorgesehen und außerhalb der Struktur eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert ist.

Die Erfindung löst dabei insbesondere das Problem, dass auf p-leitendem GaN-basierendem Halbleitermaterial gute ohmsche Kontakte schlechte optische Reflexionseigenschaften aufweisen. Dabei werden lateral begrenzte metallische Spiegel (zweite Reflektorschicht) im blau-grünen Spektralbereich zusammen mit einer effizienten seitlichen Stromeinkopplung (über die Kontaktschicht) aufgebracht, wobei durch eine selektive Strukturierung der Kontaktschicht für eine asymmetrische Stromaufweitung in der Halbleiterschichtfolge derart gesorgt wird, dass eine hohe Stromdichte in der aktiven Schicht der Halbleiterschichtfolge nur im Bereich zwischen den Spiegeln, d.h. im Resonator des Bauelements erzeugt wird.

Durch den obigen Aufbau wird somit eine lateral begrenzte Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge realisiert und die geringe laterale Stromaufweitung in der Halbleiterschichtfolge wird genutzt, um nur in Bereichen zwischen den hochreflektierenden Reflektorschichten effizient Strahlung zu erzeugen. Hierbei werden die positiven optischen Eigenschaften des zweiten Metalls der zweiten Reflektorschicht mit den guten elektrischen Eigenschaften des ersten Metalls der Kontaktschicht wirksam kombiniert. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau des Halbleiterbauelements wird die Stromeinschnürung ferner in einfacher Weise ohne die herkömmliche Verwendung von isolierenden und transparenten oxidischen Zwischenschichten innerhalb des Schichtpakets des Halbleiterbauelements erzielt. Außerdem können zur Steigerung der Effizienz auch problemlos mehrere Kavitäten auf einem Chip ge formt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der oben beschriebene Aufbau gemäß der Erfindung sowohl für elektrisch leitende als auch für nicht-leitende Substrate sowie bei Systemen, die ein Übertragen des dünnen Schichtpakets auf ein Trägermaterial vorsehen, angewendet werden kann.

Vorteilhafterweise sind in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge mehrere Strukturen gebildet, die zwischen Bereichen der Kontaktschicht einen Bereich der zweiten Reflektorschicht aufweisen, wobei zwischen den mehreren Strukturen eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert ist. Mit anderen Worten sind auf einem Halbleiterchip mehrere strahlungsemittierende Kavitäten gebildet.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Struktur bzw. weisen die Strukturen Bereiche der Kontaktschicht auf, die in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements eine geschlossene geometrische Form besitzen. Insbesondere können die Bereiche der Kontaktschicht in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements einen kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder polygonalen Ring bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Metall der Kontaktschicht Palladium (Pd), und das zweite Metall der zweiten Reflektorschicht ist Aluminium (Al).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in den Bereichen außerhalb der Struktur bzw. zwischen den Strukturen in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements die obere Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge zur Verhinderung der Stromeinkopplung beschädigt, vorzugsweise geätzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Darin zeigen:
1A eine schematische Darstellung der Schichtenfolge eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung;
1B eine schematische Querschnittsdarstellung des Aufbaus des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements von 1A einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß Linie A-A von 1A;
1C eine schematische Querschnittsdarstellung des Aufbaus des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des Halbleiterbauelements von 1A zur Erläuterung dessen Funktionsweise; und
3 eine schematische Darstellung der Schichtenfolge eines herkömmlichen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements.
1A zeigt zunächst schematisch den Schichtaufbau eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements mit vertikaler Emissionsrichtung in Form einer RCLED gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Auf einem Substrat 10, zum Beispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Sic, ist optional zunächst eine elektrisch leitfähige Puffer-Schicht (nicht dargestellt) auf GaN-Basis oder AlGaN-Basis zur Verbindung des Substrats mit den darüber liegenden Schichten ausgebildet. Auf diese Puffer-Schicht wird anschließend eine erste Reflektorschicht 12, zum Beispiel in Form einer elektrisch leitfähigen, n-dotierten, verteilten Bragg-Reflektorschicht (DBR) auf InAlGaN-Basis epitaktisch gewachsen. Um eine erforderliche Reflektivität von etwa 70% bis 95% zu erzielen ist hierbei eine große Anzahl von Halbleiterschichten in der Bragg-Reflektorschicht 12 notwendig.
Aufgrund der hohen Reflektivität der ersten Reflektorschicht 12 kann die in dem Halbleiterbauelement erzeugte Strahlung nicht in das Substrat 10 gelangen und dort absorbiert werden, so dass problemlos auch ein elektrisch leitfähiges Substrat 10 aus SiC verwendet werden kann.
Auf dieser ersten Reflektorschicht 12 wird dann eine Halbleiterschichtfolge 14 auf InGaN-Basis epitaktisch gewachsen, die aus einer n-leitenden unteren Mantelschicht 16 und einer p-leitenden oberen Mantelschicht 18 besteht, zwischen denen eine strahlungserzeugende aktive Schicht 20 vorgesehen ist.
Die aktive Schicht 20 weist beispielsweise eine Doppelheterostruktur auf, enthält vorzugsweise aber eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur). Solche Strukturen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Für die untere Mantelschicht 16 wird beispielsweise mit Si dotiertes GaN, und für die obere Mantelschicht 18 wird beispielsweise mit Mg dotiertes GaN eingesetzt. Die aktive Schicht 20 besteht zum Beispiel aus einer InGaN-Schicht.
Auf die obere Mantelschicht 18 der Halbleiterschichtfolge 14 wird wenigstens eine Struktur 22 zur Stromeinkopplung und Strahlungsauskopplung in die bzw. aus der Halbleiter schichtfolge 14 aufgebracht, deren lateraler Aufbau in der Ansicht von 1B dargestellt ist.
Hierzu wird zunächst auf die gesamte p-leitende obere Mantelschicht 18 der Halbleiterschichtfolge 14 eine Schicht aus einem ersten Metall aufgebracht, das einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand von beispielsweise weniger als 10^–3 Ωcm² zu dem p-GaN der oberen Mantelschicht 18 aufweist. Außerdem sollte das ausgewählte erste Metall sowohl durch Trockenätzen (z.B. mittels Ionenstrahlätzen oder Sputterätzen) als auch durch nasschemisches Ätzen strukturierbar sein. Ein geeignetes erstes Metall mit den genannten Eigenschaften ist zum Beispiel Palladium (Pd).
Im nächsten Schritt wird durch eine Phototechnik wenigstens eine Ringstruktur 22 mit geeigneten Durchmessern von beispielsweise etwa 5 μm bis etwa 50 μm in die Schicht aus dem ersten Metall übertragen. Mittels einem anschließenden Trockenätzschritt wird das erste Metall allerdings zunächst nur im Bereich 24 außerhalb der Ringstrukturen 22 entfernt. Hierbei wird bewusst in Kauf genommen, dass beim Ätzen des ersten Metalls auch das darunter liegende p-GaN-Material der oberen Mantelschicht 18 der Halbleiterschichtfolge 14 soweit geschädigt wird, dass dieser Bereich 24 später für eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge 14 nicht mehr zur Verfügung steht (Entstehung sog. „dead layer").
Mit Hilfe einer zweiten Phototechnik und einem nasschemischen Ätzvorgang wird nun der Innenbereich 26 der Ringstrukturen 22 freigelegt, wobei in diesem Fall die darunter liegende obere Mantelschicht 18 aus p-GaN nicht beschädigt wird. Auf diese Weise bleibt eine ringförmige Kontaktschicht 28 aus dem ersten Metall zurück, die zum Zwecke der Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge 14 einen guten elektrischen Kontakt zu dem p-GaN der oberen Mantelschicht 18 der Halbleiterschichtfolge bildet.
Abschließend wird eine Schicht aus einem zweiten Metall aufgebracht, welche die zweite Reflektorschicht 30 bildet. Das zweite Metall besitzt eine möglichst hohe Reflektivität im blau-grünen Spektralbereich des GaN von vorzugsweise über 80%. Ein geeignetes Material für dieses zweite Metall ist zum Beispiel Aluminium (Al) mit einer Reflektivität von etwa 85% für 460 nm. Die zweite Reflektorschicht 30 muss sich nicht zwingend direkt an die obere Mantelschicht 18 anschließen; ein geringer Kontakt, wenn auch mit hohem Kontaktwiderstand, ist aber von Vorteil, um auch unterhalb der zweiten Reflektorschicht 30 innerhalb der Kontaktschicht 28 eine geringe Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge 14 zu bewirken.
Die Ausbildung der Strukturen 22 mit Kontaktschichten 28, die in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements einen kreisförmigen Ring bilden, wie in 1B dargestellt, ist nur eine bevorzugte Ausführungsform. Alternativ können die Kontaktschichten 28 auch andere geschlossene geometrische Formen, wie elliptische, rechteckige, quadratische, dreieckige oder polygonale Ringe bilden, wie in 1C angedeutet. Wahlweise sind auch nicht-geschlossene Formen wie Streifen oder dergleichen für die Kontaktschichten 28 denkbar.
Wie schematisch in 2 dargestellt, ist die Strukturbreite bzw. der Ringdurchmesser D so zu wählen, dass durch die laterale Stromaufweitung im p-GaN durch die Stromeinprägung 32 in die Halbleiterschichtfolge 14 eine hohe Stromdichte in der aktiven Schicht 20 direkt unterhalb der Ringstruktur entstehen kann, um in diesem Bereich Strahlung zu erzeugen. Ein besonders geeigneter Innendurchmesser der Ringstruktur 22 liegt beispielsweise im Bereich von unter etwa 10 μm. Dagegen wird in den Bereichen 24 außerhalb der Strukturen 22, d.h. in den geschädigten Bereichen der oberen Mantelschicht aufgrund der verhinderten Stromeinkopplung keine Strahlung generiert.
Durch diese selektive Strukturierung der Kontaktschicht 28 wird also nur unterhalb der Ringstrukturen 22 Strahlung erzeugt, die an der zweiten Reflektorschicht 30 aus dem zweiten Metall reflektiert werden kann. Somit kann sich zusammen mit der ersten Reflektorschicht 12 unterhalb der Ringstruktur 22 eine Kavität ausbilden und die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad der so aufgebauten RCLED steigern. In den für die RCLED ungünstigen Bereichen der Halbleiterschichtfolge 14 in den Außenbereichen der Strukturen 22 entsteht dagegen keine Strahlung.
Wie in den 1B und 1C veranschaulicht, kann das Halbleiterbauelement auch mehrere der oben beschriebenen Kavitäten aufweisen, um die Effizienz des Bauelements weiter zu steigern.
Die erste und die zweite Reflektorschicht 12, 30 bilden zusammen einen vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge 14 angeordneten Resonator, dessen Achse gleichzeitig die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt. Mit Hilfe dieses Resonators wird die Wellenlänge der von dem Halbleiterbauelement emittierten Strahlung zu Beispiel auf 435 nm oder 460 nm eingestellt, wobei die Halbwertsbreite der Emissionslinie einer solchen RCLED deutlich kleiner als bei herkömmlichen LEDs ist.
Die zweite Reflektorschicht 30 aus Metall dient gleichzeitig als Elektrode der elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements. Der zweite elektrische Anschluss erfolgt über eine Metallschicht (nicht dargestellt) auf der Unterseite des Substrats 10. Da sowohl das Substrat 10 als auch die erste Reflektorschicht 12 elektrisch leitfähig sind, ist auf diese Weise ohne großen Aufwand eine einfache Konstruktion der elektrischen Anschlüsse des Halbleiterbauelements für eine vertikale Stromführung möglich.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist allerdings auch auf nicht-leitfähige Substrate anwendbar und kann auch bei Systemen, die eine Übertragung der Schichtstruktur auf ein Trägermaterial erfordern, angewendet werden. Ebenso ist die Erfindung auch bei RCLEDs anwendbar, die auf anderen Materialsystemen als das oben beschriebene, wie zum Beispiel In_xAl_yGal_1–x–yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 und Al_xGa_1–xAs mit 0 ≤ x ≤ 1, beruhen.

Claims

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit vertikaler Emissionsrichtung, mit einem Substrat (10); einer ersten Reflektorschicht (12) auf dem Substrat (10); einer Halbleiterschichtfolge (12) auf Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter-Material auf der ersten Reflektorschicht, wobei die Halbleiterschichtfolge eine strahlungserzeugende aktive Schicht (20), eine untere Mantelschicht (16) in Kontakt mit der ersten Reflektorschicht und eine obere Mantelschicht (18) enthält; und einer zweiten Reflektorschicht (30) auf der oberen Mantelschicht der Halbleiterschichtfolge, die zusammen mit der ersten Reflektorschicht einen vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge angeordneten Resonator bildet, dessen Achse die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt, wobei die zweite Reflektorschicht (30) für einen Teil der von der aktiven Schicht (20) erzeugten Strahlung durchlässig ist und die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung über die zweite Reflektorschicht aus dem Halbleiterbauelement ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reflektorschicht (30) aus einem zweiten Metall mit guten optisch reflektierenden Eigenschaften bezüglich eines Spektralbereichs einer von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung besteht; und in der zweiten Reflektorschicht (30) mindestens eine Kontaktschicht (28) in Kontakt mit der oberen Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge (14) aus einem ersten Metall mit guten elektrischen Eigenschaften bezüglich der Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge integriert ist, wobei in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge mindestens eine Struktur (22) gebildet ist, die Bereiche der Kontaktschicht sowie Bereiche der zweiten Reflektorschicht zwischen den Bereichen der Kontaktschicht umfasst, und außerhalb der Struktur (22) eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtfolge auf InGaN basiert.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge (14) mehrere Strukturen (22) gebildet sind, zwischen denen eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Kontaktschicht (28) mindestens einer Struktur (22) derart ausgebildet sind, dass sie in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements Bereiche der zweiten Reflektorschicht dieser Struktur umschließen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Kontaktschicht (28) in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements einen kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder polygonalen Ring bilden.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall der Kontaktschicht (28) Palladium (Pd) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall der zweiten Reflektorschicht (30) Aluminium (Al) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen (24) außerhalb der Struktur bzw. zwischen den Strukturen (22) in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements die obere Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge (14) zur Verhinderung der Stromeinkopplung beschädigt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge (14) zur Verhinderung der Stromeinkopplung geätzt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reflektorschicht (12) eine verteilte Bragg-Reflektorschicht ist.
Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements mit vertikaler Emissionsrichtung, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Substrats (10); Aufbringen einer ersten Reflektorschicht (12) auf das Substrat; Aufbringen einer Halbleiterschichtfolge (14) auf Basis von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter-Material auf die erste Reflektorschicht, wobei die Halbleiterschichtfolge eine strahlungserzeugende aktive Schicht (20), eine untere Mantelschicht (16) in Kontakt mit der ersten Reflektorschicht und eine obere Mantelschicht (18) enthält; Aufbringen einer zweiten Reflektorschicht (30) auf die obere Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge, die zusammen mit der ersten Reflektorschicht (12) einen vertikal zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterschichtfolge angeordneten Resonator bildet, dessen Achse die vertikale Emissionsrichtung des Halbleiterbauelements darstellt, wobei die zweite Reflektorschicht (30) für einen Teil einer von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung durchlässig ist und die von der aktiven Schicht erzeugte Strahlung über die zweite Reflektorschicht aus dem Halbleiterbauelement auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reflektorschicht (30) aus einem zweiten Metall mit guten optisch reflektierenden Eigenschaften bezüglich eines Spektralbereichs der von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung besteht; und in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der oberen Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge (14) wenigstens eine Struktur (22) gebildet wird, die Bereiche einer Kontaktschicht (28) aus einem ersten Metall mit guten elektrischen Eigenschaften bezüglich der Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge sowie Bereiche der zweiten Reflektorschicht zwischen den Bereichen der Kontaktschicht aufweist, wobei außerhalb (24) der Struktur (22) eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtfolge auf InGaN basiert.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements in Kontakt mit der Halbleiterschichtfolge (14) mehrere Strukturen (22) gebildet werden, zwischen denen eine Stromeinkopplung in die Halbleiterschichtfolge verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer Schicht aus dem ersten Metall auf die gesamte p-leitende obere Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge (14); Trockenätzen der Schicht aus dem ersten Metall in Bereichen (24) außerhalb der gewünschten Struktur bzw. Strukturen (22); Nasschemisches Ätzen der Schicht aus dem ersten Metall in den für Bereiche der zweiten Reflektorschicht der gewünschten Struktur bzw. Strukturen (22) vorgesehenen Bereichen; und Aufbringen einer Schicht aus dem zweiten Metall auf die gesamte Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Trockenätzens der Schicht aus dem ersten Metall auch die darunter liegende obere Mantelschicht (18) der Halbleiterschichtfolge teilgeätzt wird, so dass sie derart beschädigt wird, dass eine Stromeinkopplung in diesem Bereich verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Kontaktschicht (28) mindestens einer Struktur (22) derart ausgebildet werden, dass sie in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements Bereiche der zweiten Reflektorschicht dieser Struktur umschließen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Kontaktschicht (28) derart ausgebildet werden, dass sie in lateraler Richtung des Halbleiterbauelements einen kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder polygonalen Ring bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall der Kontaktschicht (28) Palladium (Pd) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall der zweiten Reflektorschicht (30) Aluminium (Al) ist.