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Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Charakteristik von Galliumnitrid, die typischerweise mit geringer
Güte in
Verbindung gebracht wird, ist die Anwesenheit von Dislokations-
bzw. Versetzungsfehlern. 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 Nr.
US2003/0006418A1 ,
veröffentlicht
am 9. Januar 2003, und in den
US-PS'en 6 663 560 und
6 734 003 beschrieben sind,
die gemeinsam auf Cree-Inc. übertragen
sind und
Zusätzlich
zu den Anstrengungen, die zum Schließen der sich an Versetzungen
ausbildenden Grübchen
unternommen wurden, beschreiben die
US-PS'en 6 329 667 und
6 693 303 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 6 693 303 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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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 können.
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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
können
durch die Quantenmulden und die Lochinjektionsschicht hindurch offen
bleiben. Auf der Lochinjektionsschicht kann eine Kontaktschicht
vorgesehen sein und sich in die Grübchen erstrecken. Die Kontaktschicht
kann die Grübchen
schließen.
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Bei
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden die Grübchen von einer Schicht auf
den Quantenmulden und der Lochinjektionsschicht gegenüber dem
Grübchenöffnungsbereich
geschlossen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weist der Grübchenöffnungsbereich eine Supergitterstruktur
auf. Bei anderen Ausführungsformen
kann der Grübchenöffnungsbereich
vollständig
GaN oder AlGaN sein.
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Bei
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umgeben die Grübchen 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Grübchenöffnungsschicht,
die eine Vielzahl von Grübchen
hat, einen aktiven Bereich auf Gruppe-III-Nitrid-Basis auf der Grübchenöffnungsschicht,
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, die sich bis zu
den Grübchen
erstreckt, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verschließt die p-leitfähige Gruppe-III-Nitridschicht
die Grübchen.
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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 öffnen, Aufwachsenlassen
der aktiven Schichten so, daß sie
sich in die Grübchen
in der Halbleitermaterialschicht erstrecken, und Aufwachsenlassen
einer Lochinjektionsschicht auf die aktiven Schichten, um sich in
die Grübchen
zu erstrecken.
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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.
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Bei
zusätzlichen
Ausführungsformen
umfassen die Verfahren das Aufwachsen einer Kontaktschicht auf die
aktiven Schichten, um sich in die Grübchen zu erstrecken. Die Kontaktschicht
kann so aufwachsen, daß sie
die Grübchen
verschließt.
Die Halbleitermaterialschicht kann auf einem SiC- oder Saphirsubstrat wachsen.
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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 kann ebenfalls auf der Lochinjektionsschicht
gebildet werden, wobei sich die Kontaktschicht in die Grübchen erstreckt.
Die Kontaktschicht kann gebildet werden, um die Grübchen zu verschließen.
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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.
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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.
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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 kann p-leitfähiges
AlGaN und/oder GaN aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Gruppe-III-Nitrid-Leuchtdiode,
die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Bereichs der Gruppe-III-Nitrid-Leuchtdiode von 1;
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3 zeigt
Transmissionselektronenmikroskop- bzw. TEM-Bilder von Grübchen, die
sich durch den aktiven Bereich eines Bauelements erstrecken;
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4 ist
ein schematischer Querschnitt einer Teststruktur, die zur Charakterisierung
von Grübchen dient;
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5A und 5B sind
Abbildungen von Grübchen
aufweisenden Bauelementen mit und ohne eine Grübchen verschließende Schicht;
und
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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.
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Genaue Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Ausdrucke "unter" oder "unterhalb" können
daher eine Orientierung sowohl oberhalb als auch unterhalb umfassen.
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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.
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Wenn
nichts anderes gesagt wird, haben alle hier verwendeten Ausdrücke (einschließlich technischer und
wissenschaftlicher Ausdrücke)
die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einen 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Einige
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung 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.
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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
(Vf) 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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6A ist
ein Diagramm von Photolumineszenzdaten fit 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.
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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 um und bei einigen Ausführungsformen
ungefähr
100 um. Bei anderen Ausführungsformen
kann das Substrat 10 auch ein Saphir-, Volumen-alliumnitrid- oder
anderes geeignetes Substrat aufweisen.
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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.
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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 5 393 993 ,
5 523 589 und
6 459 100 , 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 6 201 262 mit dem
Titel "Group III
Nitride Photonic Devices an Silicon Carbide Substrates With Conductive
Buffer Interlay Structure" beschrieben
sind, die hier ebenfalls summarisch eingeführt wird.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann die Pufferschicht 11 mit Si dotiertes AlGaN sein und
eine Dicke von ungefähr
100 bis ungefähr
10.000 Å 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.
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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.
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Wie 1 zeigt,
weist eine Supergitterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung alternierende Schichten aus InxGa1-xN und InyGa1-Y 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 InxGa1-xN- und
InyGa1-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.
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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 Å 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.
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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.
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Bei
manchen Ausführungsformen
kann die Supergitterstruktur 16 durch eine einzige gleichförmige Schicht
aus InXGa1.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.
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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.
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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 InXGa1-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.
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Bei
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weisen die Sperrscichten 218 AlXInYGa1-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.
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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 InXGa1-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.
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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 InXAlGa1-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 InWAlZGa1-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.
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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 AlGa1-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 denn Supergitter 16 zugeordnet sind, erweitert oder
vergrößert.
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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 Nr. 10/899
793 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-PS 6 664 560 ,
US-Patentanmeldung Nr. 10/881 814 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 Nr. 2003/168663 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.
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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.
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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 4 866 005 und
RE 34 861 beschrieben wird, oder mit anderen dem Fachmann bekannten
Verfahren hergestellt werden.
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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
25 Torr und ungefähr
250 Torr und bei einigen Ausführungsformen
ungefähr
100 Torr und unter Verwendung von TMA, TMG und NH
3 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
6 664 560 (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.
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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
25 Torr und ungefähr
500 Torr und bei einigen Ausführungsformen
von 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 einen 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
500 Torr und bei einigen Ausführungsformen
ungefähr
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
US2003/0006418A1 , 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
25 Torr und ungefähr
500 Torr und bei einigen Ausführungsformen
ungefähr
100 Torr unter Anwendung von TMG oder TEG und NH
3 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
25 Torr und ungefähr 500
Torr und bei einigen Ausführungsformen
von 100 Torr und unter Verwendung von TMG oder TEG, TMIn und NH
3 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
25 Torr und ungefähr
500 Torr und bei manchen Ausführungsformen
von ungefähr
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
25 Torr und ungefähr
500 Torr und bei manchen Ausführungsformen
von ungefähr
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 einen Druck zwischen ungefähr
25 Torr und ungefähr
500 Torr und bei manchen Ausführungsformen
von ungefähr
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.
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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.
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Bin
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. Bin 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.
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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.
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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. Bin
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.
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Die
Abscheidungsrate des Prozesses kann gesteuert werden durch Andern
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 denn 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.
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Die
ohmsche Kontaktschicht 24 kann einen Dickenbereich von
1 bis 10 Å haben.
Im Fall von Platinkontakten ist die bevorzugte Dicke 1 bis 5 Å. Die langsame
Abscheidungsrate erlaubt die reproduzierbare und steuerbare Abscheidung
der Dünnschicht.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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Bei
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, 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. Bin Metallstapel wie etwa die Metallstapel,
die in der
US-PS 6 740 906 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.
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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 Nr. 10811 350 mit
dem Titel "Etching
of Substrates Of Light Emitting Devices", angemeldet 26. März 2004, beschrieben wird,
die hier summarisch eingeführt
wird.
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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 (220 μm × 220μm) | Chipgröße (300 μm × 300 μm) | Chipgröße (290 μm × 290 μm) |
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 |
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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
Strahlungs-Leistung (mW) | Leistungsdichte
(μW/μm2) |
| P-Kontaktgröße (792 μm × 792 μm) | Chipgröße (900 μm × 900 μm) |
150 | 0,24 | 0,19 |
180 | 0,29 | 0,22 |
210 | 0,34 | 0,26 |
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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:
Strahlungs-Leistung (mW) | Leistungsdichte
(μW/μm2) |
| P-Kontaktgröße (220 μm × 220 μm) | Chipgröße (300 μm × 300 μm) |
9 | 0,19 | 0,1 |
12 | 0,25 | 0,13 |
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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.
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Ferner
wurden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 460-nm- und 527-nun-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.
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Ferner
wurden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zwar unter Bezugnahme darauf beschrieben,
daß sich
der aktive Bereich in die Grübchen
hinein erstreckt, aber bei einigen Ausführungsformen kann der aktive
Bereich an dem Grübchen
enden oder sich nur teilweise in die Grübchen erstrecken. 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, kann
p-leitfähiges AlGaN
oder GaN aufweisen.
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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.
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Zusammenfassung
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Licht
emittierende Bauelemente haben einen aktiven Bereich, der eine Vielzahl
von Schichten aufweist, und einen Grübchenöffnungsbereich, auf dem der
aktive Bereich angeordnet ist. Der Grübchen Öffnungsbereich ist so konfiguriert,
dass eine Größe von Öffnungen
einer Vielzahl von Grübchen
auf eine Größe erweitert
wird, die ausreichend ist, so dass sich die Vielzahl von Schichten
des aktiven Bereichs in die Grübchen
hinein erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen weist der aktive
Bereich eine Vielzahl von Quantenmulden auf. Der Grübchenöffnungsbereich
kann eine Supergitterstruktur aufweisen. Die Grübchen können ihre entsprechenden Versetzungen
umgeben, und die Vielzahl von Schichten können sich zu den jeweiligen Versetzungen
erstrecken. Wenigstens eines der Grübchen der Vielzahl von Grübchen kann
seinen Ursprung in einer Schicht haben, die zwischen der Grübchenöffnungsschicht
und einem Substrat angeordnet ist, auf dem die Grübchenöffnungsschicht
vorgesehen ist. Der aktive Bereich kann ein aktiver Bereich auf
der Basis von Gruppe-III-Nitrid sein. Verfahren zum Herstellen solcher
Bauelemente werden ebenfalls angegeben.