AT519500B1 - Light-emitting semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Es wird ein lichtemittierendes Halbleiterelement auf Basis von Aluminiumgalliumnitrid zur Aussendung von ultraviolettem Licht mit Wellenlängen von 300nm und weniger mit einer zwischen einem Substrat (1) und einer Kontaktfläche (8) angeordnetem optisch aktiven Bereich (5) beschrieben. Um bei Halbleiterelementen für diesen Wellenlängenbereich den Effizienzgrad zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass sowohl zwischen dem Substrat (1) und dem optisch aktiven Bereich (5) als auch zwischen der Kontaktfläche und dem optisch aktiven Bereich (5) jeweils eine Übergangsschicht (4, 7) anzuordnen, in der jeweils zum optisch aktiven Bereich (5) hin der Aluminiumanteil der Aluminiumgalliumnitridlegierung auf mindestens 60%, vorzugsweise 70% zunimmt.A light-emitting semiconductor element based on aluminum gallium nitride for emitting ultraviolet light having wavelengths of 300 nm and less with an optically active region (5) arranged between a substrate (1) and a contact surface (8) is described. In order to increase the degree of efficiency in semiconductor elements for this wavelength range, it is proposed that both between the substrate (1) and the optically active region (5) and between the contact surface and the optically active region (5) each have a transition layer (4, 7 ), in each of which the optically active region (5) towards the aluminum content of the aluminum gallium nitride alloy increases to at least 60%, preferably 70%.
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Halbleiterelement auf Basis von Aluminiumgalliumnitrid zur Aussendung von ultraviolettem Licht mit Wellenlängen von 300nm und weniger mit einer zwischen einem Substrat und einer Kontaktfläche angeordnetem optisch aktiven Bereich, wobei sowohl zwischen dem Substrat und dem optisch aktiven Bereich als auch zwischen der Kontaktfläche und dem optisch aktiven Bereich jeweils eine Übergangsschicht angeordnet ist, in der jeweils zum optisch aktiven Bereich hin der Aluminiumanteil der Aluminiumgalliumnitridlegierung zunimmt.Description: The invention relates to a light-emitting semiconductor element based on aluminum gallium nitride for emitting ultraviolet light having wavelengths of 300 nm and less with an optically active region arranged between a substrate and a contact surface, both between the substrate and the optically active region and in each case a transition layer is arranged between the contact surface and the optically active region, in each of which the aluminum content of the aluminum gallium nitride alloy increases towards the optically active region.
[0002] Als lichtemittierende Halbleiterelemente sind beispielsweise UV-LEDs bekannt (US 9059354 B2) die in Abhängigkeit der Wellenlänge des ausgesandten Lichtes einen unterschiedlichen Effizienzgrad aufweisen. Während LEDs in Bereich von sichtbarem Licht derzeit eine Effizienz von bis zu 80% aufweisen, liegt diese bei LEDs für den Ultraviolettbereich, insbesondere für den tiefen Ultraviolettbereich von 300nm und weniger bei derzeit lediglich zirka 1%.As light-emitting semiconductor elements, for example, UV LEDs are known (US 9059354 B2) which have a different degree of efficiency depending on the wavelength of the emitted light. While LEDs in the range of visible light currently have an efficiency of up to 80%, this is currently only about 1% for LEDs for the ultraviolet range, especially for the deep ultraviolet range of 300 nm and less.
[0003] Dieser geringe Effizienzgrad liegt Untersuchungen zufolge vor allem an der hohen Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband bei für diesen Wellenlängenbereich üblichen dotierten Aluminiumgalliumnitridverbindungen, weil das Energieniveau der Ladungsträger im Vergleich zu reinem Galliumnitrid bei der Dotierung mit Aluminium gleich bleibt, sodass die freien Ladungsträger nicht ohne weiteres aus dem Valenz- ins Leitungsband übergehen können.According to investigations, this low degree of efficiency is mainly due to the high energy difference between valence and conduction band at doped Aluminiumgalliumnitridverbindungen usual for this wavelength range, because the energy level of the charge carrier remains the same compared to pure gallium nitride in the doping with aluminum, so that the free charge carriers can not easily pass from the valence to the conduction band.
[0004] Zur Lösung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen (US 20140264263 A1), sowohl zwischen dem Substrat und dem optisch aktiven Bereich als auch zwischen der Kontaktfläche und dem optisch aktiven Bereich jeweils eine Übergangsschicht anzuordnen, in der jeweils zum optisch aktiven Bereich hin der Aluminiumanteil der Aluminiumgalliumnitridlegierung zunimmt. Aufgrund von Kristallgitterfehlern und hohen Versetzungsdichten, die durch thermische Spannungen beim Abkühlungsprozess in der Fertigung entstehen und die damit verbundenen Defekten in der Kristallstruktur war es durch derartige Maßnahmen bislang aber technisch nicht möglich, höhere Effizienzgrade und Aluminiumkonzentrationen zu erreichen.To solve this problem has been proposed (US 20140264263 A1) to arrange both between the substrate and the optically active region and between the contact surface and the optically active region in each case a transition layer, in each case to the optically active region towards the aluminum content the aluminum gallium nitride alloy increases. Due to crystal lattice defects and high dislocation densities, which are caused by thermal stresses in the cooling process in the production and the associated defects in the crystal structure, it has not yet been technically possible by such measures to achieve higher efficiency levels and aluminum concentrations.
[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein lichtemittierendes Halbleiterelement der eingangs geschilderten Art für die Aussendung von ultraviolettem Licht mit Wellenlängen von 300nm und weniger so auszugestalten, dass ein deutlich höherer Effizienzgrad erreicht werden kann.The invention is therefore based on the object, a light-emitting semiconductor element of the type described for the emission of ultraviolet light with wavelengths of 300nm and less in such a way that a much higher degree of efficiency can be achieved.
[0006] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Aluminiumanteil der Aluminiumgalliumnitridlegierung auf mindestens 60%, vorzugsweise 70% zunimmt und dass zwischen dem Substrat (1) und der angrenzenden Übergangsschicht (4) eine mit Mangan dotierte Pufferschicht (3) vorgesehen ist.The invention solves this problem in that the aluminum content of Aluminiumgalliumnitridlegierung to at least 60%, preferably 70% increases and that between the substrate (1) and the adjacent transition layer (4) is provided with a manganese buffer layer (3) ,
[0007] Zur Folge dieser Maßnahmen wird der Ladungsträgertransport aufgrund der allmählichen, graduellen Erhöhung der Energieniveaus innerhalb der Übergangsschichten erleichtert, sodass eine wesentliche höhere Effizienz in der Lichtausbeute erreicht werden kann. Typischerweise können diese Übergangsschichten in ihrem Aluminiumnitridanteil um 20 bis 30% variieren, beispielsweise auch asymmetrisch um unterschiedliche Werte in der n- und in der p-leitenden Zone. In einer bevorzugten Ausführungsform variiert die Übergangsschicht in der n-leitenden Zone in ihrem Aluminiumnitridanteil graduell von 50 auf 70%, während der Galliumnitridanteil sich von 50 auf 30% reduziert. In der p-leitenden Zone kann die Übergangsschicht in ihrem Aluminiumnitridanteil von 40 auf 70% variieren, während der Galliumnitridanteil von 60 auf 30% zurückgeht. Besonders vorteilhafte Bedingungen ergeben sich, wenn die Übergangsschichten in ihrer Dicke jeweils bei über 150nm liegen.As a result of these measures, the charge carrier transport is facilitated due to the gradual, gradual increase in the energy levels within the transition layers, so that a significantly higher efficiency in the light output can be achieved. Typically, these transition layers can vary in their aluminum nitride content by 20 to 30%, for example also asymmetrically by different values in the n- and in the p-type zone. In a preferred embodiment, the transition layer in the n-type region gradually varies in its aluminum nitride content from 50 to 70% while the gallium nitride content reduces from 50 to 30%. In the p-type zone, the transition layer may vary in its aluminum nitride content from 40 to 70%, while the gallium nitride content decreases from 60 to 30%. Particularly advantageous conditions arise when the transition layers are each in thickness above 150 nm.
[0008] Abgesehen davon, dass eine Dotierung von Aluminiumgalliumnitrid mit Silizium in der n-leitenden Zone zum Stand der Technik zählt, konnte durch die erfindungsgemäße, graduelle und kontinuierliche Erhöhung des Aluminiumnitridanteils in einer solchen Verbindung auch eine Dotierung mit Magnesium in der p-leitenden Zone erreicht werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Effizienz eines lichtemittierenden Halbleiterelements für den Ultraviolettbereich von 300nm und weniger gerade durch die Dotierung der erfindungsgemäßen Übergangsschichten mit Silizium in der n-leitenden Zone und Magnesium in der p-leitenden Zone erheblich verbessert werden kann.Apart from the fact that a doping of aluminum gallium nitride with silicon in the n-type zone belongs to the prior art, by the inventive, gradual and continuous increase of the aluminum nitride content in such a compound also a doping with magnesium in the p-type Zone can be reached. It has been found that the efficiency of an ultraviolet light-emitting semiconductor element of 300 nm and less can be considerably improved precisely by doping the transition layers according to the invention with silicon in the n-conducting zone and magnesium in the p-conducting zone.
[0009] Wesentlich für die Effizienz des erfindungsgemäßen Halbleiterelementes ist neben den beschriebenen Faktoren auch die Defektfreiheit der Epitaxieschichten, also insbesondere die Vermeidung von Kristallgitterfehlern und hohen Versetzungsdichten, die durch thermische Spannungen beim Abkühlungsprozess in der Fertigung entstehen. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Defektfreiheit dadurch deutlich verbessert werden kann, dass zwischen dem Substrat und der angrenzenden Übergangsschicht eine mit Mangan dotierte Pufferschicht vorgesehen ist.Essential for the efficiency of the semiconductor element according to the invention in addition to the factors described, the defect-free epitaxial layers, ie in particular the avoidance of crystal lattice defects and high dislocation densities caused by thermal stresses during the cooling process in manufacturing. Investigations have shown that this defect freedom can be significantly improved by providing a manganese-doped buffer layer between the substrate and the adjacent transition layer.
[0010] Für den erfindungsgemäßen Wellenlängenbereich von 300nm und weniger hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der optisch aktive Bereich abwechselnd aus mehreren Schichten von einerseits abwechselnd AI0i5Ga0,5N und andererseits AI0,7Ga0,3N ausgebildet ist, wobei die Schichten von AIo.sGao.sN je 5nm und die Schichten von Alo,7Gao,3N je 15nm dick sind.For the inventive wavelength range of 300 nm and less, it has proved to be particularly advantageous if the optically active region is formed alternately from several layers of on the one hand alternately AI0i5Ga0.5N and on the other hand AI0.7Ga0.3N, the layers of Alo. 5 gms each and the layers of Alo, 7Gao, 3N are each 15 nm thick.
[0011] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar in einem schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement.In the drawing, the subject invention is illustrated, for example, in a schematic section through a semiconductor element according to the invention.
[0012] Ein erfindungsgemäßes lichtemittierendes Halbleiterelement umfasst bei einem üblichen Aluminiumgalliumnitridmaterialsystem ein Substrat 1, das typischerweise aus Saphir aber auch beispielsweise aus reinem Galliumnitrid oder Siliziumcarbid gebildet wird. Auf diesem Substrat 1 ist zunächst eine Kontaktschicht 2 aufgewachsen, die beispielsweise aus einem AI0,4Ga0,6N besteht.A light-emitting semiconductor element according to the invention comprises in a conventional aluminum gallium nitride material system a substrate 1, which is typically formed of sapphire but also, for example, of pure gallium nitride or silicon carbide. On this substrate 1, first a contact layer 2 is grown, which consists for example of an Al0.4Ga0.6N.
[0013] Um die Defektfreiheit der anschließend aufzuwachsenden Schichten zu verbessern wird erfindungsgemäß eine Pufferschicht 3 aus mit Mangan dotiertem Aluminiumgalliumnitrid, beispielsweise Alo,5Gao,5N:Mn auf die Kontaktschicht 2 aufgebracht. Die Schichtdicke dieser Pufferschicht 3 beträgt vorzugsweise 1 pm.In order to improve the freedom from defects of the layers to be subsequently grown, according to the invention, a buffer layer 3 of manganese-doped aluminum gallium nitride, for example Alo, 5Gao, 5N: Mn, is applied to the contact layer 2. The layer thickness of this buffer layer 3 is preferably 1 pm.
[0014] Auf diese Pufferschicht 3 wird sodann die erfindungsgemäße Übergangsschicht 4 aufgewachsen und zwar ausgehend von einer Aloi5GaOi5N-Legierung, deren Aluminiumnitridanteil kontinuierlich über die Schichtdicke auf 70% erhöht wird. Die sich ergebende Mantelschicht, die an den optisch aktiven Bereich 5 angrenzt, ergibt sich damit zu AI0,7Ga0,3N, wobei die gesamte Übergangsschicht 4 auf Seite der Elektronen als Ladungsträger angeordnet ist und somit mit Silizium dotiert ist.In this buffer layer 3, the transition layer 4 according to the invention is then grown and that starting from an Aloi5GaOi5N alloy, the aluminum nitride content is continuously increased over the layer thickness to 70%. The resulting cladding layer, which adjoins the optically active region 5, thus results in Al 0.7 Ga 0.3 N, wherein the entire transition layer 4 is arranged on the side of the electrons as a charge carrier and is thus doped with silicon.
[0015] Auf der gegenüberliegenden Seite des optisch aktiven Bereichs 5 ist die Mantelschicht nicht Teil der Übergangsschicht, sondern als diskrete Mantelschicht 6 ausgeführt, die aus einer mit Magnesium dotierten AI0,7Ga0,3N-Legierung aufgebaut ist. Diese Mantelschicht 6 geht in eine zweite Übergangsschicht 7 über, die bezüglich des optisch aktiven Bereichs 5 symmetrisch zur ersten Übergangsschicht 4 angeordnet ist. Der Aluminiumnitridanteil ist folglich im Grenzbereich zur Mantelschicht 6 bei 70% und fällt in Richtung vom optisch aktiven Bereich 5 weg graduell auf 40% ab. Die zweite Übergangsschicht 7 ist für den Nahrungsträgertransport dotiert aufgrund ihrer Anordnung allerdings nicht mit Silizium sondern mit Magnesium. Aufgrund der eigenen Mantelschicht 6 auf Seite der p-leitenden Zone kann die dortige Übergangsschicht 7 allerdings weniger hoch, beispielsweise nur mit einer Schichtdicke von 150nm ausgeführt werden.On the opposite side of the optically active region 5, the cladding layer is not part of the transition layer, but designed as a discrete cladding layer 6, which is composed of a magnesium-doped Al0.7Ga0.3N alloy. This cladding layer 6 merges into a second transition layer 7, which is arranged symmetrically relative to the first transition layer 4 with respect to the optically active region 5. The proportion of aluminum nitride is consequently at 70% in the boundary region to the cladding layer 6 and drops gradually towards 40% in the direction away from the optically active region 5. The second transition layer 7 is doped for food carrier transport due to their arrangement, however, not with silicon but with magnesium. Due to its own cladding layer 6 on the side of the p-type zone, the transition layer 7 there may, however, be made less high, for example, only with a layer thickness of 150 nm.
[0016] Das erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleiterelement wird schließlich von einer weiteren Kontaktschicht 8 aus mit magnesiumdotiertem AI0,4Ga0,6N abgeschlossen.The light-emitting semiconductor element according to the invention is finally completed by a further contact layer 8 with magnesium-doped Al0.4Ga0.6N.
[0017] Der optisch aktive Bereich 5 ist aus mehreren abwechselnden Schichten aufgebaut, und zwar einerseits Schichten aus Alo,5Gao,5N 9 mit einer Schichtdicke von je 5nm und Schichten aus AI0,7Ga0,3N 10 mit Schichtdicken von je 15nm. Auf diese Weise kann ein vorteilhaftes Mittelmaß zwischen der möglichen Anzahl der Schichten und der möglichen Gesamtdicke des optisch aktiven Bereiches 5 erreicht werden.The optically active region 5 is composed of several alternating layers, on the one hand layers of Alo, 5Gao, 5N 9 with a layer thickness of 5nm and layers of Al0.7Ga0.3N 10 with layer thicknesses of 15nm. In this way, an advantageous mediocrity between the possible number of layers and the possible total thickness of the optically active region 5 can be achieved.
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