Leuchtdiode und Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode und ein Verfahren zum Herstellen einer

Leuchtdiode.

Stand der Technik

Für die optische Spektroskopie bieten LED-basierte Lichtquellen großes Potenzial. Für eine Umsetzung von Sensorsystemen ist es vorteilhaft, Lichtquellen mit hoher optischer Leistung und auf die zu detektierenden Spezies angepasster Emissionscharakteristik zur Verfügung zu haben. Hierdurch können die Sensoreigenschaften, wie z.B. Sensitivität, Auflösungsvermögen, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und/oder Leistungsaufnahme verbessert sowie der Aufwand für die Signalverarbeitung verringert werden. Basierend auf Halbleitermaterialien mit geeigneter Dotierung können LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen, im Wesentlichen den infraroten und sichtbaren Bereich, aber auch den UV-Bereich bis ca. 250 nm abdeckend, realisiert werden. Im Hinblick auf die jeweilige Emissionswellenlänge, Absorptionseigenschaften und Transparenz spielt die Bandlücke dieser Materialien eine entscheidende Rolle. Grundsätzliche Prozesse zur Erzeugung von pn-Halbleiterdioden gelten als bekannt. Verfahren zum Aufwachsen der Halbleitermaterialien auf geeignete Substrate gelten ebenfalls als bekannt.

Die DE 2009 034 359 A1 offenbart einen p-dotierten Kontakt für die Verwendung in einer Leuchtdiode für den ultravioletten Spektralbereich, umfassend eine p-Kontaktschicht mit einer ersten Oberfläche zur Kontaktierung einer Strahlungszone und einer zweiten Oberfläche, die auf der der ersten Oberfläche abgewandten Seite eine Beschichtung aufweist, die einen Anteil der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht direkt kontaktiert und die ein Material enthält oder daraus besteht, welches für Licht im UV-Bereich mit einer Wellenlänge von 200 nm bis 400 nm eine maximale Reflektivität von zumindest 60 % und eine Mehrzahl von p-lnjektoren aufweist, die direkt auf der zweiten Oberfläche der p-Kontaktschicht angeordnet sind. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden. Auf einem Substrat 1 , welches aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird eine

Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 2 abgeschieden. Die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht weist beispielsweise eine Dicke von 500 nm auf.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich mit einer auf einem Substrat ausgebildeten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung mittels Auftragen einer Maske aus Siliziumnitrid auf die Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, Ätzen der

Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und Entfernen der Maske strukturiert ist, einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche auf die strukturierte erste

Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht aufgewachsen ist und n-Ohmkontakten bzw. n- ohmschen Kontakten auf einer Aluminiumgalliumnitrid-Schicht, welche aus

Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.

Gemäß eines weiteren Aspektes schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode für den UVC-Spektralbereich unter Verwendung von Epitaxiallateralüberwachsung, mit den folgenden Schritten: 1.) Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat, 2.) Auftragen einer Maske auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 3.) Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht zum Ausbilden einer strukturierten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, 4.)

Entfernen der Maske, 5.) Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht und 6.) Ausbilden von n- Ohmkontakten bzw. n-ohmschen Kontakten auf einer Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind.

Vorteile der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steigerung der Lichtemission von

Leuchtdioden für den ultravioletten Spektralbereich, insbesondere dem UV-C Bereich zu erreichen. Eine nicht strahlende Rekombination von Elektron-Loch-Paaren wird durch eine

Strukturierung und der damit verbundenen Stressreduktion innerhalb der Schichten realisiert. Angepasste Kontakte reduzieren den über den ohmschen Kontakt entstehenden Spannungsabfall und erhöhen hierdurch die Lichtausbeute bei gleicher Spannung. Die Kombination der vorstehend genannten Merkmale führt zu einer Erhöhung der

Gesamteffizienz der Leuchtdiode.

Insbesondere soll eine Kombination von AIGaN-basierten Materialien mit geeignetem Al- Gehalt für eine Lichtemission im UV-C Bereich mit einer Substratstrukturierung zur Minimierung von Wachstumsdefekten bei der Herstellung sowie die Verwendung angepasster Materialien und Prozesse für n-Kontakte, d. h. für n-seitige Kontakte, zu AIGaN-Schichten mit hohem AI-Gehalt vorgesehen werden. Somit kann eine erhöhte Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht werden, da durch die Substratstrukturierung die interne Quanteneffizienz wesentlich erhöht wird und durch die angepassten Kontakte der Übergangswiderstand Metall-Halbleiter minimiert und somit bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme eine hohe Lichteffizienz der Leuchtdiode erreicht wird.

Somit wird eine Steigerung der Lichtemission der Leuchtdiode bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme erreicht. Dies ist notwendig, um beispielsweise in

Sensorikanwendungen im relevanten Wellenlängenbereich, insbesondere 200 nm bis 250 nm, ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Für das Wachstum auf dem Substrat wird die Strukturierung des Substrats vorgesehen, um eine möglichst stressfreie, defektarme und damit effiziente Leuchtdiode auszubilden.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den

Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, welche bei einer Einlegierung ausgebildete Titanoder Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen aufweisen. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche.

Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid oder Vanadiumnitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid oder Vanadiumgalliumnitrit- Komponenten ausgebildet ist, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN oder VN-Bildung eine

Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht ausgebildet ist, welche mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugbar ist. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.

Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan,

Wolframsilizid oder Platin ausgebildet ist. Dadurch können sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren.

Darüber hinaus ist eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet ist. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die n-Ohmkontakte mehrlagige Legierungskontakte sind, wobei bei einer Einlegierung Titan- oder

Vanadiumverbindungen und Stickstofffehlstellen ausgebildet werden. Dies führt zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der

Aluminium(Gallium)nitridschicht eine Titanschicht ausgebildet wird, wobei bei einem RTA- Schritt ein Kontaktsystem aus einer binären Komponente Titannitrid zusammen mit ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten ausgebildet wird, wodurch eine Austrittsarbeit resultiert, die geringer als die Elektronenaffinität von

Aluminium(Gallium)nitrid ist. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die TiN-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen

Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen.

Überdies ist vorgesehen, dass eine tetragonale Titanaluminiumschicht mittels Abscheiden einer Aluminiumschicht auf einer Titanschicht oder umgekehrt und anschließender Temperung erzeugt wird. Dadurch kann bei hohen Legierungstemperaturen eine

Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion darüberliegender Metallisierungen vermieden werden. Das tetragonale Titanaluminium stellt eine temperaturstabile

Diffusionsbarriere dar. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die gemäß der Ausführungsform entstehende Titannitrid-Schicht diffundiert und so den

Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch Bildung von Aluminium(Gallium)nitrid.

Ferner ist vorgesehen, dass eine Diffusionsbarriere aus Nickel, Molybdän, Titan,

Wolframsilizid oder Platin ausgebildet wird. Dadurch können sowohl das Titan- als auch das Aluminium-Verbindungen sowie deren vor Oxidation geschützt werden und sind stabil zu kontaktieren.

Darüber hinaus wird eine Kontaktschicht vorgesehen, welche aus Gold ausgebildet wird. Somit sind sowohl das Titan als auch das Aluminium sowie deren Verbindungen stabil kontaktierbar. Die Diffusionsbarriere verhindert des Weiteren neben einer Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche. Für Molybdän spricht der hohe Schmelzpunkt von 2623°C, der fast 1200°C über dem von Nickel liegt. Darüber hinaus ist die Löslichkeit von Gold in Molybdän bei einer RTA (Rapid Thermal Annealing) Temperatur von 850°C kleiner als 1 %. Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig

miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im

Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.

Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht

notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens, auf einem

ebenen Substrat, beispielsweise Aluminiumoxid, direkt

Aluminium(Gallium)nitrid abzuscheiden.

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Abscheidens von

Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO- Verfahrens (Epitaxiallateralüberwachsung) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer

Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

In der vorliegenden Erfindung sind mit Aluminium(Gallium)Nitrid-Schichten Schichten gemeint, die ein definiertes AI:Ga Verhältnis aufweisen: Al _x (Gai _-x )N, wobei x eine reele Zahl zwischen 0 und 1 sein kann. Ferner können die Schichten Dotierungen aufweisen, wobei die Dotierstoffkonzentration üblicherweise viel kleiner ist als die Gallium- und Aluminiumkonzentration.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante, insbesondere für UVC-LEDs, ist eine im Rahmen der technischen Möglichkeiten möglichst Ga-freie Aluminiumnitrid-Schicht, d.h. Al _x (Gai- _x )N mit x>0,99.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Leuchtdiode für den UVC- Spektralbereich mit einer Wellenlänge < 250 nm.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Abscheiden von Aluminium(Gallium)nitrid auf einem vorstrukturierten Substrat mittels des ELO-Verfahrens (Epitoxial-Lateral-Over-growth) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auf einem Substrat 10, welches beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, wird in einem ersten Schritt eine Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 1 1 gewachsen. Auf diese wird anschließend eine Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, aufgetragen. Beim folgenden Ätzprozess wird das Material an den nicht von der Maske bedeckten Stellen entfernt. Nach Entfernung der Maske kann die strukturierte Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 1 1 mit einer weiteren Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 überwachsen werden. Die zu Beginn des Überwachsens durch Hohlräume 12 oberhalb von Ätzgräben unterbrochene

Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht 14 wächst mit zunehmender Schichtdicke zusammen. Durch eine auf diesem Wege erreichte Koaleszenz kann eine Defektdichte, welche durch ein gitterfehlangepasstes Wachstum von Aluminium(Gallium)nitrid auf beispielsweise einem Saphir-Wafer hervorgerufen wird, auf einen Bruchteil reduziert werden.

Die Fig.3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ohmkontaktes vor und nach struktureller Veränderungen durch einen RTA-Schritt gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 3 zeigt linker Hand einen Aufbau eines

Ohmkontaktes vor dem RTA-Schritt S7 sowie rechter Hand einen Aufbau des

Ohmkontaktes nach dem RTA-Schritt S7.

Ein n-Ohmkontakt wird auf der zweiten Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 aus Fig. 2 ausgebildet, wobei der n-Ohmkontakt in vorliegendem Ausführungsbeispiel aus

Titan/Aluminium ausgebildet ist. Alternativ kann der n-Ohmkontakt auch aus anderen Materialien wie z.B. Vanadium/Aluminium-basiert ausgebildet sein. Auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 14 ist eine Titan-Schicht 21 ausgebildet. Auf der Titan- Schicht 21 ist eine Aluminium-Schicht 22 ausgebildet. Auf der Aluminium-Schicht 22 ist eine Molybdän-Schicht 23 ausgebildet. Auf der Molybdän-Schicht 23 ist eine Gold-Schicht 24 ausgebildet.

Der n-Ohmkontakt auf Aluminiumgalliumnitrid ist somit ein mehrlagiger

Legierungskontakt, bei dem der RTA-Schritt S7 zu einer deutlichen Eindiffusion eines Kontaktmetalls führt. Infolgedessen kann auf eine Kontaktimplantation zur Erhöhung einer Dotierstoffkonzentration in Source- und Draingebieten verzichtet werden. Die Temperatur, bei der die Einlegierung erfolgt, ist durch die Zersetzungstemperatur von Galliumnitrid begrenzt. Bei dem Materialsystem Galliumnitrid wird aufgrund von EFM-Messungen sowie einem Vergleich von Schottky-Barrierenhöhen das Ferminiveau nicht an die Galliumnitrid- Oberfläche gepinnt. Demzufolge können Metalle mit einer Austrittsarbeit kleiner oder gleich der Elektronenaffinität von Galliumnitrid (ca. 4,1 eV) einen idealen ohmschen Kontakt mit einer Elektronenanreicherung an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bilden.

Bei der Einlegierung werden Titannitrid-Verbindungen sowie Stickstofffehlstellen ausgebildet, die zu einer hohen Elektronenkonzentration an der Grenzfläche führen. Aufgrund der möglichen Phasenbildungen entsteht somit bei Titan auf Galliumnitrid ein n- GaN/TiN/Ti ₂ GaN/Ti ₃ GaN Kontaktsystem 25. Die binäre Komponente Titannitrid bildet zusammen mit den ternären, Gallium-angereicherten Titangalliumnitrid-Komponenten in Summe eine Austrittsarbeit, die niedriger liegt als die Elektronenaffinität von

Aluminium(Gallium)nitrid. Somit liegt ein idealer ohmscher Kontakt vor. Darüber hinaus erhöht die Titannitrid-Bildung eine Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund der hohen

Grenzflächendotierung durch donatorartige Stickstofffehlstellen. Um bei hohen

Legierungstemperaturen die Ausdiffusion von Gallium sowie eine Eindiffusion

darüberliegender Metallisierungen zu vermeiden, wird die Aluminiumschicht 22

abgeschieden. Diese bildet mit der Titan-Schicht 21 nach dem RTA-Schritt S7

tetragonales Titanaluminium 26, welches eine temperaturstabile Diffusionsbarriere darstellt. Außerdem wird vermutet, dass Aluminium partiell durch die entsprechende

Titannitrid-Schicht diffundiert und so den Kontaktwiderstand senkt, beispielsweise durch die Bildung von Aluminiumnitrid.

Sowohl die Titan- als auch die Aluminium-Verbindungen müssen vor Oxidation geschützt werden und stabil zu kontaktieren sein. Üblich ist hierfür die Abscheidung der

Kontaktschicht 24 aus Gold zusammen mit der Diffusionsbarriere 23 aus Molybdän. Alternativ kann die Diffusionsbarriere ebenfalls aus Nickel, Titan, Wolframsilizid oder Platin ausgebildet sein. Die Diffusionsbarriere soll neben der Eindiffusion von Sauerstoff eine Rückdiffusion des Goldes in die Kontaktgrenzfläche verhindern. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In Schritt S1 erfolgt ein Aufwachsen einer ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht auf einem Substrat. In Schritt S2 erfolgt ein Auftragen einer Maske, beispielsweise aus Siliziumnitrid, auf die erste Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S3 erfolgt ein Ätzen der ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht zum Ausbilden einer strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S4 erfolgt ein Entfernen der Maske. In Schritt S5 erfolgt ein Überwachsen der strukturierten ersten Aluminium(Gallium)nitrid- Schicht mit einer zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht. In Schritt S6 erfolgt ein Ausbilden von n-Ohmkontakten auf der zweiten Aluminium(Gallium)nitrid-Schicht, welche beispielsweise aus Vanadium/Aluminium oder Titan/Aluminium ausgebildet sind. In Schritt S7 erfolgt ein RTA-Schritt zur schnellen thermischen Ausheilung der Kristallstruktur des Substrats. Der RTA-Schritt dient ebenfalls der Ausbildung der vorstehend beschriebenen Mischphasen.