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Diese
Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Halbleitervorrichtungen
und insbesondere auf lichtemittierende III-Nitrid-Vorrichtungen,
die Tunnelübergänge und
Streustrukturen umfassen.
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Lichtemittierende
Halbleitervorrichtungen, die lichtemittierende Dioden (LEDs = light
emitting diodes), lichtemittierende Resonanzhohlraumdioden (RCLEDs
= resonant cavity light emitting diodes), Vertikalresonatorlaserdioden
(VCSELs = vertical cavity laser diodes) und kantenemittierende Laser
umfassen, sind unter den effizientesten Lichtquellen, die gegenwärtig verfügbar sind.
Materialsysteme, die gegenwärtig
bei der Herstellung von lichtemittierenden Vorrichtungen mit hoher
Helligkeit, die zu einem Betrieb über das sichtbare Spektrum
in der Lage sind, von Interesse sind, umfassen Gruppe-III-V-Halbleiter, insbesondere
binäre,
ternäre
und quaternäre
Legierungen aus Gallium, Aluminium, Indium und Stickstoff, die auch
als III-Nitrid-Materialien
bezeichnet werden. Typischerweise werden lichtemittierende III-Nitrid-Vorrichtungen
durch ein epitaxiales Aufwachsen eines Stapels von Halbleiterschichten
unterschiedlicher Zusammensetzungen und Dotiermittelkonzentrationen
auf einem Saphir-, Siliziumkarbid-, III-Nitrid- oder einem anderen
geeigneten Substrat durch eine metallorganisch-chemische Dampfaufbringung
(MOCVD = metal-organic chemical vapor deposition), eine Molekularstrahlepitaxie
(MBE = molecular beam epitaxy) oder andere epitaxiale Techniken
gefertigt. Der Stapel umfasst oft eine oder mehrere n-Typ-Schichten,
die z. B. mit Si dotiert sind, das über dem Substrat gebildet ist,
eine lichtemittierende oder aktive Region, die über der n-Typ-Schicht oder
den n-Typ-Schichten
gebildet ist, und eine oder mehrere p-Typ-Schichten, die z. B. mit Mg dotiert sind,
das über
der aktiven Region gebildet ist. Bei III-Nitrid-Vorrichtungen, die
auf leitfähigen
Substraten gebildet sind, können
der p- und der n-Kontakt
an entgegengesetzten Seiten der Vorrichtung gebildet sein. Häufig werden
III-Nitrid-Vorrichtungen auf isolierenden Substraten, wie beispielsweise
Saphir, gefertigt, wobei beide Kontakte an der gleichen Seite der
Vorrichtung liegen. Derartige Vorrichtungen sind befestigt, so dass
Licht entweder durch die Kontakte (als eine Epitaxie-Oben-Vorrichtung
bekannt) oder durch eine Oberfläche
der Vorrichtung gegenüber den
Kontakten (als eine Flip-Chip-Vorrichtung
bekannt) extrahiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende
III-Nitrid-Vorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, Anspruch 26 und
Anspruch 44 gelöst.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung umfasst eine III-Nitrid-Vorrichtung
eine erste n-Typ-Schicht, eine erste p-Typ-Schicht und eine aktive Region,
die die erste p-Typ-Schicht
und die erste n-Typ-Schicht trennt. Bei einigen Ausführungsbeispielen
umfasst die Vorrichtung eine zweite n-Typ-Schicht und einen Tunnelübergang,
der die erste und die zweite n-Typ-Schicht trennt. Ein erster und
ein zweiter Kontakt sind elektrisch mit der ersten und der zweiten
n-Typ-Schicht verbunden.
Der erste und der zweite Kontakt sind aus dem gleichen Material
gebildet, einem Material mit einem Reflexionsvermögen für durch
die aktive Region emittiertes Licht von zumindest 75 %. Bei einigen
Ausführungsbeispielen
umfasst die Vorrichtung eine texturierte Schicht. Bei Vorrichtungen,
die sowohl eine texturierte Schicht als auch einen Tunnelübergang
umfassen, kann die texturierte Schicht zwischen der zweiten n-Typ-Schicht
und dem zweiten Kontakt angeordnet sein. Bei Vorrichtungen, die
keinen Tunnelübergang aufweisen,
kann die Vorrichtung ein Substrat umfassen und die texturierte Schicht
kann auf einer Oberfläche
des Substrats gegenüber
den Vorrichtungsschichten gebildet sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
lichtemittierende III-Nitrid-Flip-Chip-Vorrichtung;
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2 und 3 Vorrichtungen,
die Tunnelübergänge umfassen;
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4 eine
Darstellung eines Reihenwiderstandswerts und einer Barrierespannung über einer Temperatur
für zwei
verschobene Al-Kontakte auf n-GaN;
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5 einen
Mehrschichtkontakt;
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6 eine
Darstellung des berechneten Reflexionsvermögens von Aluminium und Silber
als eine Funktion einer Wellenlänge;
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7A, 7B und 8,
Vorrichtungen, die Streustrukturen umfassen;
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9 und 10 eine
Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer lichtemittierenden
Vorrichtung mit kleinem Übergang;
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11 und 12 eine
Draufsicht und eine Querschnittsansicht ei ner lichtemittierenden
Vorrichtung mit großem Übergang;
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13 und 14 eine
Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer oben emittierenden,
lichtemittierenden Vorrichtung;
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15 eine
gehäuste
lichtemittierende Vorrichtung; und
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16 eine
externe Quanteneffizienz als eine Funktion eines Stroms für zwei Vorrichtungen gemäß Anspruch
13 und 14, eine mit einer texturierten Schicht und eine ohne eine
texturierte Schicht.
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1 stellt
ein Beispiel einer III-Nitrid-Flip-Chip-Vorrichtung dar, die ein Saphirsubstrat 1,
eine n-Typ-Region 2,
eine aktive Region 3 und eine p-Typ-Region 4 umfasst.
Ein Abschnitt der p-Typ-Region und der aktiven Region ist weggeätzt, um
einen Teil der n-Typ-Region 2 freizulegen. Ein n-Kontakt 10 ist
an dem freiliegenden Teil der n-Typ-Region 2 gebildet.
Ein p-Kontakt 9 ist an dem verbleibenden Teil der p-Typ-Region 4 gebildet.
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Mehrere
Faktoren begrenzen die Menge an Licht, die durch die Vorrichtung
von 1 erzeugt und nützlich extrahiert werden kann.
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Erstens
begrenzt die Verwendung eines silbernen p-Kontakts die maximale Übergangstemperatur,
bei der die Vorrichtung von 1 wirksam
sein kann. Der Kontaktbereich des p-Kontakts ist im Allgemeinen größer als
derselbe des n-Kontakts,
um den lichtemittierenden Bereich der Vorrichtung zu maximieren,
da die Bildung des n-Kontakts ein Wegätzen eines Abschnitts der aktiven
Region erfordert. Kontakte 9 und 10 sind hinsichtlich
eines niedrigen spezifischen Kontaktwiderstands, um die Spannung
zu minimieren, die an die Vorrichtung angelegt werden muss, und
hinsichtlich eines hohen Reflexionsvermögens ausgewählt, um Licht, das an den Kontakten einfällt, zurück in die
Vorrichtung zu reflektieren, so dass dasselbe durch das Substrat 1 des
Flip-Chips von 1 extrahiert werden kann. Da
der p-Kontakt im
Allgemeinen größer als
der n-Kontakt ist, ist es besonders wichtig, dass der p-Kontakt
hochreflektierend ist. Die Kombination eines hohen Reflexionsvermögens und
eines niedrigen spezifischen Kontaktwiderstands war für den p-Kontakt
von III-Nitrid-Vorrichtungen, wie beispielsweise der Vorrichtung,
die in 1 dargestellt ist, schwierig zu erreichen. Zum Beispiel
ist Aluminium ziemlich reflektierend, aber stellt keinen guten ohmischen
Kontakt zu p-Typ-III-Nitrid-Materialien
her. Silber wird oft verwendet, weil dasselbe einen guten ohmischen p-Typ-Kontakt
herstellt und sehr reflektierend ist, aber Silber leidet unter einer
schlechten Anhaftung an III-Nitrid-Schichten und unter Empfindlichkeit
für eine
Elektrowanderung (Elektromigration), was zu einem katastrophalen
Vorrichtungsausfall führen
kann. Um das Problem einer Elektrowanderung bei einem Silberkontakt
zu vermeiden, kann der Kontakt durch eine oder mehrere Metallschichten
geschützt
sein. Um die Lichtausgabe einer Vorrichtung zu erhöhen, muss
der Strom durch die Vorrichtung erhöht werden. Wenn sich der Strom
erhöht,
erhöht
sich die Betriebstemperatur der Vorrichtung. Bei Temperaturen von mehr
als 250°C
kann die Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Schutzschicht über
dem silbernen p-Kontakt und dem silbernen p-Kontakt selbst bewirken,
dass sich der p-Kontakt von den Halbleiterschichten der Vorrichtung
ablöst,
was in einer unannehmbar hohen Durchlassspannung und einer nicht
einheitlichen Lichtausgabe resultiert. Dies begrenzt die maximale
Stromdichte und schließlich
die Lichtausgabe der Vorrichtung.
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Zweitens
erzeugt der hohe Brechungsindex von III-Nitrid-Schichten (n ~ 2,4) mehrere Grenzflächen bzw.
Schnittstellen mit einem großen
Kontrast bei einem Brechungsindex; z. B. die Grenzfläche zwischen
dem Saphirsubstrat (n ~ 1,8) und den III-Nitrid-Schichten. Grenzflächen mit
großen
Kontrasten bei einem Brechungsindex neigen dazu, Licht im Inneren
der Vorrichtung einzufangen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind Strukturen vorgesehen, die die maximale Betriebstemperatur
der Vorrichtung erhöhen
und Grenzflächen
unterbrechen können,
die Licht in der Vorrichtung einfangen, wodurch potentiell die Menge an
Licht erhöht
wird, die in der Vorrichtung erzeugt wird und nützlich aus derselben extrahiert
wird. Die unten beschriebenen Beispiele sind lichtemittierende III-Nitrid-Vorrichtungen. Die
Halbleiterschichten von III-Nitrid-Vorrichtungen weisen die allgemeine
Formel AlxInyGazN auf, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, x + y + z = 1. III-Nitrid-Vorrichtungsschichten
können ferner
Gruppe-III-Elemente,
wie beispielsweise Bor und Thallium enthalten und etwas des Stickstoffs kann
durch Phosphor, Arsen, Antimon oder Wismut ersetzt sein. Obwohl
die Beispiele unten III-Nitrid-Vorrichtungen
beschreiben, können
Ausführungsbeispiele
der Erfindung auch in anderen III-V-Materialsystemen, einschließlich III-Phosphid-
und III-Arsenid-,
II-VI-Materialsystemen und jeglichen anderen Materialsystemen gefertigt
werden, die zum Herstellen von lichtemittierenden Vorrichtungen
geeignet sind.
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2 und 3 stellen
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Bei der Vorrichtung von 2 wird nach
der Bildung der n-Typ-Region 2, der aktiven Region 3 und
der p-Typ-Region 4 auf
einem geeigneten Substrat 1 ein Tunnelübergang 100 gebildet,
und dann eine weitere n-Typ-Schicht 7. 3 stellt
eine alternative Implementierung einer Vorrichtung dar, die einen
Tunnelübergang
umfasst. Der Tunnelübergang 100 von 3 ist
unter der aktiven Region und nicht über der aktiven Region, wie bei
der Implementierung, die in 2 gezeigt
ist, positioniert. Der Tunnelübergang 100 von 3 ist
zwischen der n-Typ-Schicht 2 und der p-Typ-Schicht 4 positioniert.
Somit ist die Polarität
der Vorrichtung in 3 entgegengesetzt zu der Polarität der Vorrichtung
in 2. Der Tunnelübergang 100 ermöglicht eine
Leitfähigkeitsveränderung
bei dem Material, das über
dem Tunnelübergang
aufgewachsen ist, verglichen mit dem Material darunter.
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Der
Tunnelübergang 100 umfasst
eine stark dotierte p-Typ-Schicht 5,
die auch als eine p++-Schicht bezeichnet wird, und eine stark dotierte n-Typ-Schicht 6,
die auch als eine n++-Schicht bezeichnet wird. Die p++-Schicht 5 kann
z. B.
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InGaN
oder GaN für
eine blauemittierende Vorrichtung oder AlInGaN oder AlGaN für eine UV-emittierende
Vorrichtung sein, dotiert mit einem Akzeptor, wie beispielsweise
Mg oder Zn zu einer Konzentration von in etwa 1018 cm–3 bis
etwa 5 × 1020 cm–3. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die p++-Schicht 5 zu einer Konzentration von etwa 2 × 1020 cm–3 bis etwa 4 × 1020 cm–3 dotiert. Die n++-Schicht
kann z. B. InGaN oder GaN für
eine blauemittierende Vorrichtung oder AlInGaN oder AlGaN für eine UV-emittierende
Vorrichtung sein, dotiert mit einem Donator, wie beispielsweise
Si, Ge, Se oder Te zu einer Konzentration von etwa 1018 cm–3 bis etwa
5 × 1020 cm–3. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die n++-Schicht 6 zu einer Konzentration von etwa 5 × 1019 cm–3 bis etwa 9 × 1019 cm–3 dotiert. Der Tunnelübergang 100 ist
gewöhnlich
sehr dünn,
z. B. kann der Tunnelübergang 100 eine
Gesamtdicke zwischen etwa 2 nm und etwa 100 nm aufweisen und jede
der p++-Schicht 5 und der n++-Schicht 6 kann eine
Dicke zwischen etwa 1 nm und etwa 50 nm aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann jede der p++-Schicht 5 und
der n++-Schicht 6 eine Dicke zwischen etwa 25 nm und etwa
35 nm aufweisen. Die p++-Schicht 5 und die n++-Schicht 6 sind eventuell
nicht notwendigerweise gleich dick. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die p++-Schicht 5 15 nm von Mg-dotiertem InGaN und
die n++-Schicht 6 ist 30 nm von Si-dotiertem GaN. Die p++-Schicht 5 und
die n++-Schicht 6 können eine
abgestufte Dotiermittelkonzentration aufweisen. Zum Beispiel kann
ein Abschnitt der p++-Schicht 5 benachbart zu der darunter liegenden
p-Schicht 4 eine Dotiermittelkonzentration aufweisen, die
von der Dotiermittelkonzentration der darunter liegenden p-Typ-Schicht
zu der erwünschten
Dotiermittelkonzentration in der p++-Schicht 5 abgestuft ist. Gleichermaßen kann
die n++-Schicht 6 eine Dotiermittelkonzentration aufweisen,
die von einem Maximum benachbart zu der p++-Schicht 5 zu einem
Minimum benachbart zu der n-Typ-Schicht 7 abgestuft ist.
Der Tunnelübergang 100 ist
gefertigt, um dünn
genug und dotiert genug zu sein, derart, dass der Tunnelübergang 100 beinahe
ohmisch ist, wenn derselbe in Sperrrichtung betrieben wird, d. h. der
Tunnelübergang 100 zeigt
einen geringen Reihenspannungsabfall und einen geringen Widerstandswert,
wenn derselbe Strom in einem Sperrrichtungsmodus leitet. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
ist der Spannungsabfall über
den Tunnelübergang 100,
wenn derselbe in Sperrrichtung betrieben wird, in etwa 0,1 V bis
in etwa 1 V bei Stromdichten von 200 A/cm2.
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Der
Tunnelübergang 100 ist
gefertigt, derart, dass, wenn eine Spannung über die Kontakte 9 und 10 angelegt
ist, derart, dass der p-n-Übergang
zwischen der aktiven Region 3 und der p-Typ-Schicht 4 in
Flussrichtung betrieben wird, der Tunnelübergang 100 schnell
durchbricht und in die Sperrrichtung mit einem minimalen Spannungsabfall
leitet. Jede der Schichten im Tunnelübergang 100 muss nicht
die gleiche Zusammensetzung, Dicke oder Dotiermittelzusammensetzung
aufweisen. Der Tunnelübergang 100 kann
ferner eine zusätzliche
Schicht zwischen der p++-Schicht 5 und der n++-Schicht 6 umfassen, die
sowohl p- als auch n-Typ-Dotiermittel
enthält.
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Eine
lichtemittierende Vorrichtung, die einen Tunnelübergang umfasst, ermöglicht die
Verwendung von zwei n-Kontakten
anstelle von unterschiedlichen n- und p-Kontakten, da beide Kontakte an n-Typ-Schichten,
Schichten 2 und 7, gebildet sind. Die Verwendung
von zwei n-Kontakten eliminiert den oben beschriebenen silbernen
p-Kontakt und eine resultierende Begrenzung auf einer maximalen
Betriebstemperatur. Ein jeglicher n-Kontakt mit einem Reflexionsvermögen für durch
die aktive Region emittiertes Licht von mehr als 75 % kann bei einer Flip-Chip-Vorrichtung
verwendet werden. Ein Beispiel eines geeigneten n-Kontakts ist Aluminium.
Aluminium stellt einen Kontakt mit geringem Widerstandswert mit
sowohl geätztem
als auch ungeätztem
n-Typ-III-Nitrid
her. 6 stellt das berechnete Reflexionsvermögen von
Aluminium gegenüber
Silber bei Wellenlängen
zwischen 250 und 550 nm dar. 6 zeigt,
dass Aluminium ein hohes Reflexionsvermögen über dem dargestellten Bereich aufweist und
bei UV-Wellenlängen
reflektierender als Silber ist. Da beide Kontakte das gleiche Material
sein können,
können
möglicherweise
einige Aufbringungs- und Ätzschritte,
die erforderlich sind, um unterschiedliche Kontaktmaterialien auf
den p- und n-Regionen der Vorrichtungen aufzubringen, eliminiert
werden.
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Der
Tunnelübergang 100 wirkt
auch als eine Lochausbreitungsschicht, um positive Ladungsträger in der
p-Typ-Schicht 4 zu
verteilen. Träger
in einem n-Typ-III-Nitrid-Material
weisen eine viel längere
Diffusionslänge
als Träger
in einem p-Typ-III-Nitrid-Material auf und somit kann sich ein Strom
in einer n-Typ-Schicht einfacher ausbreiten als in einer p-Typ-Schicht.
Da eine Stromausbreitung an der p-Seite des p-n-Übergangs in der n-Typ-Schicht 7 auftritt,
können
die Vorrichtungen, die in 2 und 3 dargestellt
sind, eine bessere p-Seite-Stromausbreitung als eine Vorrichtung
ohne einen Tunnelübergang
aufweisen.
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4 zeigt
die Leistungsfähigkeit
einer Testvorrichtung mit Aluminiumkontakten. Messungen eines Stroms
gegenüber
einer Spannung wurden zwischen zwei Kontakten genommen, die beide
auf der gleichen n-Schicht aufgebracht sind, und der Widerstandswert
und die Barrierespannung (die kleinste notwendige Spannung, um einen
Strom von nicht Null durchzulassen) wurden aufgezeichnet. Wie es
in 4 dargestellt ist, gibt es wenig Veränderung
bei sowohl dem Widerstandswert als auch der Barrierespannung, wenn
sich die Temperatur auf 600°C
erhöht,
was einen stabilen Kontakt anzeigt.
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Die
Kontakte, die in 2 und 3 dargestellt
sind, können
Einzel- oder Mehrschichtkontakte sein. Einzelschichtkontakte können eine
Dicke zwischen etwa 0,5 und etwa 5 Mikrometer aufweisen. Ein Beispiel
eines Mehrschichtkontakts ist in 5 dargestellt.
Der Kontakt 9, der in 5 dargestellt
ist, weist zwei Schichten auf, eine Aluminiumschicht 9A zwischen
etwa 75 nm und etwa 500 nm Dicke, der einen Reflektor hoher Güte bereitstellt,
und eine Aluminiumlegie rungsschicht 9B zwischen etwa 0,5
Mikrometer und etwa 5 Mikrometer Dicke. Die Legierungsschicht 9B verhindert
eine Elektrowanderung des Aluminiums in der Schicht 9A bei
einer hohen Stromdichte. Die anderen Elemente als Aluminium in der Legierungsschicht 9B können in
kleinen Mengen vorhanden sein, die gerade groß genug sind, um Korngrenzen
bei dem Aluminium zu füllen,
z. B. weniger als 5 %. Beispiele von geeigneten Legierungen sind Al-Si,
Al-Si-Ti, Al-Cu und Al-Cu-W.
Die Zusammensetzung der Schichten 9A und 9B kann
ausgewählt sein,
um ähnliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzuweisen,
um eine belastungsbezogene Ablösung
bei erhöhten
Temperaturen zu vermeiden.
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7A und 7B stellen
Ausführungsbeispiele
einer Vorrichtung dar, die eine texturierte Schicht umfasst, um
die Extraktion von Photonen aus der Vorrichtung zu verbessern. Die
texturierte Schicht 12 ist über der zweiten n-Typ-Schicht 7 gebildet.
Da die texturierte Schicht typischerweise den gleichen Leitfähigkeitstyp
wie die nächste
darunter liegende Schicht aufweist, ist bei dem Ausführungsbeispiel,
das in 7A und 7B dargestellt
ist, die texturierte Schicht 12 eine n-Typ-Schicht, obwohl bei
anderen Ausführungsbeispielen
eine p-Typ-Schicht texturiert sein kann. Die texturierte Schicht 12 kann
aus einem jeglichen III-N-Halbleiter gebildet sein, obwohl dieselbe
häufig
GaN oder eine Zusammensetzung aus AlInGaN ist, die für das durch die
aktive Region emittierte Licht transparent ist. Die texturierte
Schicht 12 unterbricht die glatte Oberfläche der
III-Nitrid-Schichten und streut Licht aus der Vorrichtung. Die texturierte
Schicht 12 kann durch mehrere Techniken, die auf dem Gebiet
bekannt sind, gebildet werden. Zum Beispiel kann eine texturierte Schicht
durch ein Aufbringen einer SiNx-„Nanomaske", d. h. einer dünnen Schicht
aus SiNx variierender Bedeckung, an der
Vorrichtung vor einem Aufwachsen der texturierten Schicht gebildet
werden. Das Vorhandensein von Si an der Vorrichtung verändert den
Aufwachsmodus eines nachfolgend aufgewachsenen GaN von zweidimensional
zu dreidimensional, was in einer textu rierten Oberfläche resultiert.
Die Charakteristika der texturierten Schicht können durch ein Variieren der
Dicke der Nanomaske und durch die Aufwachsbedingungen eingestellt
werden, die verwendet werden, um GaN auf der Nanomaske aufzubringen,
wie es auf dem Gebiet bekannt ist.
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Bei
dem in 7A dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die texturierte Schicht 12 Pyramiden oder Säulen eines
Halbleitermaterials, die durch Taschen 16 getrennt sind,
die mit Luft oder einem anderen Material mit einem niedrigen Brechungsindex
verglichen zu III-Nitrid-Materialien
gefüllt
sein können.
Ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex kann z. B. einen
Brechungsindex von weniger als etwa 2 aufweisen. Die Schicht 12 kann
eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 1000 nm aufweisen, gewöhnlich zwischen
etwa 50 nm und etwa 400 nm. Das Verhältnis von Taschen zu Material kann
von etwa 10 % des Volumens der Schicht 12 als Taschen bis
zu etwa 90 % des Volumens der Schicht 12 als Taschen variieren,
wobei das Volumen der Schicht 12 als Taschen gewöhnlich zwischen
etwa 50 % und etwa 90 % liegt.
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Bei
den Ausführungsbeispielen,
die in 7A und 7B dargestellt
sind, ist ein Kontakt über
der texturierten Schicht 12 gebildet. Der Kontakt 9 kann
auf der texturierten Schicht 12 z. B. durch eine Verdampfung
oder ein Sputtern aufgebracht werden, um eine konforme Schicht über der
texturierten Schicht 12 zu bilden, wie es in 7B dargestellt
ist. Bei dem Ausführungsbeispiel,
das in 7A dargestellt ist, kann ein
Material mit einem niedrigen Brechungsindex über der texturierten Schicht 12 in
Taschen 16 als eine dicke Schicht aufgebracht werden, dann
strukturiert werden, um Löcher
in dem Material mit einem niedrigen Index nach unten zu der texturierten
Schicht 12 zu öffnen.
Ein Kontakt 13 kann dann z. B. durch eine Verdampfung oder
ein Sputtern aufgebracht werden. Alternativ kann der Kontakt 13 von 7A ein
glatter Metallspiegel sein, der mit der texturierten Schicht 12 verbunden
ist, wobei Luft in Taschen 16 eingefangen wird. Der Spiegel 13 kann durch
ein Aufbringen eines Films eines reflektierenden Materials auf einem
Host-Substrat mit der Vorrichtung ähnlichen thermischen Eigenschaften
gebildet werden, wie beispielsweise GaN, GaAs, Al2O3, Cu, Mo oder Si. Die Spiegel/Host-Substrat-Kombination
wird dann bei einer erhöhten
Temperatur (z. B. zwischen etwa 200°C und etwa 1000°C) und einem erhöhten Druck
(z. B. zwischen etwa 50 psi und etwa 500 psi) mit einer gereinigten
Oberfläche
des LED-Wafers verbunden, derart, dass der Metallspiegel der texturierten
Oberfläche
des LED-Wafers zugewandt ist. Dünne
Metallschichten oder Schichten eines transparenten Materials, wie
beispielsweise Indiumzinnoxid, können
auf der texturierten Oberfläche vor
einem Verbinden aufgebracht werden. Ferner können die Lufttaschen in der
texturierten Schicht 12 vor einem Verbinden des Spiegels
mit einem Dielektrikum mit einem niedrigen Brechungsindex gefüllt werden,
wie beispielsweise MgF. Das Spiegelmaterial und das Verbindungsverfahren
sind ausgewählt, derart,
dass die Durchlassspannung der Vorrichtung durch den Spiegel 13 nicht
wesentlich beeinflusst wird.
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Eine
optionale Polarisationsauswahlschicht 14, die die Photonen
polarisiert, die durch die aktive Region emittiert werden, wie beispielsweise
ein Drahtgitterpolarisator, kann an einer Seite des Substrats gegenüber den
Vorrichtungsschichten gebildet sein. Drahtgitterpolarisatoren sind
detaillierter in den US-Patenten 6,122,103 und 6,288,840 beschrieben, die
beide hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Drahtgitterpolarisatoren
reflektieren Photonen einer Polarisation, die zu den Drähten parallel
ist, und lassen Photonen einer Polarisation, die senkrecht zu den
Drähten
ist, durch. Falls ein Photon von der aktiven Region emittiert wird
und eine Polarisation aufweist, die bewirkt, dass dieselbe von dem
Drahtgitterpolarisator reflektiert wird, wird sich dasselbe zu der texturierten
Oberfläche
hin ausbreiten. Auf ein Reflektieren von der texturierten Oberfläche hin
wird die Polarisationsrichtung des Photons verändert, was möglicherweise
ermöglicht,
dass das Photon den Polarisator durchläuft. Das Licht, das aus der
Vorrichtung emittiert wird, ist dann linear polarisiert. Die Kombination
des Drahtgitterpolarisators und der reflektierenden texturierten
Oberfläche
führt Photonen zurück, bis
dieselben eine bestimmte Polarisation erreichen. Die Polarisationsauswahlschicht 14 kann
bei irgendeiner Stufe der Verarbeitung gebildet werden und wird
häufig
als der letzte Verarbeitungsschritt gebildet, vor einem Vereinzeln
der Chips von dem Wafer. Ein Drahtgitterpolarisator kann durch das
folgende Verfahren gebildet werden: Eine Metallschicht wird auf
dem Wafer aufgebracht, gefolgt durch eine Photoresistschicht über dem
Metall. Das Photoresist wird durch ein Aussetzen desselben einer
Strahlung strukturiert, z. B. durch ein Werfen von Licht kurzer Wellenlänge durch
eine Photomaske, wobei die Drahtgitterpolarisatorstruktur bereits
auf derselben gebildet ist, durch ein Verwenden des Störungsmusters
von zwei Laserstrahlen, um ein Array von Linien eines Lichts variierender
Intensität
auf das Photoresist zu projizieren, oder durch ein Zeichnen der Drahtgitterpolarisatorstruktur
auf dem Photoresist mit einem Elektronenstrahl. Wenn das Photoresist
einmal belichtet ist, wird dasselbe entwickelt und gespült, was
in Linien eines Photoresists resultiert, die auf der Metallschicht
verbleiben. Die Metallschicht wird durch Chemikalien (Nassätzen), einen
reaktiven Ionenstrahl (RIE = reactive ion beam), einen plasmaunterstützten reaktiven
Ionenstrahl, ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP = inductively-coupled
plasma) oder eine andere geeignete Technik geätzt, die auf dem Gebiet bekannt
ist. Das verbleibende Photoresist wird dann chemisch von dem Wafer
abgezogen, was in einer Struktur von Metalllinien resultiert, die
auf dem Wafer verbleiben. Die Periodizität von Drähten in einem Drahtgitterpolarisator
kann für
die Emissionswellenlänge
der Vorrichtung optimiert sein, was in einer sehr hohen Reflexionseffizienz
resultiert.
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Tunnelübergangsvorrichtungen,
die irgendeine der Streuschicht 12, der verbundenen Metallschicht 13 und
des Polarisationsgitters 14 umfassen, können ebenfalls in einer Vorrichtung
gebildet sein, wobei die Polarität
hinsichtlich der Vorrichtungen, die in 7A und 7B gezeigt
sind, umgekehrt ist, wie es in 3 dargestellt
ist.
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Ein
Aufwachsen einer texturierten Schicht an einer Vorrichtung mit einem
Tunnelübergang
kann mehrere Vorteile bieten. Der Tunnelübergang bei der Vorrichtung
von 7A und 7B ermöglicht ein Aufwachsen
der texturierten Schicht 12 auf einer n-Typ-Schicht. Ein
Texturieren von p-Typ-III-Nitrid-Schichten
weist mehrere Nachteile auf. Erstens sehen Streuschichten, die in
p-Typ-Nitrid-Schichten geätzt
sind, im allgemeinen keine Oberfläche vor, die für einen
elektrischen Kontakt geeignet ist. Kontakte, die auf derartigen
Streuschichten gebildet sind, erhöhen häufig die Durchlassspannung
der Vorrichtung erheblich und zeigen eine schlechte Zuverlässigkeit. Ferner
ist die Bildung einer texturierten p-Typ-Schicht auf einer p-Typ-Schicht
durch eine SiNx-Nanomaske problematisch, weil das Vorhandensein
des Donator-Si in der Nanomaske wahrscheinlich in der Bildung eines
p-n-Übergangs
resultiert, was die Durchlassspannung der LED erhöht. Ferner
würden
die Taschen in einer texturierten p-Typ-Schicht die Menge an p-Typ-Material
unerwünschterweise
reduzieren, das für
ein Stromausbreiten verfügbar
ist. Eine Bildung einer texturierten Schicht auf der n-Typ-Schicht 7 kann
die oben beschriebenen elektrischen und Zuverlässigkeitsprobleme von texturierten
Schichten eliminieren, die auf p-Typ-III-Nitrid-Schichten gebildet sind.
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Der
Tunnelübergang
von 7A und 7B ermöglicht ferner,
dass die texturierte Schicht über
der aktiven Region der Vorrichtung positioniert ist, was ein Aufwachsen
der aktiven Region vor einem Aufwachsen der texturierten Schicht
ermöglicht. Da
die Versetzungs- bzw. Verlagerungsdichte von texturierten III-Nitrid-Schichten
dazu neigt, größer als die
Versetzungs- bzw. Verlagerungsdichte bei einer glatten III-Nitrid-Schicht
zu sein, ist es schwierig, eine aktive Region hoher Güte auf einer
texturierten Oberfläche
aufzuwachsen. Die Verwendung eines Tunnelübergangs vermeidet sowohl ein
Texturieren einer p-Typ-Region als auch ein Texturieren einer Region, die
vor der aktiven Region aufgewachsen ist.
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Ein
Verbinden eines Spiegels 13 mit einer texturierten Schicht 12 kann
ferner die Lichtextraktion bei der Vorrichtung verbessern. Ein Verbinden
eines flachen Spiegels auf die texturierte Schicht 12 erzeugt
Lufttaschen 16 zwischen dem Spiegel und der Streuschicht.
Diese Lufttaschen wirken ferner als Streuzentren. Derartige Lufttaschen
werden eventuell nicht gebildet, falls der Kontakt durch herkömmliche
Techniken aufgebracht ist, wie beispielsweise Sputtern, Verdampfung
oder Elektroplattieren anstelle durch ein Verbinden.
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Die
Verwendung der texturierten Schicht 12 mit der Polarisationsauswahlschicht 14,
wenn eine Polarisation erwünscht
ist, kann einige Ineffizienzen eliminieren, die herkömmlichen
Polarisatoren zugeordnet sind, die durch ein Absorbieren von Licht
der inkorrekten Polarisation wirken. Die texturierte Schicht 12 wirkt
als ein Polarisationsrandomisierer. Wenn Photonen einer unerwünschten
Polarisation von der Polarisationsauswahlschicht 14 weg
reflektieren, können
dieselben wieder von der texturierten Schicht 12 weg reflektieren,
was die Polarisationsrichtung der Photonen verändert. Nach einer oder mehreren
Reflexionen zwischen der Polarisationsauswahlschicht 14 und
der texturierten Schicht 12 können die Photonen die korrekte
Polarisation aufnehmen, um den Polarisator zu durchlaufen. Somit können Photonen,
die von der aktiven Region mit einer inkorrekten Polarisation emittiert
werden, schließlich
die korrekte Polarisation aufnehmen. In dem Fall, in dem ein externer
absorbierender Polarisator verwendet wird, werden Photonen mit einer
anfänglich
inkorrekten Polarisation absorbiert und deshalb verloren. In dem
Fall, bei dem keine texturier te Schicht vorhanden ist, gibt es wenig
Randomisierung der Polarisationsrichtung des reflektierten, inkorrekt polarisierten
Lichts. Deshalb reflektiert dieses Licht innerhalb der LED hin und
her, bis dasselbe schließlich
absorbiert und verloren wird.
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8 stellt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung dar, die eine texturierte Struktur umfasst, um
die Extraktion von Photonen aus der Vorrichtung zu verbessern. Die
texturierte Struktur 12 ist auf der Rückseite des Substrats 1 gegenüber den Vorrichtungsschichten
gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
muss das Substrat einen wesentlich höheren Brechungsindex als das
umgebende Medium aufweisen, so dass das meiste Licht von der aktiven
Region mit der texturierten Oberfläche in Wechselwirkung tritt.
Der Brechungsindex des Substrats sollte größer als 1,8 sein. Deshalb ist
das Substrat 1 typischerweise SiC (n 2,5). Die Vorrichtung,
die in 8 dargestellt ist, erfordert keinen Tunnelübergang.
Die texturierte Struktur 12 kann z. B. eine raue n-Typ-GaN-Schicht
sein. Sowohl der p- als auch der n-Kontakt sind auf der Seite des
Substrats über
der Texturierung gebildet. Die texturierte Schicht kann durch ein
epitaxiales Aufwachsen vor einem Aufwachsen der LED-Vorrichtungsschichten
auf der gegenüberliegenden
Seite des Substrats aufgebracht werden. Die charakteristischen Merkmale
der Texturierung sind identisch mit denselben, die oben mit Bezug
auf 7A und 7B beschrieben
sind.
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9 ist
eine Draufsicht einer Vorrichtung mit einem kleinen Übergang
(d. h. einer Fläche
von weniger als 1 mm2). 10 ist
ein Querschnitt der Vorrichtung, die in 9 gezeigt
ist, genommen entlang einer Achse CC. 9 und 10 stellen
eine Anordnung von Kontakten dar, die bei irgendeiner der epitaxialen
Strukturen 20 verwendet werden kann, die in 2, 3, 7A, 7B und 8 dargestellt
sind. Die Vorrichtung, die in 9 und 10 gezeigt
ist, weist eine einzige Durchkontaktierung 21 auf, die
nach unten zu einer n-Typ-Schicht der epitaxialen Struktur 20 unter
der aktiven Region geätzt
ist. Ein n-Kontakt 10 ist in der Durchkontaktierung 21 aufgebracht.
Die n-Durchkontaktierung 21 ist bei der Mitte der Vorrichtung
positioniert, um eine Einheitlichkeit einer Strom- und Lichtemission
zu liefern. Ein p-Kontakt 9 stellt
einen elektrischen Kontakt mit der p-Seite der aktiven Region der
epitaxialen Struktur 20 bereit. Bei Ausführungsbeispielen
mit einem Tunnelübergang
kann der p-Kontakt 9 auf
einer n-Typ-Schicht gebildet sein und kann die gleiche Struktur
und das gleiche Material wie der n-Kontakt 10 sein. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
kann der p-Kontakt 9 auf einer p-Typ-Schicht gebildet sein und
kann eine verbundene Schicht 13 sein, wie es in 7A dargestellt
ist. Bei noch anderen Ausführungsbeispielen
umfasst der p-Kontakt 9 eine optionale Schutzmetallschicht
(nicht gezeigt), die einen dünnen
p-Kontakt bedeckt, und eine dicke p-Metallschicht, die über der
Schutzmetallschicht aufgebracht ist. Der n-Kontakt 10 ist
von dem p-Kontakt 9 durch eine oder mehrere dielektrische
Schichten 22 getrennt. Eine p-Montagebasisverbindung 24,
z. B. ein benetzbares Metall zum Verbinden mit einem Lötmittel,
stellt eine Verbindung mit dem p-Kontakt 9 her und eine
n-Montagebasisverbindung 23 stellt
eine Verbindung zu dem n-Kontakt 10 her.
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Wie
es in 9 dargestellt ist, ist die Vorrichtung mit einer
Montagebasis durch drei Montagebasisverbindungen verbunden, zwei
p-Montagebasisverbindungen 24 und einer n-Montagebasisverbindung 23.
Die n-Montagebasisverbindung 23 kann irgendwo innerhalb
der n-Kontaktregion 10 positioniert sein (umgeben durch
die isolierende Schicht 22 und muss nicht direkt über der
Durchkontaktierung 21 positioniert sein. Gleichermaßen können die
p-Montagebasis-Verbindungen 24 irgendwo an dem p-Kontakt 9 positioniert
sein. Folglich ist die Verbindung der Vorrichtung mit einer Montagebasis
nicht durch die Form oder Platzierung des p-Kontakts 9 und
des n-Kontakts 10 begrenzt.
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11 ist
eine Draufsicht einer Vorrichtung mit einem großen Übergang (d. h. einer Fläche, die größer oder
gleich 1 mm2 ist). 12 ist
ein Querschnitt der Vorrichtung, die in 11 gezeigt
ist, genommen entlang einer Achse DD. 11 und 12 stellen
ferner eine Anordnung von Kontakten dar, die bei irgendeiner der
epitaxialen Strukturen 20, die in 2, 3, 7A, 7B und 8 dargestellt
sind, verwendet werden kann. Die aktive Region der epitaxialen Struktur 20 ist
in vier Regionen getrennt, die durch drei Gräben getrennt sind, in denen
n-Kontakte 10 gebildet sind. Jede Region ist mit einer
Montagebasis durch vier p-Montagebasis-Verbindungen 24 verbunden,
die an dem p-Kontakt 9 gebildet
sind. Wie es oben beschrieben ist, kann bei Vorrichtungen, die einen
Tunnelübergang
umfassen, der p-Kontakt 9 auf einer n-Typ-Schicht gebildet
sein und kann die gleiche Struktur und die gleichen Materialien
wie der n-Kontakt 10 sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann der p-Kontakt 9 auf einer p-Typ-Schicht gebildet sein
und kann eine Struktur oder ein Material aufweisen, die oder das
von dem n-Kontakt 10 unterschiedlich ist, oder der p-Kontakt 9 kann
eine verbundene Schicht 13 sein, wie es in 7A dargestellt
ist. Der n-Kontakt 10 umgibt die vier aktiven Regionen.
Der n-Kontakt 10 ist mit einer Montagebasis durch sechs
n-Montagebasis-Verbindungen 23 verbunden. Der n- und der
p-Kontakt können
durch eine isolierende Schicht 22 elektrisch getrennt bzw.
isoliert sein.
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Die
Vorrichtungen, die in 9 – 12 dargestellt
sind, sind typischerweise in einer Flip-Chip-Konfiguration befestigt,
derart, dass das meiste Licht, das aus der Vorrichtung austritt,
durch das Aufwachssubstrat 1 austritt. 13 und 14 stellen
eine oben emittierende Vorrichtung dar, bei der das meiste Licht,
das aus der Vorrichtung austritt, durch die obere Oberfläche der
epitaxialen Schichten austritt, die gleiche Oberfläche, auf
der die Kontakte gebildet sind. 13 ist
eine Draufsicht der oben emittierenden Vorrichtung. 14 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von 13,
entlang einer Achse E. Obwohl 14 eine
texturierte obere epitaxiale Schicht zeigt, können die epitaxialen Schichten 20 irgendeine
der epitaxialen Strukturen sein, die in 2, 3, 7A, 7B und 8 gezeigt
sind. Finger des p-Kontakts 9 liegen zwischen Fingern des
n-Kontakts 10. Der Bereich, der durch die Kontakte 9 und 10 bedeckt
ist, kann minimiert werden, falls die Kontakte 9 und 10 aus
einem Material gebildet sind, das für durch die aktive Region der
Vorrichtung emittiertes Licht absorbierend ist. Die Vorrichtung
kann mit den Anschlussleitungen eines Gehäuses drahtgebondet sein.
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16 stellt
die relative externe Quanteneffizienz (a.u.) als eine Funktion eines
Stroms für
zwei Vorrichtungen wie die Vorrichtung, die in 13 und 14 dargestellt
ist, dar, eine mit einer texturierten Schicht, die über einem
Tunnelübergang
gebildet ist, und eine mit einem Tunnelübergang, aber keiner texturierten
Schicht. Die gestrichelte Linie in 16 stellt
die Vorrichtung mit einer texturierten Schicht dar und die durchgezogene
Linie stellt die Vorrichtung ohne eine texturierte Schicht dar.
Wie es in 16 dargestellt ist, weist die
Vorrichtung, die eine texturierte Schicht umfasst, eine höhere externe
Quanteneffizienz als die Vorrichtung ohne die texturierte Schicht
auf, was angibt, dass die texturierte Schicht zu der Menge an Licht
beiträgt,
die von der Vorrichtung extrahiert wird.
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15 ist
eine auseinandergezogene Ansicht einer gehäusten lichtemittierenden Vorrichtung. Ein
wärmeableitendes
Festkörperteil
(Slug) 100 ist ein einen eingegossenen Leitungsrahmen bzw. Leadframe 106 platziert.
Der eingegossene Leitungsrahmen 106 ist z. B. ein gefülltes Kunststoffmaterial, das
um einen Metallrahmen gegossen ist, der einen elektrischen Weg bereitstellt.
Das Festkörperteil 100 kann
eine optionale Reflektorschale 102 umfassen. Der lichtemittierende
Vorrichtungschip 104, der irgendeine der oben beschriebenen
Vorrichtungen sein kann, ist direkt oder indirekt über eine
thermisch leitende Montagebasis 103 an dem Festkörperteil 100 befestigt.
Eine optische Linse 108 kann hinzugefügt sein.
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Nachdem
die Erfindung detailliert beschrieben wurde, ist Fachleuten auf
dem Gebiet ersichtlich, dass angesichts der vorliegenden Offenbarung
Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
von der Wesensart des erfindungsgemäßen Konzepts abzuweichen, das
hierin beschrieben ist. Deshalb soll der Schutzbereich der Erfindung nicht
auf die spezifischen Ausführungsbeispiele
begrenzt sein, die dargestellt und beschrieben sind.