DE112006001084B4

DE112006001084B4 - Licht emittierende Bauelemente mit aktiven Schichten, die sich in geöffnete Grübchen erstrecken

Info

Publication number: DE112006001084B4
Application number: DE112006001084.0T
Authority: DE
Inventors: David Todd Emerson; Michael John Bergmann
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: CreeLED Inc
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: US7611917B2; TWI437723B; TW200638563A; US7446345B2; US20090029493A1; DE112006001084T5; JP2012138626A; JP5603366B2; JP5415756B2; JP2008539585A; US20060246612A1; WO2006118623A1

Abstract

Licht emittierendes Bauelement, das folgendes aufweist:
eine Grübchenerweiterungsschicht, die eine Vielzahl von offenen Grübchen (310) aufweist, die eine Schraubenversetzung an ihrem Kern aufweisen;
einen aktiven Bereich (18), der eine Vielzahl von Schichten auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der Grübchenerweiterungsschicht aufweist, wobei der aktive Bereich (18) eine Vielzahl von Quantenmulden aufweist;
eine Lochinjektionsschicht (42) auf dem aktiven Bereich (18) gegenüber der Grübchenerweiterungsschicht, wobei die Lochinjektionsschicht (42) konfiguriert ist, Löcher in die Vielzahl der Quantenmulden zu injizieren; und
eine Kontaktschicht (32) auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der Lochinjektionsschicht (42) gegenüber dem aktiven Bereich (18) und sich in die Grübchen (310) hinein erstreckend, wobei die Kontaktschicht (32) GaN aufweist, und die Lochinjektionsschicht (42) AlGaN aufweist;
wobei sich Schichten der Quantenmulden und der Lochinjektionsschicht (42) in die Grübchen (310) hinein erstrecken, ohne die Grübchen (310) zu verschließen, und wobei die Kontaktschicht (32) die Grübchen (310) verschließt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft mikroelektronische Bauelemente und Herstellungsverfahren dafür und speziell Konstruktionen, die in Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterbauelementen wie etwa Leuchtdioden (LEDs) verwendet werden können.
Hintergrund der Erfindung
Leuchtdioden werden in Anwendungen für Verbraucher und Gewerbe in großem Umfang eingesetzt. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, weist eine Leuchtdiode im Allgemeinen einen Diodenbereich auf einem mikroelektronischen Substrat auf. Das mikroelektronische Substrat kann beispielsweise Galliumarsenid, Galliumphosphid, Legierungen davon, Siliziumcarbid und/oder Saphir aufweisen. Weiterentwicklungen in LEDs führten zu hochwirksamen und mechanisch robusten Lichtquellen, die das Spektrum sichtbaren Lichts und darüber hinaus abdecken können. Diese Attribute in Verbindung mit der potentiell langen Lebensdauer von Festkörperbauelementen können zahlreiche neue Display-Anwendungsgebiete ermöglichen und LEDs in eine Position bringen, in der sie mit der längst gut eingeführten Glühlampe konkurrieren können.
Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von LEDs auf der Basis von Gruppe-III-Nitrid wie etwa LEDs auf der Basis von Galliumnitrid tritt bei der Herstellung von Galliumnitrid hoher Güte auf. Typischerweise werden Galliumnitrid-LEDs auf Saphir- oder Siliziumcarbid-Substraten hergestellt. Diese Substrate können in Fehlanpassungen zwischen dem Kristallgitter des Substrats und dem Galliumnitrid resultieren. Es wurden verschiedene Techniken angewandt, um potentielle Probleme beim Aufwachsen von Galliumnitrid auf Saphir und/oder Siliziumcarbid zu überwinden.
Beispielsweise kann Aluminiumnitrid (AIN) als Puffer zwischen einem Siliziumcarbid-Substrat und einer aktiven Schicht der Gruppe III, speziell einer aktiven Galliumniitridschicht verwendet werden. Typischerweise ist jedoch Aluminiumnitrid eher isolierend als leitfähig. Daher erfordern Strukturen mit Aluminiumnitrid-Pufferschichten typischerweise Kurzschlußkontakte, welche den Aluminiumnitridpuffer umgehen, um das leitfähige Siliziumcarbid-Substrat mit der aktiven Gruppe-III-Nitridschicht elektrisch zu koppeln.
Als Alternative können leitfähige Pufferschichtmaterialien wie Galliumnitrid (GaN), Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) oder Kombinationen von Galliumnitrid und Aluminium-Galliumnitrid es möglich machen, daß die typischerweise mit AIN-Pufferschichten verwendeten Kurzschlußkontakte entfallen können. Typischerweise wird durch das Weglassen des Kurzschlußkontakts die Dicke der Epitaxialschicht verringert, die Anzahl von Fertigungsschritten wird verringert, die zum Herstellen von Bauelementen notwendig sind, die Gesamtgröße der Chips wird reduziert, und/oder der Wirkungsgrad der Bauelemente wird gesteigert. Somit können Gruppe-III-Nitrid-Bauelemente mit geringeren Kosten und höherem Leistungsvermögen hergestellt werden. Obwohl also diese leitfähigen Puffermaterialien die genannten Vorteile bieten können, ist die Übereinstimmung ihres Kristallgitters mit Siliziumcarbid weniger zufriedenstellend als diejenige von Aluminiumnitrid.
Die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten bei der Bereitstellung von Galliumnitrid hoher Güte können in einem verringerten Wirkungsgrad des Bauelements resultieren. Versuche, die Ausgangsleistung von Bauelementen auf der Basis von Gruppe-III-Nitrid zu verbessern, umfassen unterschiedliche Konfigurationen der aktiven Bereiche der Bauelemente. Diese Versuche umfassen beispielsweise den Einsatz von aktiven Bereichen mit Einzel- und/oder Doppel-Heterostruktur. Ebenso sind Quantenmulden-Bauelemente mit einer oder mehreren Gruppe-III-Nitrid-Quantenmulden beschrieben worden.
Eine Charakteristik von Galliumnitrid, die typischerweise mit geringer Güte in Verbindung gebracht wird, ist die Anwesenheit von Dislokations- bzw. Versetzungsfehlem. Diese Fehler erscheinen häufig als „V“-Formen oder Krater bzw. Grübchen, welche die Versetzung umgeben. Historisch hat Cree, Inc. versucht, möglichst viele dieser Grübchen vor der Ausbildung des aktiven Bereichs des Bauelements zu schließen, weil angenommen wurde, daß sie Leistungsattribute des Bauelements wie Ausgangsleistung und Stabilität verschlechterten. Zu diesem Zweck wurde eine „Grübchenschließschicht“ verwendet, um die Grübchen vor der Ausbildung des aktiven Bereichs des Bauelements zu schließen. Frühere LEDs von Cree enthielten eventuell einige Grübchen, die sich durch den aktiven Bereich erstreckten, es wurden aber Anstrengungen unternommen, die Zahl der Grübchen, die sich durch den aktiven Bereich erstreckten, zu verringern. Diese früheren Cree-LEDs enthielten beispielsweise die Multi-Quantenmulden-LEDs, die in dem US-Patentdokument US 2003 / 0 006 418 A1 , veröffentlicht am 9. Januar 2003, und in den US-PS'en US 6 664 560 B2 und US 6 734 033 B2 beschrieben sind, die gemeinsam auf Cree-Inc. übertragen sind.
Zusätzlich zu den Anstrengungen, die zum Schließen der sich an Versetzungen ausbildenden Grübchen unternommen wurden, beschreiben die US-PS'en US 6 329 667 B1 und US 6 693 303 B2 allgemein die Trennung aktiver Schichten von Versetzungen durch Bilden einer Sperrschicht in dem Grübchen, welche die aktive(n) Schicht(en) von der Versetzung trennt. Wie beispielsweise in der Zusammenfassung der US-PS US 6 693 303 B2 beschrieben wird, besteht ein Nitrid-Halbleiterbauelement aus Gruppe-III-Nitrid-Halbleitern. Das Bauelement weist eine aktive Schicht und eine Sperrschicht auf, die aus einem vorbestimmten Material gebildet und der aktiven Schicht benachbart vorgesehen ist. Die Sperrschicht hat einen größeren Bandabstand als die aktive Schicht. Außerdem weist das Bauelement einen Sperrbereich aus dem vorbestimmten Material auf, der eine Schraubenversetzung in der aktiven Schicht umgeben soll.
Das Stand der Technik Dokument WO 2004/ 057 680 A1 offenbart einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper, enthaltend eine Pufferschicht mit einer Haupterstreckungsebene und einer Oberfläche, die in lateraler Richtung in Normalbereiche und Defektbereiche unterteilt ist, wobei in den Defektbereichen das darunterliegenden Kristallgefüge Defekte aufweist, wobei die Oberfläche in den Normalbereichen parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildet und in den Defektbereichen in schräg zur Haupterstreckungsebene angeordnete Facetten unterteilt ist, und auf die Oberfläche der Pufferschicht mindestens ein Quantenfilm aufgebracht ist mit einer Bandlücke, die in den Defektbereichen größer ist als in den Normalbereichen der Oberfläche.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch das Licht emittierende Bauelement nach den Ansprüchen 1 und 26, sowie das Verfahren zum Herstellen eines Licht emittierenden Bauelements nach Anspruch 40 definiert.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Licht emittierende Bauelemente und Verfahren zum Herstellen von Licht emittierenden Bauelementen, die einen aktiven Bereich mit einer Vielzahl von Schichten und einen Grübchenöffnungsbereich aufweisen, auf dem der aktive Bereich angeordnet ist. Der Grübchenöffnungsbereich ist so ausgebildet, daß er offene Grübchen vorsieht durch Erweitern einer Öffnungsgröße einer Vielzahl von Grübchen auf eine Größe, die ausreichend ist, damit sich die Vielzahl von Schichten des aktiven Bereichs in die Grübchen hinein erstrecken.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der aktive Bereich eine Vielzahl von Quantenmulden und eine Lochinjektionsschicht auf. Schichten der Quantenmulden und die Lochinjektionsschicht erstrecken sich in die Grübchen. Die Grübchen bleiben durch die Quantenmulden und die Lochinjektionsschicht hindurch offen. Auf der Lochinjektionsschicht ist eine Kontaktschicht vorgesehen , die sich in die Grübchen erstreckt. Die Kontaktschicht schließt die Grübchen.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der Grübchenöffnungsbereich eine Supergitterstruktur auf. Bei anderen Ausführungsformen kann der Grübchenöffnungsbereich vollständig GaN oder AlGaN sein.
Die Grübchen umgeben entsprechende Versetzungen, und die Vielzahl von Schichten erstrecken sich zu den jeweiligen Versetzungen. Wenigstens eines der Grübchen der Vielzahl von Grübchen kann in einer Schicht seinen Ursprung haben, die zwischen dem Grübchenöffnungsbereich und einem Substrat liegt, auf dem der Grübchenöffnungsbereich vorgesehen ist.
Bei zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die aktiven Schichten aktive Gruppe-III-Nitridschichten auf. Bei einigen Ausführungsformen sind der Grübchenöffnungsbereich und die aktiven Schichten auf einem SiC-Substrat vorgesehen. Bei anderen Ausführungsformen sind der Grübchenöffnungsbereich und die aktiven Schichten auf einem Saphirsubstrat vorgesehen.
Bei weiteren Ausführungsformen weist das Licht emittierende Bauelement eine Leuchtdiode auf GaN-Basis auf. Das Licht emittierende Bauelement kann eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm haben. Bei einigen Ausführungsformen hat das Licht emittierende Bauelement eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Chipgröße, von wenigstens ungefähr 0,30 µW/µm² oder sogar 0,33 µW/µm². Bei einigen Ausführungsformen hat das Licht emittierende Bauelement eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,50 µW/µm², und bei weiteren Ausführungsformen eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Chipgröße, von wenigstens ungefähr 0,56 µW/µm² oder sogar 0,62 µW/µm². Bei weiteren Ausführungsformen hat das Licht emittierende Bauelement eine Kontaktfläche von wenigstens 600.000 µm² und eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,24 µW/µm², und bei manchen Ausführungsformen eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,29 µW/µm² oder sogar 0,34 µW/µm².
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm. Das Licht emittierende Bauelement kann eine Strahlungsleistung, normalisiert auf die Chipgröße, von wenigstens ungefähr 0,1 µW/µm² und bei einigen Ausführungsformen eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Chipgröße, von wenigstens ungefähr 0,13 µW/µm² haben. Das Licht emittierende Bauelement kann eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,19 µW/µm² und bei einigen Ausführungsformen eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,25 µW/µm² haben.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Licht emittierende Bauelemente auf Gruppe-III-Nitridbasis und Verfahren zum Herstellen von Licht emittierenden Gruppe-III-Nitrid-Bauelementen bereit, die aufweisen: eine Grübchenerweiterungsschicht, die eine Vielzahl von Grübchen hat, die eine Schraubenversetzung an ihrem Kern aufweisen, einen aktiven Bereich auf Gruppe-III-Nitrid-Basis auf der Grübchenerweiterungsschicht, wobei der aktive Bereich eine Vielzahl von Schichten aufweist, die sich in die Grübchen erstrecken, eine p-leitfähige Gruppe-III-Nitridschicht auf dem aktiven Bereich gegenüber der Grübchenerweiterungsschicht, die sich in die Grübchen erstreckt, eine sich in die Grübchen hinein erstreckende Kontaktschicht auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der p-leitfähigen Gruppe-III-Nitridschicht gegenüber dem aktiven Bereich auf Gruppe-III-Nitridbasis, wobei die Kontaktschicht die Grübchen verschließt, wobei die Kontaktschicht GaN aufweist, und die p-leitfähige Gruppe-III-Nitridschicht AlGaN aufweist; sowie erste und zweite Kontakte, die den aktiven Bereich elektrisch kontaktieren. Das Licht emittierende Bauelement hat eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von größer als 0,5 µW/µm² bei einer dominanten Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm oder größer als 0,19 µW/µm² bei einer dominanten Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm hat, kann das Licht emittierende Bauelement eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,56 µW/µm² und bei einigen Ausführungsformen eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,62 µW/µm² haben.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm hat, kann das Licht emittierende Bauelement eine Strahlungsleistung, normalisiert auf Kontaktgröße, von wenigstens ungefähr 0,25 µW/µm² haben.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der aktive Bereich eine Vielzahl von Quantenmulden auf. Ferner kann die Grübchenöffnungsschicht eine Gruppe-III-Nitrid-Supergitterstruktur haben. Bei einigen Ausführungsformen umgibt das Grübchen eine Versetzung, und die Vielzahl von Schichten erstrecken sich zu der Versetzung.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat wenigstens eines der Grübchen der Vielzahl von Grübchen seinen Ursprung in einer Schicht, die zwischen der Grübchenöffnungsschicht und einem Substrat angeordnet ist, auf dem die Grübchenöffnungsschicht vorgesehen ist. Ferner kann das Licht emittierende Bauelement ein SiC-Substrat aufweisen, und die Grübchenöffnungsschicht ist auf dem SiC-Substrat angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen weist das Licht emittierende Bauelement ein Saphirsubstrat auf, und die Grübchenöffnungsschicht ist auf dem Saphirsubstrat angeordnet.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen Verfahren zum Herstellen von Licht emittierenden Bauelementen folgendes auf: Steuern der Aufwachsbedingungen einer Schicht aus Halbleitermaterial zum Erreichen einer geringen Mobilität von Spezies auf einer Aufwachsoberfläche einer Schicht, auf der aktive Schichten des Licht emittierenden Bauelements gezüchtet werden, um so Grübchen an Schraubenversetzungen in der Halbleitermaterialschicht zu erweitern, Züchten der aktiven Schichten so, daß sie sich in die Grübchen in der Halbleitermaterialschicht erstrecken, und Züchten einer Lochinjektionsschicht auf die aktiven Schichten, um sich in die Grübchen zu erstrecken, und Züchten einer Kontaktschicht auf den aktiven Schichten so, dass sie sich in die Grübchen erstreckt und die Grübchen verschließt, wobei die Kontaktschicht GaN aufweist, und die Lochinjektionsschicht AlGaN aufweist.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist das Licht emittierende Bauelement ein Licht emittierendes Bauelement auf Gruppe-III-V-Basis auf, und die Steuerung der Aufwachsbedingungen weist die Steuerung des V/III-Verhältnisses und/oder der Aufwachstemperatur auf. Die Halbleiterschicht kann eine Gruppe-III-Nitrid-Supergitterschicht aufweisen, die bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 1000 °C in einer stickstoffhaltigen Umgebung gewachsen ist.
Bei zusätzlichen Ausführungsformen umfassen die Verfahren das Aufwachsen einer Kontaktschicht auf die aktiven Schichten, um sich in die Grübchen zu erstrecken. Die Kontaktschicht wächst so auf, daß sie die Grübchen verschließt. Die Halbleitermaterialschicht kann auf einem SiC- oder Saphirsubstrat wachsen.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Verfahren zum Herstellen von Licht emittierenden Bauelementen bereit, die folgendes aufweisen: Bilden einer Grübchenöffnungsschicht, um so das Öffnen von Grübchen zu verstärken, die mit Versetzungen in der Grübchenöffnungsschicht einhergehen, Bilden eines aktiven Bereichs auf der Grübchenöffnungsschicht, wobei der aktive Bereich eine Vielzahl von Schichten aufweist, die sich in die durch die Grübchenöffnungsschicht geöffneten Grübchen erstrecken, und Bilden einer Lochinjektionsschicht auf dem aktiven Bereich, wobei sich die Lochinjektionsschicht in die Grübchen erstreckt. Eine Kontaktschicht wird ebenfalls auf der Lochinjektionsschicht gebildet, wobei sich die Kontaktschicht in die Grübchen erstreckt. Die Kontaktschicht wird gebildet, um die Grübchen zu verschließen.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die Bildung eines aktiven Bereichs das Bilden eines aktiven Bereichs auf, der eine Vielzahl von Gruppe-III-Nitrid-Quantenmuldenschichten aufweist, die sich in die Grübchen erstrecken. Das Bilden einer Grübchenöffnungsschicht kann die Bildung eines Gruppe-III-Nitrid-Supergitters bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 1000 °C in einer Stickstoffumgebung aufweisen.
Bei weiteren Ausführungsformen weisen die Licht emittierenden Bauelemente Licht emittierende Bauelemente auf Gruppe-III-Nitridbasis auf. Die Grübchenöffnungsschicht kann auf einem Siliziumcarbidsubstrat oder einem Saphirsubstrat gebildet sein.
Weitere Ausführungsformen der vorliegende Erfindung sehen Licht emittierende Bauelemente und Verfahren zur Herstellung von Licht emittierenden Bauelementen vor, die folgendes aufweisen: einen aktiven Bereich, eine Kontaktschicht auf dem aktiven Bereich und einen Grübchenöffnungsbereich, auf dem der aktive Bereich und die Kontaktschicht angeordnet sind. Der Grübchenöffnungsbereich ist so konfiguriert, daß offene Grübchen gebildet werden durch Erweitern einer Größe von Öffnungen einer Vielzahl von Grübchen auf eine Größe, die ausreicht, damit sich die Kontaktschicht in die Grübchen erstrecken kann. Der aktive Bereich erstreckt sich eventuell nicht in die Grübchen. Die Kontaktschicht weist p-leitfähiges AlGaN und/oder GaN auf.
Figurenliste
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in:

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Gruppe-III-Nitrid-Leuchtdiode, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Bereichs der Gruppe-III-Nitrid-Leuchtdiode von 1;
3 zeigt Transmissionselektronenmikroskop- bzw. TEM-Bilder von Grübchen, die sich durch den aktiven Bereich eines Bauelements erstrecken;
4 ist ein schematischer Querschnitt einer Teststruktur, die zur Charakterisierung von Grübchen dient;
5A und 5B sind Abbildungen von Grübchen aufweisenden Bauelementen mit und ohne eine Grübchen verschließende Schicht; und
6A und 6B sind Diagramme von Fotolumineszenzdaten bzw. Elektrolumineszenzdaten für Strukturen mit Grübchen und mit reduzierten Grübchen, wie sie in den 5A und 5B zu sehen sind.

Genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht durch die hier angegebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese Ausführungsformen dienen der gründlichen und vollständigen Offenbarung und geben für den Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig wieder. In den Zeichnungen sind die Dicken von Schichten und Bereichen der Klarheit halber übertrieben dargestellt. Gleiche Elemente sind durchweg mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im vorliegenden Zusammenhang umfaßt der Ausdruck „und/oder“ sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen angegebenen Objekte.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und bedeutet keine Einschränkung der Erfindung. Dabei sollen die Singularformen von „ein“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen umfassen, wenn im Zusammenhang nichts anderes gesagt wird. Ferner versteht es sich, daß der Ausdruck „aufweisen“ in der vorliegenden Beschreibung die Anwesenheit von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten bedeutet, jedoch die Anwesenheit oder Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließt.
Es versteht sich, daß dann, wenn gesagt wird, daß ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat sich „auf“ oder „an“ einem anderen Element befindet oder sich „auf dieses“ oder „auf diesem“ erstreckt, das Element sich entweder direkt auf dem anderen Element befinden oder sich direkt auf diesem erstrecken kann oder daß dazwischen befindliche Elemente ebenfalls vorhanden sein können. Wenn dagegen gesagt wird, daß ein Element „direkt auf“ einem anderen Element ist oder sich „direkt auf dem“ oder „direkt auf das“ andere Element erstreckt, dann sind keine dazwischen befindlichen Elemente vorhanden. Ferner versteht es sich, daß dann, wenn es heißt, daß ein Element mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ ist, es mit dem anderen Element entweder direkt verbunden oder gekoppelt ist oder dazwischen befindliche Elemente vorhanden sein können. Wenn es dagegen heißt, daß ein Element mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ ist, dann sind keine dazwischen befindlichen Elemente vorhanden. Gleiche Elemente sind in der gesamten Beschreibung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es versteht sich, daß zwar die Ausdrücke erstes, zweites usw. verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, aber diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte sind durch diese Ausdrücke nicht eingeschränkt. Diese Ausdrücke dienen nur der Unterscheidung zwischen einem Element, einer Komponente, einem Bereich, einer Schicht oder einem Abschnitt gegenüber einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt Somit könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die nachstehend erläutert werden, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweichen.
Ferner können relative Ausdrücke wie „unten“ oder „zuunterst“ oder „oben“ oder „zuoberst“ verwendet werden, um die Beziehung eines Elements zu anderen Elementen zu beschreiben, wie in den Figuren zu sehen ist. Es versteht sich, daß relative Ausdrücke verschiedene Orientierungen des Bauelemente zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung umfassen sollen. Wenn beispielsweise das Bauelement in den Figuren umgedreht wird, wären Elemente, die als an der „unteren“ Seite von anderen Elementen beschrieben wurden, dann an „oberen“ Seiten der anderen Elemente. Der beispielhafte Ausdruck „unter..“ kann daher sowohl eine Orientierung von „unter..“ als auch „ober..“ umfassen, was von der speziellen Orientierung der Figur abhängig ist. Wenn das Bauelement in einer der Figuren umgedreht wird, wären gleichermaßen Elemente, die als „unterhalb“ oder „unter“ anderen Elementen beschrieben wurden, dann „über“ den anderen Elementen orientiert. Die beispielhaften Ausdrücke „unter“ oder „unterhalb“ können daher eine Orientierung sowohl oberhalb als auch unterhalb umfassen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf Querschnittsdarstellungen beschrieben, die schematische Darstellungen von idealisierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind. Daher sind Abweichungen von der Gestalt der Darstellungen beispielsweise als Ergebnis von Herstellungstechniken und/oder -toleranzen zu erwarten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollten daher nicht als auf die speziellen Formen von hier gezeigten Bereichen beschränkt sein, sondern umfassen Abweichungen der Gestalt, die sich beispielsweise bei der Herstellung ergeben. Beispielsweise hat ein geätzter Bereich, der als Rechteck gezeigt oder beschrieben ist, typischerweise gerundete oder gewölbte Ausbildungen. Die in den Figuren gezeigten Bereiche sind daher schematisch, und ihre Formen sollen nicht die genaue Form oder Gestalt eines Bereichs eines Bauelements zeigen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
Wenn nichts anderes gesagt wird, haben alle hier verwendeten Ausdrücke (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Ausdrücke) die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Erfindung verstanden wird. Außerdem versteht es sich, daß Ausdrücke, wie sie in allgemein verwendeten Lexika definiert sind, so zu interpretieren sind, daß ihre Bedeutung mit ihrer Bedeutung im Kontext des betreffenden technischen Gebiets und der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt, und sie sollen nicht in einem idealisierten oder zu formellen Sinn interpretiert werden, wenn sie hier nicht ausdrücklich so definiert sind.
Es versteht sich außerdem für den Fachmann, daß Bezugnahmen auf eine Struktur oder ein Merkmal, das „nahe“ einem anderen Merkmal angeordnet ist, Bereiche haben kann, die das nahe Merkmal überlappen oder unter diesem liegen.
Zahlreiche hier gezeigte Ausführungsformen von LEDs weisen zwar ein Substrat auf, es versteht sich aber für den Fachmann, daß das epitaxial aufgewachsene kristalline Substrat, auf das die eine LED aufweisenden epitaxialen Schichten aufwachsen, entfernt werden kann, und die freiliegenden expitaxialen Schichten können auf einem Ersatz-Trägersubstrat oder einer Montagebasis angeordnet sein, die bessere thermische, elektrische, strukturelle und/oder optische Eigenschaften als das ursprüngliche Substrat hat. Die hier beschriebene Erfindung ist nicht auf Strukturen beschränkt, die epitaxial aufgewachsene kristalline Substrate haben, und kann in Verbindung mit Strukturen verwendet werden, bei denen die epitaxialen Schichten von ihren ursprünglichen Aufwachs-Substraten entfernt und mit Ersatz-Trägersubstraten verbunden worden sind.
Wie oben erörtert wurde, weisen Licht emittierende Bauelemente auf Nitridbasis auf Saphir- oder SiC-Substraten Schraubenversetzungen auf. Diese Schraubenversetzungen können Grübchen mit einer Schraubenversetzung am Kern des Grübchens erzeugen. Das Grübchen stammt von der Schraubenversetzung. Wie oben gesagt wird, wurden diese Grübchen historisch als schädlich für das Betriebsverhalten des Bauelements angesehen, und eine Schicht wurde gezüchtet, um die Grübchen zu verschließen. Die Grübchen können verschlossen werden, weil eine Änderung der Aufwachsbedingungen die Größe eines Grübchens beeinflussen kann. Es wurde jedoch entdeckt, daß die Leistungsfähigkeit von auf Nitrid basierenden Licht emittierenden Bauelementen verbessert werden kann, indem die Grübchen geöffnet anstatt verschlossen werden. Ein Grübchen, das offen ist, erscheint bei Betrachtung in einem REM oder mittels einer anderen Technik als ein „V“. Ein Grübchen wird als offen angesehen, wenn wenigstens ein Teil der aktiven Schicht des Licht emittierenden Bauelements sich in das Grübchen erstreckt. Daher sehen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Öffnen von Grübchen in einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement vor.
Das Öffnen der Grübchen kann erreicht werden durch Steuerung der Aufwachsbedingungen einer Schicht oder von Schichten, die aufwachsen, nachdem ein Grübchen eine Schraubenversetzung bildet. Aufwachsbedingungen, die ein Öffnen von Grübchen oder eine Erweiterung bewirken, haben typischerweise geringe Beweglichkeit der Spezies auf der Aufwachsoberfläche (z. B. ein hohes V/III-Verhältnis und/oder eine niedrige Aufwachstemperatur). Beispiele von Bedingungen, unter denen ein Öffnen der Grübchen erfolgen kann, werden nachstehend im einzelnen beschrieben. Es kann jedoch jedes geeignete Verfahren zum Öffnen von Grübchen angewandt werden, damit aktive Schichten des Bauelements sich in die Grübchen erstrecken.
Die tatsächliche Anzahl von Grübchen, die hinreichend geöffnet sind, so daß sich aktive Schichten in die Grübchen erstrecken, kann kleiner als 5 % der Gesamtanzahl von Grübchen sein. Helligkeitssteigerungen können gegenüber herkömmlichen Strukturen erreicht werden, die ein Verschließen von Grübchen selbst dann versuchen, wenn eine relativ geringe Anzahl der Grübchen offen ist. Beispielsweise kann eine typische Pufferschicht auf einem SiC-Substrat für ein Licht emittierendes Bauelement 2-4×10⁹ Grübchen haben, und eine Helligkeitssteigerung kann zu sehen sein, wenn 1×10⁸ offen sind oder 1×10⁹ offen sind.
Einige exemplarische Ausführungsformen sehen Grübchenöffnungsschichten vor, die so gebildet sind, daß die Größe der Grübchen erweitert wird, so daß aktive Schichten des Bauelements sich in die Grübchen erstrecken. Die aktiven Schichten, die sich in die Grübchen erstrecken, können Muldenschichten und Lochinjektionsschichten aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen können Muldenschichten, Lochinjektionsschichten und Kontaktschichten in die offenen Grübchen hinein gezüchtet werden. Die Grübchen können in vielen verschiedenen Stellen in der Struktur des Licht emittierenden Bauelements gebildet sein. Beispielsweise können die Grübchen in einer Pufferschicht (Pufferschichten) zwischen der Grübchenöffnungsschicht und einem Substrat oder in der Grübchenöffnungsschicht selbst gebildet werden. So können die Grübchen in einer anderen als einer Lichterzeugungsschicht geöffnet werden und können durch eine Lichterzeugungsschicht hindurch offen gehalten werden. Die Grübchen können von einer Schicht verschlossen werden, die auf die Lichterzeugungsschichten folgt, beispielsweise von einer Kontaktschicht. Anschließendes Verschließen von Grübchen, nachdem sich die aktiven Schichten in die Grübchen hinein erstrecken, kann die Robustheit des Bauelements verbessern, indem beispielsweise die Güteverlustrate des Bauelements reduziert wird, oder können die Toleranz des Bauelements gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) verbessern.
Durch Öffnen von Grübchen in einem Licht emittierenden Bauelement, so daß die aktiven Schichten sich in die Grübchen an den Seitenwänden der Grübchen erstrecken, kann die Durchlaßspannungscharakteristik (V_f) des Licht emittierenden Bauelements reduziert werden. Ferner kann eine Erstreckung der aktiven Schichten in die Grübchen auch den optischen Wirkungsgrad und/oder den Konversionsgrad (wall-plug efficiency) steigern.
Ohne Festlegung auf irgendeine bestimmte Betriebstheorie können die Lochinjektionsschichten und aktiven Schichten näher zueinander gebracht werden, indem die aktiven Schichten so gebildet werden, daß sie sich in die Grübchen und an den Seitenwänden der Grübchen erstrecken. Eine Erweiterung der aktiven Schichten des Bauelements in die Grübchen kann ferner die Übergangsfläche vergrößern.
3 zeigt TEM-Abbildungen von Grübchen, die aktive Schichten, Verkappungs- bzw. Deckschichten, Lochinjektionsschichten und p-Kontaktschichten haben, die sich in die Grübchen erstrecken. Wie 3 zeigt, erstrecken sich die Grübchen von einer Supergitterstruktur am unteren Teil der Bilder durch eine Multi-Quantenmuldenstruktur, wo die Schichten der Quantenmulden sich in die Grübchen erstrecken und mit einer p-leitfähigen Lochinjektionsschicht und einer p-leitfähigen Kontaktschicht ausgefüllt sind. Wegen der konischen Gestalt des Grübchens ist ein Querschnitt des Grübchens sichtbar, der die sich in das Grübchen erstreckenden Schichten des aktiven Bereichs unklar macht, aber eine genaue Betrachtung durch den Fachmann zeigt, daß sich aktive Schichten in 3 tatsächlich in das Grübchen erstrecken und die deutlich sichtbaren Versetzungen umgeben.
Zur weiteren Charakterisierung der Grübchen wurden Teststrukturen und LEDs gezüchtet, geeignetenfalls zu Test-LEDs gefertigt und charakterisiert. Teststrukturen entsprechen den in 4 gezeigten Strukturen. In diesem Fall ist die LED-Struktur von 1 (nachstehend im einzelnen beschrieben) auf einem Substrat angeordnet, aber die Deck-, Lochinjektions- und p-leitfähigen Schichten sind weggelassen. Die optischen Eigenschaften der Teststrukturen wurden unter Anwendung von Raumtemperatur-Photolumineszenz (RTPL) charakterisiert, und die Oberflächenmorphologie wurde unter Anwendung der Rasterelektronenmikroskopie bzw. REM charakterisiert. Die LED-Struktur entspricht der in 1 gezeigten, und die Strukturen wurden charakterisiert unter Anwendung eines relativen Elektrolumineszenz-„Quicktests“, wobei die Elektrolumineszenzeigenschaften von LED-Strukturen entweder qualitativ miteinander oder empirisch mit Daten von fertig gebauten Lampen verglichen werden können, wobei dieser Test jedoch für sich nicht die tatsächliche Ausgangsleistung des LED-Chips oder der LED-Leuchte repräsentiert.
Die 5A und 5B sind Draufsichten auf REM-Abbildungen von aktiven Schichten, die in der in 4 gezeigten Schichtfolge aufgebracht sind. 5A ist eine Abbildung eines Schichtstapels mit einer korrekt aufgebrachten Grübchen-Öffnungsschicht, wogegen 5B eine Abbildung eines Schichtstapels mit einer inkorrekt aufgebrachten Grübchen-Öffnungsschicht ist. Beide Strukturen haben zwar gleiche Grübchendichte, da diese jedoch größtenteils durch die der Pufferschicht zugeordnete Dichte der Schraubenversetzung bestimmt ist, sind die Grübchen in der in 5A gezeigten Struktur erheblich größer als die Grübchen in 5B.
6A ist ein Diagramm von Photolumineszenzdaten für Teststrukturen mit offenen Grübchen und Teststrukturen mit geschlossenen Grübchen. Wie 6A zeigt, gibt es keinen Unterschied der relativen Photolumineszenzstärke, wenn die Struktur mit offenen Grübchen mit der Struktur mit geschlossenen Grübchen verglichen wird. 6B ist ein Diagramm von Photolumineszenzdaten für Bauelemente mit offenen Grübchen und Bauelemente mit geschlossenen Grübchen. Wie in 6B zu sehen ist, zeigen die Elektrolumineszenzdaten deutlich, daß die Strukturen mit offenen Grübchen einen erheblich höheren optischen Wirkungsgrad als die Struktur mit geschlossenen Grübchen haben.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, die eine Licht emittierende Diodenstruktur bzw. LED-Struktur 100 zeigt. Die LED-Struktur 100 von 1 weist ein Substrat 10 auf, das bei einigen Ausführungsformen bevorzugt n-leitfähiges 4H- oder 6H-Siliziumcarbid ist. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 10 ein SiC-Substrat mit einer Dicke von ungefähr 50 bis ungefähr 800 µm und bei einigen Ausführungsformen ungefähr 100 µm. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 10 auch ein Saphir-, Volumen-alliumnitrid- oder anderes geeignetes Substrat aufweisen.
In der LED-Struktur 100 von 1 ist ferner eine geschichtete Halbleiterstruktur vorgesehen, die Halbleiterschichten auf Galliumnitrid-Basis auf dem Substrat 10 aufweist. Dabei weist die gezeigte LED-Struktur 100 die folgenden Schichten auf: eine leitfähige Pufferschicht 11, eine erste siliziumdotierte GaN-Schicht 12, eine Supergitterstruktur 16, die Schichten aus siliziumdotiertem GaN und/oder InGaN aufweist, einen aktiven Bereich 18, der von einer Multi-Quantenmuldenstruktur gebildet sein kann, eine undotierte InAlGaN-Schicht 40, eine AlGaN-Schicht 42, die mit einer p-leitfähigen Verunreinigung dotiert ist, und eine GaN-Kontaktschicht 32, die ebenfalls mit einer p-leitfähigen Verunreinigung dotiert ist. Ferner umfaßt die Struktur einen n-leitfähigen ohmschen Kontakt 23 auf dem Substrat 10 und einen p-leitfähigen ohmschen Kontakt 24 auf der Kontaktschicht 32. Bei einigen Ausführungsformen kann zwischen der GaN-Schicht 12 und dem Supergitter 16 eine zweite siliziumdotierte GaN-Schicht (nicht gezeigt) angeordnet sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 11 n-leitfähiges AlGaN sein. Beispiele von Pufferschichten zwischen Siliziumcarbid- und Gruppe-III-Nitridmaterialien sind angegeben in den US-PS'en US 5 393 993 A , US 5 523 589 A und US 6 459 100 B1 , die auf die Erwerberin der vorliegenden Erfindung übertragen sind und hier summarisch eingeführt werden. Gleichermaßen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Strukturen aufweisen, wie sie in der US-PS US 6 201 262 B1 mit dem Titel „Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates With Conductive Buffer Interlay Structure“ beschrieben sind, die hier ebenfalls summarisch eingeführt wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 11 mit Si dotiertes AlGaN sein und eine Dicke von ungefähr 100 bis ungefähr 10.000 Ä haben. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Dicke ungefähr 2000 Å. Die GaN-Schicht 12 kann mit Si dotiert sein und eine Dicke von ungefähr 5000 bis 50.000 Å und eine Siliziumdotierkonzentration von ungefähr 5×10¹⁷ bis ungefähr 5×10¹⁸ cm^-3 haben. Bei speziellen Ausführungsformen ist die GaN-Schicht 12 ungefähr 1800 nm dick mit einer Siliziumdotierkonzentration von ungefähr 2×10¹⁸ cm^-3.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine eventuell vorhandene GaN-Schicht (nicht gezeigt) eine Dicke zwischen ungefähr 10 und ungefähr 5000 Å haben. Die zweite GaN-Schicht (nicht gezeigt) kann mit Silizium auf eine Konzentration von 1×10¹⁷ cm^-3 bis ungefähr 5×10¹⁹ cm^-3 dotiert sein. Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Dicke dieser Schicht ungefähr 1250 Å, und die Dotierung ist ungefähr 2×10¹⁸ cm^-3.
Wie 1 zeigt, weist eine Supergitterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung alternierende Schichten aus In_xGa_1-xN und In_yGa_1-YN auf, wobei X zwischen 0 und 1 und X nicht gleich Y ist. Bei einigen Ausführungsformen ist X=0, und die Dicke jeder der alternierenden InGaN-Schichten ist ungefähr 5 bis 40 Å, und die Dicke jeder der alternierenden GaN-Schichten ist ungefähr 5 bis 100 Å. Die Supergitterstruktur 16 kann zwischen ungefähr 3 bis ungefähr 50 Perioden aufweisen (wobei eine Periode jeweils gleich einer Wiederholung der In_xGa₁ _xN- und In_yGa_1-YN-Schichten ist, welche das Supergitter bilden). Bei einer Ausführungsform weist die Supergitterstruktur 16 25 Perioden auf. Bei einer anderen Ausführungsform weist die Supergitterstruktur 16 10 Perioden auf. Die Anzahl von Perioden kann jedoch verringert werden, indem beispielsweise die Dicke der jeweiligen Schichten erhöht wird. Beispielsweise kann eine Verdoppelung der Dicke der Schichten mit der halben Anzahl von Perioden verwendet werden. Die Anzahl von Perioden kann auch erhöht werden. Alternativ können die Anzahl und die Dicke der Perioden voneinander unabhängig sein. Die Supergitterstruktur 16 kann eine Grübchen-Erzeugungsschicht vorsehen, wie sie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 im einzelnen beschrieben wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Supergitterstruktur 16 zwischen 3 und 35 Perioden von InGaN/GaN haben. Die Dicke der Perioden kann zwischen ungefähr 30 und ungefähr 100 Å sein. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind fünfundzwanzig (25) Perioden InGaN/GaN vorgesehen, wobei die Dicke einer Periode von Schichten ungefähr 50 Å und die Dicke der GaN- oder InGaN-Schicht ungefähr 10 Ä ist und die andere Schicht den Rest bildet. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die GaN-Schichten ungefähr 10 Å dick, und die InGaN-Schichten sind ungefähr 40 Å dick.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Supergitter 16 mit einer n-leitfähigen Störstelle wie Silizium mit einer Konzentration von ungefähr 1×10¹⁷ cm^-3 bis ungefähr 5×10¹⁹ cm^-3 dotiert. Eine solche Dotierungskonzentration kann eine tatsächliche oder durchschnittliche Dotierung der Schichten des Supergitters 16 sein. Wenn eine solche Dotierungskonzentration eine durchschnittliche Dotierungskonzentration ist, kann es günstig sein, dotierte Schichten nahe der Supergitterstruktur 16 vorzusehen, welche die gewünschte durchschnittliche Dotierung vorsehen, wobei die Dotierung der nahen Schichten über die nahen Schichten und die Supergitterstruktur 16 gemittelt ist.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Supergitterstruktur 16 durch eine einzige gleichförmige Schicht aus In_XGa_1.XN oder GaN ersetzt werden. Die Gesamtschichtdicke, der In-Gehalt und die Dotierungskonzentration können aus den Parametern abgeleitet werden, die oben für die Ausführungsform des Supergitter-Falles angegeben wurden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der aktive Bereich 18 eine Einzel- oder Multi-Quantenmuldenstruktur sowie einzelne oder doppelte aktive Heteroübergangsbereiche aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der aktive Bereich 18 eine Multi-Quantenmuldenstruktur auf, die eine Vielzahl von InGaN-Quantenmuldenschichten aufweist, die durch Sperrschichten voneinander getrennt sind, wie 1 zeigt.
Der aktive Bereich 18 kann eine Multi-Quantenmuldenstruktur aufweisen, die eine Vielzahl von InGaN-Quantenmuldenschichten 220 aufweist, die durch Sperrschichten 218 getrennt sind. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Sperrschichten 218 In_XGa_1-XN auf, wobei 0≤X<1. Bei einigen Ausführungsformen ist die Indiumzusammensetzung der Sperrschichten 218 geringer als diejenige der Quantenmuldenschichten 220, so daß die Sperrschichten 218 einen größeren Bandabstand als Quantenmuldenschichten 220 haben. Die Sperrschichten 218 und Quantenmuldenschichten 220 können undotiert sein (d. h. nicht gewollt mit einem Störstellenatom wie Silizium oder Magnesium dotiert sein). Es kann jedoch erwünscht sein, die Sperrschichten 218 mit Si in einer Konzentration von weniger als 5×10¹⁹ cm^-3 zu dotieren, speziell dann, wenn eine UV-Emission erwünscht ist.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die Sperrschichten 218 Al_XIn_YGa_1-X-YN auf, wobei 0<X<1, 0≤Y<1 und X+Y≤1. Durch Einschließen von Aluminium in den Kristall der Sperrschichten 218 können die Sperrschichten 218 in bezug auf das Gitter enger an die Quantenmuldenschichten 220 angepaßt werden, was eine verbesserte kristalline Güte in den Quantenmuldenschichten 220 ermöglicht, wodurch der Lumineszenzwirkungsgrad des Bauelements gesteigert werden kann.
Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der aktive Bereich 18 drei (3) oder mehr Quantenmulden auf, und bei bestimmten Ausführungsformen sind acht (8) Quantenmulden vorgesehen. Im allgemeinen wird die Anzahl der Mulden erhöht, um die Gesamtausgangsleistung der LED zu steigern. Die Dicke der Quantenmuldenstrukturen kann zwischen ungefähr 30 und ungefähr 250 Å sein. Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Dicke einer Quantenmuldenstruktur ungefähr 150 Å sein, wobei die Dicke der Muldenschicht ungefähr 10 bis ungefähr 50 Å ist. Bei gewissen Ausführungsformen ist die Dicke der Quantenmuldenschichten grob 20 Å und die Dicke der Sperrschichten grob 130 Å. Der Molenbruch bzw. Stoffmengenanteil X des In in der In_XGa_1-XN-Quantenmulde wird eingestellt, um die gewünschte Wellenlängenemission der LED zu erreichen. Im Fall von 460 nm Lichtemission ist der Stoffmengenanteil X grob 0,12. Im Fall von 527 nm Lichtemission ist der Stoffmengenanteil X grob 30.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine Gruppe-III-Nitrid-Deckschicht 40, die Indium aufweist, auf dem aktiven Bereich 18 und insbesondere auf der Quantenmulde 220 des aktiven Bereichs 18 vorgesehen sein. Die Gruppe-III-Nitrid-Deckschicht 40 kann InAlGaN einer Dicke zwischen ungefähr 10 und ungefähr 320 Å aufweisen. Die Deckschicht 40 kann gleichförmige Zusammensetzung haben, aus einer Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder abgestufter Zusammensetzung bestehen. Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die Deckschicht 40 auf: eine erste Deckschicht mit einer Zusammensetzung aus In_XAl_YGa_1-X-YN, wobei 0<X≤0,2 und 0≤Y≤0,4 ist, und mit einer Dicke von ungefähr 10 bis ungefähr 200 Å, und eine zweite Deckschicht mit einer Zusammensetzung aus In_WAl_ZGa_1-W-ZN, wobei 0<W≤0,2 und Y≤Z<1 ist, und mit einer Dicke von ungefähr 10 bis ungefähr 120 Å. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat die erste Deckschicht eine Dicke von ungefähr 80 Å, X=0,1 und Y=0,25, und die zweite Deckschicht hat eine Dicke von ungefähr 30 Å, W=0,05 und Z=0,55. Die Deckschicht 40 kann bei höherer Temperatur aufwachsen als die Wachstumstemperaturen in dem aktiven Bereich, um dadurch die Kristallgüte der Schicht 40 zu verbessern. Zusätzliche Schichten von undotiertem GaN oder AlGaN können in der Nähe der Schicht 40 vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine dünne GaN-Schicht zwischen einer letzten Quantenmuldenschicht und der Deckschicht 40 vorgesehen sein. Die Deckschicht 40, die Indium aufweist, kann in bezug auf das Gitter enger an die Quantenmulden des aktiven Bereichs 18 angepaßt sein und kann einen Übergang von der Gitterstruktur des aktiven Bereichs 18 zu der Gitterstruktur der p-leitfähigen Schichten bilden. Bei richtiger Implementierung resultiert eine solche Struktur in gesteigerter Helligkeit des Bauelements.
Auf der Deckschicht 40 ist eine AlGaN-Lochinjektionsschicht 42 vorgesehen, die mit einer p-leitfähigen Störstelle wie Magnesium dotiert ist. Die AlGaN-Schicht 42 kann eine Dicke zwischen ungefähr 50 und ungefähr 2500 Å haben und ist bei speziellen Ausführungsformen ungefähr 150 Å dick. Die AlGaN-Schicht 42 kann die Zusammensetzung AlGa_1-XN haben, wobei 0≤X≤0,4. Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist X=0,23 für die AlGaN-Schicht 42. Die AlGaN-Schicht 42 kann mit Mg dotiert sein. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Schicht 42 auch Indium aufweisen.
Eine Kontaktschicht 32 aus p-leitfähigem GaN ist auf der Schicht 42 vorgesehen und kann eine Dicke zwischen ungefähr 250 und ungefähr 10.000 Å und bei einigen Ausführungsformen ungefähr 1500 Å haben. Bei manchen Ausführungsformen kann die Kontaktschicht 32 auch Indium aufweisen. Ohmsche Kontakte 24 und 23 sind auf der p-leitfähigen GaN-Kontaktschicht 32 bzw. dem Substrat 10 vorgesehen. Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der ohmsche Kontakt 24 zu dem p-leitfähigen Material ein ultradünner ohmscher Kontakt, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die in 1 gezeigte LED-Struktur eine Abstandsschicht auf, die zwischen dem Supergitter 16 und dem aktiven Bereich 18 angeordnet ist. Die Abstandsschicht kann undotiertes GaN aufweisen. Die Anwesenheit der fakultativen Abstandsschicht zwischen dem dotierten Supergitter 16 und dem aktiven Bereich 18 kann verhindern, daß Störstellen in den aktiven Bereich 18 eingeführt werden. Dadurch kann wiederum die Materialgüte des aktiven Bereichs 18 verbessert werden, wodurch ein gleichbleibenderes Betriebsverhalten und bessere Gleichförmigkeit erreicht werden.
2 ist eine detailliertere Ansicht des Teils 35 der Struktur 100 von 1 und zeigt eine Grübchenstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen ist, ist der aktive Bereich 18 der Klarheit halber als Einzelschicht dargestellt, kann aber die in 1 gezeigte Multi-Quantenmuldenstruktur sein. 2 zeigt ferner ein Grübchen 310 oder einen „V“-Defekt, der sich durch den aktiven Bereich 18 erstreckt. Die Schicht(en) des aktiven Bereichs 18 erstreckt sich entlang den Seitenwänden des Grübchens 310 und in das Grübchen 310 hinein. Bei speziellen Ausführungsformen erstrecken sich die Schichten des aktiven Bereichs 18 in das Grübchen 310 in Richtung zu einer Versetzung 300, und in manchen Fällen bis zu einer Versetzung 300, die an der Spitze des Grübchens 310 vorhanden sein kann. Somit ist an einer Seitenwand des Grübchens 310 eine Zone 320 des aktiven Bereichs 18 vorgesehen.
Ferner ist das Grübchen 310 über dem aktiven Bereich 18 offen, so daß die Lochinjektionsschicht 42 und die p-leitfähige Kontaktschicht 32 sich in das Grübchen 310 erstrecken. Ohne Festlegung auf irgendeine bestimmte Arbeitstheorie glauben die Erfinder derzeit, daß durch die in das Grübchen 310 sich erstreckende Lochinjektionsschicht 42 eine verbesserte Lochinjektion möglich ist.
Wie 2 ferner zeigt, kann das Grübchen 310 durch die p-leitfähige Kontaktschicht 32 verschlossen sein. Durch Verschließen des Grübchens 310 mit der p-leitfähigen Kontaktschicht 32 kann das Bauelement gegenüber einer Schädigung aufgrund von ESD beständiger sein und/oder eine verringerte Verschlechterung zeigen.
Das in 2 gezeigte Grübchen 310 ist zwar mit seinem Ursprung in dem Supergitter 16 gezeigt, aber das Grübchen 310 kann in einer Schicht oder in Schichten unterhalb des Supergitters 16 generiert und die Öffnung des Grübchens 310 durch das Supergitter 16 vergrößert werden. Daher sehen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Grübchenöffnungsschicht vor, wobei die Grübchen in der Grübchenöffnungsschicht oder in einer Schicht oder Schichten unterhalb der Grübchenöffnungsschicht erzeugt werden können. Somit kann das Supergitter 16 als eine Grübchenöffnungsschicht wirksam sein, welche die Größe von Öffnungen, die Grübchen in dem Supergitter 16 zugeordnet sind, erweitert oder vergrößert.
Bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Strukturen, bei denen sich die aktiven Schichten in die Grübchen hinein erstrecken, in Licht emittierenden Bauelementen vorgesehen sein, wie sie beispielsweise beschrieben sind in: US-Patentanmeldung US 2006 / 0 022 209 A1 mit dem Titel „LIGHT EMITTING DEVICES HAVING A REFLECTIVE BOND PAD AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING REFLECTIVE BOND PADS“, angemeldet am 27. Juli 2004, US 6 664 560 B2 , US-Patentanmeldung US 2006 / 0 002 442 A1 mit dem Titel „LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES“, angemeldet 30. Juni 2004, US-Patentveröffentlichung US 2003 / 0 168 663 A1 mit dem Titel „REFLECTIVE OHMIC CONTACTS FOR SILICON CARBIDE INCLUDING A LAYER CONSISTING ESSENTIALLY OF NICKEL, METHODS OF FABRICATING SAME, AND LIGHT EMITTING DEVICES INCLUDING THE SAME“; diese werden hier summarisch eingeführt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit Multi-Quantenmulden beschrieben worden, aber die Vorteile aufgrund der Lehre der vorliegenden Erfindung können auch in Einzel-Quantenmuldenstrukturen erreicht werden. Beispielsweise kann eine Licht emittierende Diode mit einem einzigen Auftreten der Struktur 18 von 1 als dem aktiven Bereich des Bauelements vorgesehen werden. Es können also zwar unterschiedliche Anzahlen von Quantenmulden gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, aber typischerweise liegt die Anzahl der Quantenmulden zwischen 1 und 16 Quantenmulden. Die Anzahl von Quantenmulden kann jedoch durch Optimierung der strukturellen Parameter des Bauelements weiter erhöht werden.
Die Herstellung von Licht emittierenden Bauelementen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein n-leitfähiges SiC-Substrat 10 kann entweder so, wie es in den US-PS'en US 4 866 005 A und US 34 861 E beschrieben wird, oder mit anderen dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden.
Die n-leitfähige AlGaN-Pufferschicht 11 kann hergestellt werden durch metallorganisches chemisches Aufdampfen bzw. MOCVD bei einer Temperatur zwischen ungefähr 950 °C und ungefähr 1075 °C und bei einigen Ausführungsformen 1025 °C, einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 333 mbar (250 Torr) und bei einigen Ausführungsformen ungefähr 133 mbar (100 Torr) und unter Verwendung von TMA, TMG und NH₃ als Ausgangsmaterialien für Al, Ga und N und Silizium als n-leitfähiger Störstelle. Die Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne besondere Experimente aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden. Ferner können die GaN-Punkte mit AlGaN-Abdeckungen zwischen dem Substrat und der AlGaN-Schicht 11 ebenfalls vorgesehen werden, wie beispielsweise in der US-PS US 6 664 560 B2 (dem '560-Patent) beschrieben wird, die hier summarisch eingeführt wird. Bei manchen Ausführungsformen kann die diskontinuierliche SiN-Schicht ebenfalls auf der AlGaN-Pufferschicht 11 vorgesehen werden, wie in dem '560-Patent beschrieben wird.
Die n-leitfähige GaN-Schicht 12 wird auf der AlGaN-Schicht 11 mittels MOCVD bei einer Temperatur zwischen ungefähr 975 °C und ungefähr 1150 °C und bei einigen Ausführungsformen von 1050 °C, einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei einigen Ausführungsformen von 267 mbar (200 Torr) und unter Verwendung von TMG und NH₃ als Ausgangsmaterialien für Ga und N und von Silizium als n-leitfähiger Störstelle gebildet. Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden.
Die Supergitterstruktur 16 kann hergestellt werden, um die Grübchenbildung an Versetzungen in der Supergitterstruktur 16 zu verstärken. Insbesondere kann die Supergitterstruktur 16 in einer Stickstoffatmosphäre und bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 900 °C gezüchtet werden. Das Aufwachsen in Stickstoff (N₂) bei Temperaturen von weniger als ungefähr 900 °C kann dazu dienen, die Grübchenbildung in dem Supergitter zu verstärken. Bei speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Supergitterstruktur 16 gebildet durch sequentielles Bilden mittels MOCVD von alternierenden Schichten von InGaN mit unterschiedlichen In-Mengen, und bei anderen Ausführungsformen wird die Supergitterstruktur 16 durch alternierende Schichten von InGaN und GaN gebildet. Die Supergitterstruktur 16 kann mittels MOCVD gebildet werden unter Verwendung von TEG oder TMG, TMIn und NH₃ mit einem V/III-Verhältnis von wenigstens 1000 als Ausgangsmaterialien und in Anwesenheit von N₂ bei einer Temperatur zwischen ungefähr 750 °C und ungefähr 900 °C und bei einigen Ausführungsformen von 840 °C und unter einem Druck von ungefähr 25 Torr bis ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei einigen Ausführungsformen ungefähr 133 mbar (100 Torr). Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden.
Die aktiven Schichten 18 werden so gebildet, daß sie sich in die Grübchen hinein erstrecken, die in der Supergitterstruktur erzeugt wurden. Bei einigen Ausführungsformen erfolgt dies durch MOCVD-Züchten von GaN- und InGaN-Schichten zur Bildung einer Serie von Quantenmuldenstrukturen, wie beispielsweise in der US-Patentveröffentlichung US 2003 / 0 006 418 A1 , veröffentlicht am 9. Januar 2003, beschrieben ist, die hier summarisch eingeführt wird. Bei speziellen Ausführungsformen kann die Quantenmuldenstruktur gebildet werden durch Züchten einer GaN-Schicht bei einer Temperatur zwischen ungefähr 800 °C und ungefähr 950 °C und bei einigen Ausführungsformen von 875 °C, einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei einigen Ausführungsformen ungefähr 133 mbar (100 Torr) unter Anwendung von TMG oder TEG und NH₃ als Ausgangsmaterialien für Ga und N mit einem V/III-Verhältnis von wenigstens 1000. Die Muldenschicht der Quantenmuldenschicht kann gebildet werden durch Aufwachsen einer InGaN-Schicht bei einer Temperatur zwischen ungefähr 680 °C und ungefähr 780 °C und bei einigen Ausführungsformen von 700 °C für 527-nm-Bauelemente und von 750 °C für 460-nm-Bauelemente, unter einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei einigen Ausführungsformen von 133 mbar (100 Torr) und unter Verwendung von TMG oder TEG, TMIn und NH₃ als Ausgangsmaterialien für In, Ga und N mit einem V/III-Verhältnis von wenigstens 1000. Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden.
Die InAlGaN-Schicht 40 kann durch MOCVD-Aufwachsen auf die aktiven Schichten 18 gebildet werden. Bei speziellen Ausführungsformen kann die InAlGaN-Schicht 40 gebildet werden durch Züchten einer InAlGaN-Schicht bei einer Temperatur zwischen ungefähr 800 °C und ungefähr 950 °C und bei manchen Ausführungsformen von 875 °C, unter einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei manchen Ausführungsformen von ungefähr 133 mbar (100 Torr) und unter Verwendung von TMIn, TMA, TEG und NH₃ als Ausgangsmaterialien für In, Al, Ga und N. Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden. Die InAlGaN-Schicht 40 kann so gebildet werden, daß sie sich in die Grübchen hinein erstreckt.
Die p-leitfähige AlGaN-Schicht 42 kann mittels Züchten durch MOCVD auf der InAlGaN-Schicht 40 gebildet werden. Bei speziellen Ausführungsformen kann die p-leitfähige AlGaN-Schicht 42 gebildet werden durch Züchten einer AlGaN-Schicht bei einer Temperatur zwischen ungefähr 850 °C und ungefähr 975 °C und bei manchen Ausführungsformen von 950 °C, unter einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei manchen Ausführungsformen von ungefähr 133 mbar (100 Torr) und unter Verwendung von TMA, TEG, NH₃ und CP₂MG als Ausgangsmaterialien für Al, Ga und N sowie Mg als p-leitfähiger Störstelle. Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden. Die AlGaN-Schicht kann eine Lochinjektionsschicht bilden und kann so ausgebildet sein, daß sie sich in die Grübchen hinein erstreckt.
Die p-leitfähige GaN-Schicht 32 kann mittels MOCVD-Züchtung auf der AlGaN-Schicht 42 erzeugt werden. Bei speziellen Ausführungsformen kann die p-leitfähige GaN-Schicht 32 gebildet werden durch Züchten einer GaN-Schicht bei einer Temperatur zwischen ungefähr 900 °C und ungefähr 1100 °C und bei manchen Ausführungsformen von 1000 °C unter einem Druck zwischen ungefähr 33 mbar (25 Torr) und ungefähr 667 mbar (500 Torr) und bei manchen Ausführungsformen von ungefähr 133 mbar (100 Torr) und unter Verwendung von TMG, NH₃ und CP₂MG als Ausgangsmaterialien für Ga und N sowie von Mg als p-leitfähiger Störstelle. Durchflußraten sind für die Reaktorgeometrie spezifisch und können vom Fachmann für eine bestimmte Reaktorgeometrie ohne großen experimentellen Aufwand aufgrund der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden. Die GaN-Schicht 32 kann eine p-leitfähige Kontaktschicht bilden und kann so gebildet werden, daß sie sich in die Grübchen hinein erstreckt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Herstellung des Supergitters 16, der aktiven Schichten 18 und der Lochinjektionsschicht 42 so ausgeführt werden, daß wenigstens 5 % der Versetzungen ihnen zugehörige Grübchen haben, die sich durch die aktiven Schichten 18 erstrecken und zu der Lochinjektionsschicht 42 offen sind. Bei manchen Ausführungsformen kann die Anzahl offener Grübchen nahezu 100 % der Anzahl von Versetzungen sein.
Ein ohmscher Kontakt 23 zu n-leitfähigem SiC ist auf dem SiC-Substrat 10 gegenüber dem aktiven Bereich 18 vorgesehen. Der ohmsche Kontakt 23 kann mit herkömmlichen Verfahren gebildet werden. Ein ohmscher Kontakt 24 ist ferner zu der p-leitfähigen GaN-Schicht 32 vorgesehen. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine Spiegelschicht aufweisen, können eine p-leitfähige Elektrode 24 mit einer Dicke von ungefähr 10 Å oder weniger haben. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne Spiegelschicht hat eine p-leitfähige Elektrode 24 eine Dicke von ungefähr 13 Å oder größer.
Zur Verringerung und/oder Minimierung der Lichtabsorption durch die p-leitfähige Elektrode 24 kann die Dicke der p-leitfähigen Elektrode auf weniger als 25 Å verringert werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die p-leitfähige Elektrode 24 Platin auf. Andere Materialien können für den ohmschen Kontakt 24 verwendet werden. Beispielsweise kann der ohmsche Kontakt 24 Rhodium, Zinkoxid, Palladium, Palladiumoxid, Titan, Nickel/Gold, Nickeloxid/Gold, Nickeloxid/Platin und/oder Titan/Gold aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen hat der ohmsche Kontakt 24 eine durchschnittliche Dicke von weniger als 25 Å. Bei einigen Ausführungsformen hat der ohmsche Kontakt 24 eine durchschnittliche Dicke von weniger als 15 Å. Bei manchen Ausführungsformen hat der ohmsche Kontakt 24 eine durchschnittliche Dicke von weniger als 5 Å, und bei weiteren Ausführungsformen hat der ohmsche Kontakt 24 eine durchschnittliche Dicke von weniger als 3 Å. Bei noch anderen Ausführungsformen hat der ohmsche Kontakt eine durchschnittliche Dicke von ungefähr 1 Å. Für den Fachmann versteht es sich, daß Schichtdicken von weniger als 10 Å und speziell Schichtdicken von weniger als 5 Å eine teilweise oder Teilmonoschichtbedeckung der Oberfläche darstellen können. Obwohl also die resultierende Schicht als „Schicht“ bezeichnet wird, kann es sein, daß die Schicht die Oberfläche der p-leitfähigen GaN-Schicht nur teilweise bedeckt.
Ohmsche Kontakte gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können gebildet werden durch Elektronenstrahlverdampfung oder jedes andere geeignete Verfahren zum steuerbaren Bilden von atomar dünnen Metallschichten. Beispielsweise kann es möglich sein, die ohmschen Kontakte durch Elektroplattieren zu bilden, wenn eine adäquate Prozeßsteuerung aufrechterhalten wird. Bei der Elektronenstrahlverdampfung wird ein als Metallquelle dienendes Target in einer Vakuumkammer durch einen Elektronenstrahl hoher Intensität, der einen Bereich des Targets zum Schmelzen bringt, bis zum Verdampfungspunkt erwärmt. Ein in der Kammer angeordneter epitaxialer Wafer wird steuerbar mit verdampftem Metall beschichtet. Die Elektronenstrahlverdampfung und andere Schichtabscheidungsverfahren sind in Kapitel 6 von INTRODUCTION TO MICROELECTRONIC FABRICATION von R. Jaeger (2nd Ed. 2002) beschrieben.
Die Abscheidungsrate des Prozesses kann gesteuert werden durch Ändern des Stroms und der Energie des Elektronenstrahls. Bei einigen Ausführungsformen wird die Abscheidungsrate auf einem niedrigen Wert gehalten, z. B. im Bereich von 0,1 bis 0,5 Å/s, um eine adäquate Steuerung der Schichtdicke aufrechtzuerhalten. Ferner kann die Schichtabscheidung während der Abscheidung gesteuert werden durch Überwachen der Transmissionseigenschaften eines Vergleichsträgers, auf dem die ohmsche Metallschicht gleichzeitig abgeschieden wird. Der Vergleichsträger kann Saphir, Quarz oder jedes andere optisch durchlässige Material sein, auf dem eine Metallschicht abgeschieden werden kann. Die Transmissionsempfindlichkeit zu der Metalldicke ist abhängig von der Lichtwellenlänge, die in dem Überwachungsverfahren angewandt wird. Daher werden bei einigen Ausführungsformen die Transmissionseigenschaften eines Saphir-Vergleichsträgers während oder nach der Schichtabscheidung mit einem Überwachungssystem gemessen, das eine UV-Quelle verwendet, die Licht mit Wellenlängen von 350 nm oder weniger abgeben kann, etwa mit einem UV-Spektrometer.
Die ohmsche Kontaktschicht 24 kann einen Dickenbereich von 1 bis 10 Ä haben. Im Fall von Platinkontakten ist die bevorzugte Dicke 1 bis 5 Å. Die langsame Abscheidungsrate erlaubt die reproduzierbare und steuerbare Abscheidung der Dünnschicht.
Nach dem Abscheiden bildet die ohmsche Kontaktschicht 24 einen ohmschen oder sperrfreien Kontakt „wie abgeschieden“. Das bedeutet, daß keine weitere Bearbeitung bzw. keine Glühbehandlung erforderlich ist, um einen quasi-idealen elektrischen Kontakt zu der p-leitfähigen GaN-Schicht 32 zu bilden. In einigen Fällen kann es jedoch notwendig oder vorteilhaft sein, die ohmsche Kontaktschicht 24 zu glühen oder eine andere Bearbeitung nach Abscheidung auszuführen, um ihre ohmschen Eigenschaften zu verbessern (etwa den spezifischen Kontaktwiderstand der Kontaktschicht zu reduzieren).
Bei manchen Ausführungsformen kann die Abscheidung des ohmschen Kontaktmetalls unterbrochen werden, bevor die normalisierte Durchlässigkeit der Metallschicht auf dem Vergleichsträger unter 98 % bei einer Meßwellenlänge von 350 nm fällt. Bei anderen Ausführungsformen kann die Abscheidung des ohmschen Kontaktmetalls unterbrochen werden, bevor die normalisierte Durchlässigkeit der Metallschicht auf dem Vergleichsträger unter 96 % bei einer Meßwellenlänge von 350 nm fällt. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Abscheidung des ohmschen Kontaktmetalls unterbrochen werden, bevor die normalisierte Durchlässigkeit der Metallschicht auf dem Vergleichsträger unter 92 % bei einer Meßwellenlänge von 350 nm fällt.
Bei einigen Ausführungsformen werden die Durchlaßeigenschaften eines Saphir-Vergleichsträgers während der Schichtabscheidung mit einem Überwachungssystem überwacht, das eine UV-Quelle verwendet, die Licht mit Wellenlängen von 350 nm oder weniger abgeben kann. Durch die In-situ-Überwachung der Durchlässigkeit einer auf einem kalibrierten Vergleichsträger gebildeten Metallschicht kann der Abscheidungsprozeß angehalten werden, bevor oder nachdem die Durchlässigkeit der Metallschicht einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Somit kann die Abscheidung von extrem dünnen Metallschichten bei Ausführungsformen der Erfindung mit hoher Präzision gesteuert werden.
Andere Verfahren zur Überwachung der Dicke der abgeschiedenen Metallschicht können angewandt werden. Beispielsweise können andere physikalische, elektrische oder optische Eigenschaften der Schicht (oder des Materials, auf dem die Schicht abgeschieden wird), die sich entsprechend der Schichtdicke ändern, gemessen und mit bekannten Standards verglichen werden, um die Schichtdicke zu bestimmen. Diese Eigenschaften können den Schichtwiderstand, den kapazitiven Widerstand oder den Reflexionsgrad der Schicht umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei einer Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls, der mit dem verdampfenden Material beschichtet wird, während der Abscheidung überwacht. Die Resonanzfrequenz des Kristalls verlagert sich proportional zu der Dicke der abgeschiedenen Schicht und kann ein ausreichend genaues Maß für die Schichtdicke bilden. Siehe Kapitel 6 von INTRODUCTION TO MICROELECTRONIC FABRICATION von R. Jaeger (2nd Ed. 2002).
Um die Ausbreitung des Stroms zu erleichtern, kann an dem Kontakt 24 auch ein Anschlußfeld (nicht gezeigt) gebildet werden und kann einen oder mehr Stromausbreitungsfinger aufweisen, die sich über Bereiche des ohmschen Kontakts erstrecken. Das auf dem ohmschen Kontakt 24 gebildete Anschlußfeld kann einen oder mehr Stromausbreitungsfinger aufweisen, die sich von dem Anschlußfeld 20 über Bereiche des ohmschen Kontakts 24 erstrecken. Die Stromausbreitungsfinger können gerade oder gekrümmt sein. Auch andere Konfigurationen sind möglich.
Bei exemplarischen Ausführungsformen, bei denen die LED ausgelegt ist, um flip-chip-montiert zu werden (d. h. mit der Substratseite nach oben), kann ferner die LED einen Reflektor aufweisen. Ein Metallstapel wie etwa die Metallstapel, die in der US-PS US 6 740 906 B2 beschrieben sind, die hier summarisch eingeführt wird, kann auf dem Reflektor gebildet werden, um beispielsweise Sperr-, Haft- und/oder Kontaktierschichten zu bilden. Das gesamte Bauelement kann mittels Lot auf einer Montagebasis angebracht werden.
Nach der Bildung der in 1 gezeigten Struktur auf einem Wafer können die Einzel-LEDs vereinzelt werden, indem beispielsweise der Wafer zersägt wird, wobei der Wafer angeritzt und entlang den Ritzlinien abgebrochen wird, um den Wafer zu vereinzeln. Das bearbeitete Substrat kann einem Ätzvorgng unterzogen werden, wie in der US-Patentanmeldung US 2005 / 0 215 000 A1 mit dem Titel „Etching of Substrates Of Light Emitting Devices“, angemeldet 26. März 2004, beschrieben wird, die hier summarisch eingeführt wird.

Die folgende Tabelle 1 zeigt Strahlungsleistungs-Eigenschaften von Bauelementen, die eine dominante Ausgangswellenlänge von 460 nm haben, normalisiert nach Chipgröße und Mesagröße, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit entsprechenden 21-mW-Bauelementen ohne Grübchenöffnungsschicht. Tabelle 1: 460-nm-Bauelemente

Strahlungsleistung (mW)	Leistungsdichte (µW/\|µm²)
	P-Kontaktgröße (220µm×220µm)	Chipgröße (300µm×300µm)	Chipgröße (290µm×290µm)
21	0,43	0,23	0,25
24	0,50	0,27	0,29
27	0,56	0,30	0,32
30	0,62	0,33	0,36

Die folgende Tabelle 2 zeigt Strahlungsleistungs-Eigenschaften von Bauelementen, die eine dominante Ausgangswellenlänge von 460 nm haben, normalisiert nach Chipgröße und Mesagröße gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Tabelle 2: 460-nm-Bauelemente

StrahlungsLeistung (mW) Leistungsdichte (µW/(µm²)

P-Kontaktgröße (792µm×792µm) Chipgröße (900µm×900µm)

150 0,24 0,19

180 0,29 0,22

210 0,34 0,26
Die folgende Tabelle 3 zeigt Strahlungsleistungs-Eigenschaften von Bauelementen, die eine dominante Ausgangswellenlänge von 527 nm haben, normalisiert nach Chipgröße und Mesagröße gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Tabelle 3: 527-nm-Bauelemente:

StrahlungsLeistung (mW) Leistungsdichte (µW/µm²)

P-Kontaktgröße (220µm×220µm) Chipgröße (300µm×300µm)

9 0,19 0,1

12 0,25 0,13
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zwar unter Bezugnahme auf Bauelemente auf Galliumnitridbasis beschrieben, aber die Inhalte und Vorteile der Erfindung können auch in anderen Gruppe-III-Nitriden erhalten werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen somit Supergitterstrukturen auf Gruppe-III-Nitridbasis, Quantenmuldenstrukturen und/oder Licht emittierende Dioden auf Gruppe-III-Nitridbasis, die Supergitter und/oder Quantenmulden haben, bereit.
Ferner wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 460-nm- und 527-nm-Bauelemente beschrieben, aber Bauelemente für andere Wellenlängen können bereitgestellt werden. Beispielsweise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet sein zur Verwendung in Bauelementen mit einer dominanten Ausgangswellenlänge von 430 nm oder größer.
Ferner wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zwar unter Bezugnahme darauf beschrieben, daß sich der aktive Bereich in die Grübchen hinein erstreckt. Bei solchen Ausführungsformen kann das Licht emittierende Bauelement einen aktiven Bereich, eine Kontaktschicht auf dem aktiven Bereich und einen Grübchenöffnungsbereich aufweisen, auf dem der aktive Bereich und die Kontaktschicht angeordnet sind. Der Grübchenöffnungsbereich ist so konfiguriert, daß offene Grübchen erhalten werden durch Erweitern der Öffnungsgröße einer Vielzahl von Grübchen auf eine Größe, die ausreicht, damit sich die Kontaktschicht in die Grübchen hinein erstrecken kann. Der aktive Bereich erstreckt sich eventuell nicht in die Grübchen hinein. Die Kontaktschicht, die sich in die Grübchen hinein erstreckt, weist p-leitfähiges GaN auf.
Die Zeichnungen und die Beschreibung offenbaren typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und die spezifischen verwendeten Ausdrücke werden nur gattungsbezogen und beschreibend verwendet und stellen keine Einschränkung dar; der Umfang der Erfindung ergibt sich aus den folgenden Patentansprüchen.

Claims

Licht emittierendes Bauelement, das folgendes aufweist: eine Grübchenerweiterungsschicht, die eine Vielzahl von offenen Grübchen (310) aufweist, die eine Schraubenversetzung an ihrem Kern aufweisen; einen aktiven Bereich (18), der eine Vielzahl von Schichten auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der Grübchenerweiterungsschicht aufweist, wobei der aktive Bereich (18) eine Vielzahl von Quantenmulden aufweist; eine Lochinjektionsschicht (42) auf dem aktiven Bereich (18) gegenüber der Grübchenerweiterungsschicht, wobei die Lochinjektionsschicht (42) konfiguriert ist, Löcher in die Vielzahl der Quantenmulden zu injizieren; und eine Kontaktschicht (32) auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der Lochinjektionsschicht (42) gegenüber dem aktiven Bereich (18) und sich in die Grübchen (310) hinein erstreckend, wobei die Kontaktschicht (32) GaN aufweist, und die Lochinjektionsschicht (42) AlGaN aufweist; wobei sich Schichten der Quantenmulden und der Lochinjektionsschicht (42) in die Grübchen (310) hinein erstrecken, ohne die Grübchen (310) zu verschließen, und wobei die Kontaktschicht (32) die Grübchen (310) verschließt.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchen (310) durch die Quantenmulden und die Lochinjektionsschicht (42) hindurch offen bleiben.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine Supergitterstruktur (16) aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine InGaN-Schicht aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1; wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine GaN-Schicht aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchen (310) jeweilige Versetzungen umgeben und wobei sich die Vielzahl von Schichten zu den jeweiligen Versetzungen erstreckt.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der Grübchen (310) der Vielzahl von Grübchen seinen Ursprung in einer Schicht hat, die zwischen dem Grübchenöffnungsbereich und einem Substrat, auf dem der Grübchenöffnungsbereich vorgesehen ist, angeordnet ist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchenerweiterungsschicht und die aktiven Schichten auf einem SiC-Substrat vorgesehen sind.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Grübchenerweiterungsschicht und die aktiven Schichten auf einem Saphirsubstrat vorgesehen sind.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Bauelement eine GaN-basierte Leuchtdiode aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Chipgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,27 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Chipgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,30 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Chipgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,33 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,50 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,56 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,62 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine Kontaktfläche von wenigstens 600.000 µm² und eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,24 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine Kontaktfläche von wenigstens 600.000 µm² und eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,29 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 11, wobei das Licht emittierende Bauelement eine Kontaktfläche von wenigstens 600.000 µm² und eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,34 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Chipgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,1 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Chipgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,13 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,19 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,25 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement auf Gruppe-III-Nitridbasis, das folgendes aufweist: eine Grübchenerweiterungsschicht, die eine Vielzahl von Grübchen (310) darin hat, die eine Schraubenversetzung an ihrem Kern aufweisen; einen aktiven Bereich (18) auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der Grübchenerweiterungsschicht, wobei der aktive Bereich (18) eine Vielzahl von Schichten aufweist, die sich in die Grübchen (310) erstrecken; eine p-leitfähige Gruppe-III-Nitridschicht (42) auf dem aktiven Bereich (18) gegenüber der Grübchenerweiterungsschicht, die sich in die Grübchen (310) erstreckt; eine sich in die Grübchen (310) hinein erstreckende Kontaktschicht (32) auf Gruppe-III-Nitridbasis auf der p-leitfähigen Gruppe-III-Nitridschicht (42) gegenüber dem aktiven Bereich auf Gruppe-III-Nitridbasis, wobei die Kontaktschicht (32) die Grübchen (310) verschließt, wobei die Kontaktschicht (32) GaN aufweist, und die p-leitfähige Gruppe-III-Nitridschicht (42) AlGaN aufweist; einen ersten und einen zweiten Kontakt (23, 24), die mit dem aktiven Bereich (18) elektrischen Kontakt herstellen; und wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von größer als 0,50 µW/µm² bei einer dominanten Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm oder größer als 0,19 µW/µm² bei einer dominanten Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, wobei das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 460 nm hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 27, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,56 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 27, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,62 µW/µm² hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, wobei der aktive Bereich (18) eine Vielzahl von Quantenmulden aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 30, wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine Gruppe-III-Nitrid-Supergitterstruktur (16) aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 30, wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine InGaN-Volumenschicht aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 30, wobei die Grübchenerweiterungsschicht eine GaN-Volumenschicht aufweist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, wobei das Grübchen (310) eine Versetzung umgibt und wobei die Vielzahl von Schichten sich zu der Versetzung erstrecken.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, wobei wenigstens eines der Grübchen der Vielzahl von Grübchen seinen Ursprung in einer Schicht hat, die zwischen der Grübchenerweiterungsschicht und einem Substrat, auf dem die Grübchenerweiterungsschicht vorgesehen ist, angeordnet ist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, das ferner ein SiC-Substrat aufweist und bei dem die Grübchenerweiterungsschicht auf dem SiC-Substrat angeordnet ist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, das ferner ein Saphirsubstrat aufweist und bei dem die Grübchenerweiterungsschicht auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 26, wobei das Licht emittierende Bauelement eine dominante Ausgangswellenlänge von ungefähr 527 nm hat.
Licht emittierendes Bauelement nach Anspruch 38, wobei das Licht emittierende Bauelement eine auf Kontaktgröße normalisierte Strahlungsleistung von wenigstens ungefähr 0,25 µW/µm² hat.
Verfahren zum Herstellen eines Licht emittierenden Bauelements, das die folgenden Schritte aufweist: Steuern von Aufwachsbedingungen einer Schicht von Halbleitermaterial, um eine geringe Mobilität von Spezies auf einer Aufwachsoberfläche einer Schicht zu erreichen, auf der aktive Schichten (18) des Licht emittierenden Bauelements gezüchtet werden, um Grübchen (310) an Schraubenversetzungen in der Schicht von Halbleitermaterial zu erweitern; Züchten der aktiven Schichten (18) so, dass sie sich in die Grübchen (310) in der Schicht von Halbleitermaterial erstrecken; und Züchten einer Lochinjektionsschicht (42) auf den aktiven Schichten (18) derart, dass sie sich in die Grübchen (310) erstreckt; Züchten einer Kontaktschicht (32) auf den aktiven Schichten so, dass sie sich in die Grübchen (310) erstreckt und die Grübchen (310) verschließt, wobei die Kontaktschicht (32) GaN aufweist, und die Lochinjektionsschicht (42) AlGaN aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Licht emittierende Bauelement ein Licht emittierendes Bauelement auf Gruppe-III-V-Basis aufweist und wobei die Steuerung der Aufwachsbedingungen die Steuerung des V/III-Verhältnisses und/oder der Aufwachstemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Halbleiterschicht ein Gruppe-III-Nitrid-Supergitter (16) aufweist, das bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 1000 °C in einer stickstoffhaltigen Umgebung aufgewachsen ist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Schicht von Halbleitermaterial eine GaN-Volumenschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Schicht von Halbleitermaterial eine AIGaN-Volumenschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Schicht von Halbleitermaterial auf einem SiC-Substrat gezüchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Schicht von Halbleitermaterial auf einem Saphirsubstrat gezüchtet wird.