Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Technologie zur frontseitigen ohmschen Kontaktierung optoelektronischer Bauelemente auf AIIIBV-Halbleiterbasis mit Nah-Infraroten-transparenten Stromverteilungsschichten insbesondere im Wellenlängenbereich von 1050 Nanometern mit der Erhöhung der Lichtleistung von Nah-Infrarot-LEDS (NIR-LEDs) um bis zu 50 Prozent gegenüber dem Stand der Technik. Dies sollte mit der Entwicklung eines Beschichtungsverfahrens zum Erzeugen transparenter, bondfähiger, haftfester, flacher, ohmscher Kontakte auf p-leitenden Al-haltigen Halbleitern erreicht werden. Auf diesen Materialien basieren Emitter und Sensoren für Sicherheitstechnik, NIR-Spektroskopie und optische Kommunikation. In der zu entwickelnden Kontaktschicht wurden eine Transmission von zirka 90 Prozent und eine gleichmäßige Stromverteilung über der Lichtaustrittsfläche angestrebt. Dadurch kann durch die Reduzierung der abschattenden Metallfrontkontakte eine Erhöhung der ausgekoppelten Lichtleistung um bis zu 50 Prozent gegenüber der NIR-LED mit strukturierten Metallkontakten nach dem Stand der Technik erwartet werden. Die Lösung zielt auf die NIR-LED ab, die für spezifische Anwendungen, vor allem in der Sicherheitstechnik, zum Einsatz kommen. Dafür erhalten sie von Massenware für allgemeine Beleuchtungszwecke abweichende, spezifische Strukturen und werden in Stückzahlen im Bereich von zirka 500.000 Stück pro Jahr in kleinen und mittelständischen Unternehmen gefertigt. Sicherheits- und Medizintechnik sind wichtige Marktsegmente für diese Unternehmen, daher sollte das zu entwickelnde Verfahren einfach zu handhaben, robust und zuverlässig sein.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Projektes wurde ein Prozess zur Herstellung Infrarot-transparenter, leitfähiger Schichten auf Basis von Indiumoxid entwickelt. Diese lassen sich bei nahezu gleichen elektrischen und optischen Eigenschaften sowohl als dünne Schichten im Nanometerbereich, als auch als dicke Schichten im Mikrometerbereich abscheiden. Entscheidend für die Herstellung IR-transparenter Schichten mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und in Relation zu anderen TCOs (transparent conductive oxide) mit niedriger Ladungsträgerkonzentration ist der Einsatz von Wasser sowie eine niedrige Substrattemperatur während der Abscheidung. Damit wird während des Schichtwachstums die Kristallisation erfolgreich unterdrückt und in der nachfolgenden Temperaturbehandlung können Schichten mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit kristallisieren. Für eine effektive Stromspreizung auf Halbleiterbauelementen sind bei dieser elektrischen Leitfähigkeit Schichtdicken im Bereich um ein Mikrometer notwendig. Die in diesem Schichtdickenbereich erreichten Schichteigenschaften ermöglichen den Einsatz der TCO-Schichten zur effektiven Stromspreizung bei gleichzeitig hoher IR-Transparenz. Mit Ce-dotierten Indiumoxid ließen sich ähnlich leitfähige bei vergleichbaren Absorptionseigenschaften herstellen. Der Einfluss der TCO-Abscheidung auf verschiedene LED-HL-Materialien, untersucht mittels Photolumineszenz, zeigte, dass dieser für die jeweils eingesetzten LED-Materialien untersucht werden und die Beschichtungsparameter für eine störungsarme Abscheidung entsprechend angepasst werden müssen. Mit dem Aufbau eines Demonstrators konnte die effiziente Stromspreizung durch die Indiumoxidschicht nachgewiesen werden. Der ohmsche Kontakt zwischen Halbleiter und der zirca ein Mikrometer dicken Stromspreizschicht ermöglicht einen nur minimalen Anstieg der Flussspannung gegenüber dem Referenzmetallkontakt. Die Lichtemission erfolgt im Gegensatz zum Metallrahmenkontakt homogen über die gesamte Halbleiteroberfläche. Im Scheibenverbund konnte bei Betrachtung der nahezu ausschließlich frontseitigen Emission ohne Reduzierung der Metallkontaktfläche eine Verdopplung der emittierten Lichtleistung von 350 Milliamperen gemessen werden. Nach dem Demonstratoraufbau mit separierten Chips auf Metallkernleiterplatte wurde, ohne Reduzierung der Metallkontaktfläche, eine Erhöhung der emittierten Lichtleistung von 100 Milliamperen um 8 bis 16 Prozent gemessen. Extrapoliert auf einen LED-Strom von 350 Milliamperen würde dies einer Leistungssteigerung von 30 bis 40 Prozent entsprechen. Die niedrigere Leistungssteigerung bei den separierten Chips wird durch den hohen Anteil seitlicher Emission über die Chipflanken sowie einer möglichen TCO-Schädigung beim Vereinzeln verursacht. Aktuell kann bei den Chipflanken die frontseitige Vergütung nicht wirken. Weiterhin tritt das Problem auf, dass der Wafer aktuell nur gesägt ist, da die Lackmaske nicht stabil gegen IOH-Ätzmittel ist. Eine weitere Leistungssteigerung kann durch die Reduzierung der Metallkontaktfläche erreicht werden, welche durch die homogene Emissionsverteilung aufgrund der TCO-Stromspreizschicht ermöglicht wird. Sowohl die TCO-Beschichtung als auch der Titan-Gold-Kontakt auf dem TCO erwiesen sich beim Demonstratoraufbau als bondfest.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Sicherheitsbranche eröffnet gegenwärtig einen hohen Marktbedarf für LEDs im Spektralbereich um 1050 Nanometer. Diese Nachfrage resultiert aus dem Streben nach Sicherheitstechnik, die nicht nur für das bloße menschliche Auge unsichtbar ist, sondern auch für die Alltagsgebrauchselektronik wie digitale Fotoapparate und Mobiltelefonkameras. Hier werden die Empfänger von Silicium-CCD-Chips gebildet. Das menschliche Sehvermögen beschränkt sich in natürlicher Beleuchtung auf Farben zwischen etwa 400 und 800 Nanometer. Hohe Intensitäten werden noch bei zirka 840 Nanometern wahrgenommen. Als Antwort folgte in einem ersten Schritt die Entwicklung von NIR-LEDs bei 950 Nanometern. Der zweite Schritt zu Sendern mit weiteren Wellenlängen wird aktuell vorbereitet. Digitale Fotoapparate und Mobiltelefonkameras setzen als Empfänger Silicium-CCD-Chips mit einer Bandlücke von 1,12 Elektronvolt ein. Silizium ist für Licht mit Wellenlängen von 1,1 Mikrometern nicht mehr empfindlich. Mit 1050 Mikrometern wird eine Sendewellenlänge in der Nähe dieser Grenze angestrebt. Gleichzeitig wird das atmosphärische Fenster zwischen 950 und 1100 Nanometern berücksichtigt, um die Reichweite des Lichtes zu maximieren. Der Einsatz zielt auf eine für potentielle Eindringlinge unsichtbare Sicherheitstechnik. Darüber hinaus wachsen gegenwärtig die Umsätze für IR-LEDs aufgrund der steigenden Nachfrage für biometrische Sicherheit, Videoüberwachungsanlagen und innovative Sensortechnologie. Die InGaAs-Halbleitertechnologie liefert aktuell kompakte Fotodioden und Kamerachips im Nah-Infrarot-Bereich von 900 Nanometern bis 1700 Nanometern. Die Herstellung von LEDs mit hohen optischen Strahlungsleistungen im NIR ist wirtschaftlich sehr attraktiv, da dieser Wellenlängenbereich zunehmend auch in der Medizintechnik für bildgebende Diagnoseverfahren eingesetzt wird. NIR-Bilder geben Einblick in die Gewebeeigenschaften wie den Wassergehalt, Temperatur oder chemische Komponenten und können helfen, zum Beispiel Entzündungen oder Kreislaufstörungen schnell aufzudecken. NIR-LEDs mit hohen optischen Strahlungsleistungen adressieren innovative Anwendungen im Bereich Verkehrssicherheitstechnik, wie zum Beispiel die Erkennung von vereisten und nassen Fahrbahnen sowie die sensorgestützte Wahrnehmung von Fußgängern. Im Bereich Nanophotonik werden transparente und elektrisch leitfähige Indiumoxid-Schichten eingesetzt, um den Stromeintrag in Indiumphosphid-basierte Fabry-Perot Mikrolaser zu realisieren.
