DE112015003419T5

DE112015003419T5 - Epitaxie-Struktur zur Verbesserung eines Wirkungsgradabfalls von GaN-basierten LEDs

Info

Publication number: DE112015003419T5
Application number: DE112015003419.6T
Authority: DE
Inventors: Houyong MA; Jing Ju; Qiming Li; Huiwen Xu; Chuanping Sun
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-05-11
Also published as: GB201700942D0; WO2016011924A1; GB2543682B; CN104134732A; CN104134732B; GB2543682A

Abstract

Eine Epitaxie-Struktur zum Verbessern eines Wirkungsgradabfalls einer LED wird offenbart, die ein Substrat (10) und der Reihe nach stapelförmig darauf angeordnet eine GaN-Unterschicht, eine Übergitterschicht (50) zum Spannungsausgleich, eine Mehrfachquantentopfschicht (60), eine InGaN-Zwischenschicht (70), eine p-Typ-Elektronensperrschicht (80) und eine p-Typ-GaN-Schicht (90) aufweist. Die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht (70) ist zwischen einer letzten Sperrschicht in der Mehrfachquantentopfschicht (60) und der p-Typ-Elektronensperrschicht (80) angeordnet, wobei die p-Typ-In-GaA-Zwischenschicht (70) eine In-Dotierung aufweist, die von einer Seite benachbart zu der Mehrfachquantentopfschicht (60) zu der anderen Seite proximal der Elektronensperrschicht (80) hin zunimmt und pulsdotiert mit Magnesium ist. Infolgedessen kann eine Elektronenleckage an dem p-Anschluss verringert und eine Löcherinjektion in den aktiven Bereich verbessert werden. Dementsprechend kann ein Wirkungsgradabfall in der GaN-basierten LED reduziert und seine Lichtemissionseffizienz kann verbessert werden, wenn sie mit einer hohen Stromstärke betrieben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Galliumnitrid(GaN)-basierten Dioden (LEDs), die blaues Licht emittieren, und insbesondere eine Epitaxie-Struktur, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED reduziert.
Technischer Hintergrund
Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind lichtemittierende Halbleiter-Bauelemente, die Halbleiter-p-n-Übergänge als Licht emittierende Mittel verwenden, die elektrischen Strom direkt in Licht umwandeln können. Galliumnitrid(GaN)-basierte LEDs mit hoher Helligkeit sind derzeit Spitzentechnologie und stehen im Fokus der Optoelektronik oder Industrie. Gegenwärtig erfahren Indium-Galliumnitrid(InGaN)-basierte LEDs und GaN-basierte LEDs dramatische Verbesserungen bei der Lichtemissionseffizienz. Jedoch leiden Hochleistungs-GaN-basierte LEDs unter einem signifikanten Wirkungsgradabfall, d. h. einer raschen Abnahme der internen Quanteneffizienz (IQE) bei einer hohen Eingangsstromstärke. Bisher wurde eine Reihe von Mechanismen vorgeschlagen, um dieses Phänomen zu erklären, einschließlich elektrischer Feldpolarisation, Elektronenleckage, einer ungleichmäßigen Verteilung von aktiven Regionsträgern, nicht-strahlender Auger-Rekombination, usw. Nach derzeitigem Forschungsstand werden eine niedrige Loch-Injektionseffizienz und eine Elektronenleckage in Richtung des p-Anschlusses als eine der möglichen Ursachen für einen Wirkungsgradabfall bei einer hohen elektrischen Stromstärke angesehen.
Um eine unzureichende Blockade von Elektronen zu bewältigen haben einige Forscher Elektronensperrschichten (EBLs) vorgeschlagen. Jedoch wird aufgrund des Vorhandenseins eines polarisierten elektrischen Feldes am Heteroübergang solch eine herkömmliche EBL abwärts geneigt sein und ist daher nicht in der Lage, Leckageelektronen in Richtung des p-Anschlusses zu blockieren, wenn eine hohe elektrische Stromstärke in die Vorrichtung fließt. Zusätzlich neigt eine derartige herkömmliche EBL dazu, eine breite verbotene Bandlücke aufzuweisen, die die Löcherinjektion in die Mehrfachquantentopfschicht behindert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Epitaxie-Struktur bereitzustellen, die einen Wirkungsgradabfall in einer GaN-basierten LED verringert und ihre Lichtemissionseffizienz unter Hochstrombetriebsbedingungen verbessert, indem sie bei einer hohen elektrischen Ansteuerstromstärke einerseits eine bessere Blockade der Leckageelektronen zu einem p-Typ-Anschluss der LED bereitstellt und zum anderen die Intensität der Löcherinjektion in eine Mehrfachquantentopfschicht verstärkt.
Diese Aufgabe wird durch eine Epitaxie-Struktur zur Verbesserung eines Wirkungsgradabfalls einer LED auf GaN-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Epitaxie-Struktur weist ein Substrat und der Reihe nach stapelförmig auf dem Substrat aufeinander angeordnet eine GaN-Unterschicht, eine Übergitterschicht zum Spannungsausgleich, eine Mehrfachquantentopfschicht, eine p-Typ-InGaN-Zwischenschicht, eine p-Typ-Elektronensperrschicht und eine p-Typ-GaN-Schicht auf.
Ferner kann die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht mit Mg pulsdotiert sein und eine In-Dotierung aufweisen, die sich graduell von 0% bis 7% ändert. Darüber hinaus kann die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht eine Dicke von 3 nm bis 12 nm aufweisen. Ferner kann das Mg-Dotiermittel eine Konzentration von 1e18 cm^–3 bis 1e19 cm^–3 aufweisen.
Ferner kann die Elektronensperrschicht aus einer p-Typ-AlGaN-Schicht oder einer aus p-Typ-AlGaN- und p-Typ-GaN-Schichten gebildeten Übergitterstruktur gebildet sein, und die p-Typ-Elektronensperrschicht kann eine Dicke von 30 nm bis 80 nm aufweisen.
Ferner kann die p-Typ-GaN-Schicht mit einer Mg-Konzentration von 1e19 cm^–3 bis 6e20 cm^–3 dotiert sein und eine Dicke von 30 nm bis 50 nm aufweisen.
Im Vergleich zum Stand der Technik bietet die vorliegende Erfindung hauptsächlich die folgenden Vorteile: Da die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht, die zwischen der Mehrfachquantentopfschicht und der p-Typ-Elektronensperrschicht gebildet ist, eine allmählich variierende In-Dotierung aufweist, kann ein polarisiertes elektrisches Feld, das durch eine Gitterfehlanpassung zwischen einer GaN-Potentialsperrschicht und der Zwischenschicht resultiert, verringert werden; und InGaN weist im Vergleich zu den herkömmlichen Elektronensperrschichten eine schmalere verbotene Bandlücke auf, was zu einer Erhöhung der Löcherinjektionseffizienz, einer Prävention einer Elektronenleckage in Richtung des p-Anschlusses und einer erhöhten Lichtemissionseffizienz der LED auf GaN-Basis im Betrieb führt, wenn sie mit einer hohen elektrischen Stromstärke betrieben wird.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Epitaxie-Struktur darstellt, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED auf GaN-Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verringert.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Epitaxie-Struktur graphisch darstellt, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED auf GaN-Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verringert.
3 bis 6 sind Schnittansichten, die schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Epitaxie-Struktur darstellen, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED auf GaN-Basis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verringert.
Detaillierte Beschreibung
Epitaxie-Strukturen, die den Wirkungsgradabfall bei GaN-basierten LEDs gemäß der vorliegenden Erfindung verringern, werden in der folgenden Beschreibung, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellt und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, detaillierter beschrieben. Es ist einzusehen, dass Fachleute auf diesem Gebiet der Technik Änderungen an der hierin offenbarten Erfindung vornehmen können, während die vorteilhaften Wirkungen hiervon bestehen bleiben. Daher ist die folgende Beschreibung sich an Fachleute auf diesem Gebiet richtend ausgelegt und nicht als die Erfindung einschränkend anzusehen.
Aus Gründen der Vereinfachung und Klarheit der Darstellung werden nicht alle Merkmale der offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschrieben. Zusätzlich werden Beschreibungen und Details bekannter Funktionen und Strukturen ausgelassen, um ein unnötiges Verschleiern der Erfindung zu vermeiden. Die Entwicklung einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet spezifische Entscheidungen, die getroffen werden, um spezifische Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa die Einhaltung von systembezogenen und geschäftlichen Beschränkungen, die von einer Implementierung zu einer anderen variieren. Darüber hinaus kann ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein, wäre aber dennoch Routine für einen Durchschnittsfachmann.
Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Abschnitten anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen hervor. Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen in sehr vereinfachter Form bereitgestellt werden, die nicht notwendigerweise maßstäblich sind mit der einzigen Absicht, Einfachheit und Klarheit bei der Erläuterung einiger veranschaulichender Beispiele der Erfindung zu gewährleisten.
Wie in dem Abschnitt technischer Hintergrund der Erfindung erwähnt, wird unter der Wirkung einer hohen Eingangsstromstärke ein Überschuss an Elektronen, die in dem aktiven Bereich in Übermaß vorhanden sind, zu dem p-Anschluss fließen. Gleichzeitig werden Löcher, die eine relativ große effektive Masse aufweisen, in den aktiven Bereich in einer ungleichmäßigen Weise injiziert, in dem die meisten von ihnen in den Potentialvertiefungen gefangen werden, die näher an dem p-Anschluss liegen.
Um diese Probleme zu überwinden sieht bezugnehmend auf 1 die Ausführungsform eine Epitaxie-Struktur vor, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED auf GaN-Basis reduziert. Die Epitaxie-Struktur weist ein Substrat 10 und auf dem Substrat 10 der Reihe nach stapelförmig aufeinander angeordnet eine GaN-Unterschicht, eine Übergitterschicht 40 zum Spannungsausgleich, eine Mehrfachquantentopfschicht 50, eine p-Typ-In-GaA-Zwischenschicht 70, eine p-Typ-Elektronensperrschicht 80 und eine p-Typ-GaN-Schicht 90 auf.
Die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 kann mit Magnesium (Mg) pulsdotiert (delta-dotiert) sein und einen In-Dotierungsgradienten von 0% bis 7% aufweisen. Die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 kann eine Dicke zwischen 3 nm und 12 nm, zum Beispiel 8 nm und eine Mg-Dotierstoffkonzentration im Bereich von 1e18 cm^–3 bis 1e19 cm^–3 aufweisen. Eine Delta-Dotierung mit Mg ermöglicht eine hohe Aktivierungsrate von Mg in der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 und weniger Leckage von Mg zu einer letzten Sperrschicht der Mehrfachquantentopfschicht 60, wodurch deren Leistungsverschlechterung bei niedrigen Stromstärken verhindert wird. Wenn die Epitaxie-Struktur zur Herstellung eines Bausteins verwendet wird, der mit einer niedrigen Stromstärke betrieben wird, kann die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 auch nicht mit Mg dotiert werden. Ein Teil der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70, die mit der Mehrfachquantentopfschicht 60 in Kontakt kommt, weist eine In-Dotierung von 0% auf, während ein Teil der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 in Kontakt mit der nachfolgend gebildeten Elektronensperrschicht 80 steht, eine In-Dotierung von 7% aufweist. Der Rest der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 enthält einen In-Dotierungsgradienten von 0% bis 7%. Der In-Dotierungsgradient der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 kann helfen, ein polarisiertes elektrisches Feld zu reduzieren, das aus einer Gitterfehlanpassung zwischen der letzten Sperrschicht der Mehrfachquantentopfschicht 60 und der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 resultiert. Zusätzlich weist InGaN eine relativ schmale verbotene Bandlücke auf, die einerseits eine Potentialbarriere für Leckageelektronen an dem p-Anschluss anhebt und andererseits eine Potentialbarriere für die Löcherinjektion in die N-Unterschicht absenkt. Infolgedessen können eine höhere Lochinjektionseffizienz, eine Vermeidung von Elektronenleckagen in Richtung des p-Anschlusses und eine erhöhte Lichtemissionseffizienz erzielt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann eine unbefriedigende Effizienz bei hoher Stromstärke allein durch die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 verbessert werden. Daher weist sie die Vorteile eines einfachen Verfahrens und einer leichten Ausführbarkeit auf.
Bezugnehmend auf 2 weist ein Verfahren zur Herstellung einer Epitaxie-Struktur, die einen Wirkungsgradabfall in einer LED auf GaN-Basis reduziert, gemäß einer Ausführungsform die folgenden Schritte auf.
In S100 wird ein Substrat 10 bereitgestellt und eine GaN-Pufferschicht 20 auf dem Substrat aufgewachsen, wobei die GaN-Pufferschicht 20 eine Dicke von etwa 15 nm bis 50 nm aufweist, wie in 3 gezeigt.
In S200 werden eine n-dotierte GaN-Schicht 30 und eine mit Silizium (Si) n-dotierte GaN-Schicht 40 der Reihe nach über der GaN-Pufferschicht 20 gebildet.
Die Gesamtdicke der nicht-dotierten GaN-Schicht 30 und der n-dotierten GaN-Schicht 40 kann im Bereich von 1,5 μm bis 4,5 μm liegen, wie beispielsweise 3 μm.
In S300 wird eine Übergitterschicht 50 zum Spannungsausgleich auf der n-dotierten GaN-Schicht 40 gebildet, wie in 4 gezeigt.
Die Übergitterschicht 50 kann aus periodischen Paaren einer InGaN-Schicht mit einer In-Dotierung im Bereich von 0% bis 7% variierend und einer GaN-Schicht bestehen. Die Übergitterschicht 50 kann 3 bis 20, beispielsweise 10, solche periodischen Paare aufweisen.
In S400 wird eine Mehrfachquantentopfschicht 60 auf der Übergitterschicht 50 gebildet, wie in 5 gezeigt.
Die Mehrfachquantentopfschicht 60 kann aus periodischen Paaren einer Potentialtopfschicht und einer darüber liegenden Potentialsperrschicht bestehen. Die Mehrfachquantentopfschicht 60 kann 5 bis 18, beispielsweise 8, solche periodischen Paare aufweisen. Jede Potentialtopfschicht kann aus InGaN gebildet sein und eine Dicke im Bereich von 2 nm bis 5 nm aufweisen. Jede Potentialsperrschicht kann aus GaN gebildet sein und eine Dicke im Bereich von 6 nm bis 14 nm aufweisen. In der Mehrfachquantentopfschicht 60 können alle anderen Potentialbarrieren als die letzte Sperrschicht (d. h. die Potentialsperrschicht benachbart zu einer nachfolgend gebildeten p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70) n-dotiert mit Silizium (Si) sein mit einer Dotierung im Bereich von 1e17 cm^–3 bis 2e18 cm^–3.
In S500 wird eine p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 auf der Mehrfachquantentopfschicht 60 gebildet, wie in 7 gezeigt.
Die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 kann mit Mg bis zu einer Dotierung von 2e18 cm^–3 bis 1e19 cm^–3 pulsdotiert (delta-dotiert) sein und eine Dicke zwischen 3 nm und 12 nm, beispielsweise 8 nm, aufweisen.
In S600 werden eine Elektronensperrschicht 80 und eine p-Typ-GaN-Schicht 90 der Reihe nach über der p-Typ-In-GaN-Zwischenschicht 70 gebildet, wodurch die Epitaxie-Struktur, wie in 1 gezeigt, komplettiert ist.
Die Elektronensperrschicht 80, die über der p-Typ-InGaN-Zwischenschicht 70 angeordnet ist, kann eine p-GaN-Schicht sein, die mit Aluminium (Al) (p-AlGaN) dotiert ist, eine p-Typ-GaN-Schicht (p-GaN), oder eine Überstruktur, gebildet aus einer Kombination dieser (P-AlGaN/GaN), und die Elektronensperrschicht 80 hat eine Dicke im Bereich von 30 nm bis 80 nm, beispielsweise 50 nm. Die Elektronensperrschicht 80 kann die Wirkung, eine Elektronenleckage in Richtung des p-Anschlusses zu blockieren, verstärken und dadurch die Lichtemissionseffizienz weiter verbessern.
Die p-Typ-GaN-Schicht 90, die über der Elektronensperrschicht 80 angeordnet ist, kann GaN p-dotiert mit Mg mit einer Konzentration im Bereich von 1e19 cm^–3 bis 6e19 cm^–3 sein. Die p-Typ-GaN-Schicht 90 kann eine Dicke zwischen 30 nm und 50 nm, wie zum Beispiel 40 nm, aufweisen, wodurch die Epitaxie-Struktur vervollständigt wird.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in den Epitaxie-Strukturen, die den Wirkungsgradabfall bei GaN-basierten LEDs gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verringern, da die In-GaA-Zwischenschicht, gebildet zwischen der Mehrfachquantentopfschicht und der p-Typ-Elektronensperrschicht, eine sich graduell verändernde In-Dotierung aufweist, die ein polarisiertes elektrisches Feld resultierend aus einer Gitterfehlanpassung zwischen der GaN-Potentialsperrschicht und der Zwischenschicht reduziert.
Zusätzlich hat InGaN im Vergleich zu den herkömmlichen Elektronensperrschichten eine schmalere verbotene Bandlücke, was zu einer Erhöhung der Lochinjektionseffizienz, einer Verhinderung von Leckage von Elektronen in Richtung des p-Anschlusses und einer erhöhten Lichtemissionseffizienz der LEDs auf GaN-Basis bei einem Betrieb mit einer hohen Stromstärke führt.
Die vorstehende Beschreibung stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und beschränkt den Umfang der Erfindung nicht in irgendeiner Weise. Alle äquivalenten Substitutionen oder Modifikationen, die an dem hier offenbarten Gegenstand von Fachleuten vorgenommen wurden ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, fallen in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims

Epitaxie-Struktur zur Verbesserung eines Wirkungsgradabfalls einer GaN-basierten lichtemittierenden Diode, wobei die Epitaxie-Struktur ein Substrat und der Reihe nach auf dem Substrat stapelförmig aufeinander angeordnet eine GaN-Unterschicht, eine Übergitterschicht zum Spannungsausgleich, eine Mehrfachquantentopfschicht, eine p-Typ InGaN-Zwischenschicht, eine p-Typ-Elektronensperrschicht und eine p-Typ-GaN-Schicht aufweist.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht mit Mg pulsdotiert ist.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei der Mg-Dotierstoff eine Konzentration von 1e18 cm^–3 bis 1e19 cm^–3 aufweist.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht eine In-Dotierung aufweist, die sich graduell von 0% bis 7% ändert.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei die p-Typ-InGaN-Zwischenschicht eine Dicke von 3 nm bis 12 nm aufweist.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei die p-Typ-Elektronensperrschicht aus einer p-Typ-AlGaN-Schicht oder einer Überstruktur aus p-Typ-AlGaN- und p-Typ-GaN-Schichten gebildet ist, und die p-Typ-Elektronensperrschicht eine Dicke von 30 nm bis 80 nm aufweist.
Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, wobei die p-Typ-GaN-Schicht mit Mg einer Konzentration von 1e19 cm^–3 bis 6e20 cm^–3 dotiert ist und eine Dicke von 30 nm bis 50 nm aufweist.