DE102006002151B4

DE102006002151B4 - Licht emittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006002151B4
Application number: DE102006002151A
Authority: DE
Inventors: Min Ho Kyonggi Kim; Kyeong Ik Min; Masayoshi Kyonggi Koike
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: US20070007541A1; JP4558656B2; JP2007019455A; TWI291774B; DE102006002151A1; KR20070006087A; KR100674858B1; TW200703713A; CN1893128A

Abstract

Licht emittierende Halbleitervorrichtung, welche aufweist:
eine erste und zweite leitfähige Nitridschicht; und eine Vielzahl aktiver Bereiche, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und nacheinander zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Nitridschicht gebildet sind,
wobei die aktiven Bereiche wenigstens einen ersten aktiven Bereich mit einer Vielzahl von ersten Quantenbarriereschichten und Quantentrogschichten und einen zweiten Bereich aufweisen, der Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die größer ist als die des ersten aktiven Bereichs, und
wobei nur der zweite aktive Bereich eine Vielzahl von zweiten Quantenbarriereschichten und wenigstens eine unterbrochene Quantentrogstruktur aufweist, die zwischen der Vielzahl zweiter Quantenbarriereschichten gebildet ist, wobei die unterbrochene Quantentrogstruktur jeweils eine Vielzahl an Quantenpunkten oder Kristalliten aufweist, wobei die Quantenbarriereschichten und Quantentrogstrukturen des ersten und zweiten aktiven Bereichts unmittelbar aufeinander folgen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine weißes Licht emittierende Vorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine monolithische weißes Licht emittierende Vorrichtung, welche wenigstens 2 aktive Bereiche aufweist, die Licht von unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und als einzelne Vorrichtung gestaltet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Stands der Technik
Im Allgemeinen stellt eine weißes Licht emittierende Vorrichtung, bei welcher eine Leuchtdiode (LED = light emitting diode) verwendet wird, eine hohe Helligkeit und eine hohe Effizienz sicher, wodurch diese weit verbreitet als Hintergrundbeleuchtung für Leuchtgeräte oder Anzeigegeräte verwendet wird.
Wohlbekannte Prozesse zum Gestalten der weißes Licht emittierenden Vorrichtung beinhalten die einfache Kombination von blauen, roten und grünen LEDs, die als getrennte LED hergestellt werden, und die Verwendung einer fluoreszierenden Substanz. Die Kombination aller verschiedenfarbiger LEDs auf der gleichen Leiterplatte erfordert somit einen komplizierten Treiberschaltkreis, was zu einem Begleitnachteil in Form von Schwierigkeiten der Miniaturisierung führt. Folglich wird üblicherweise ein Herstellungsprozess der weißes Licht emittierenden Vorrichtung mittels einer fluoreszierenden Substanz verwendet.
Herkömmliche Herstellungsprozesse für die weißes Licht emittierende Vorrichtung mittels einer fluoreszierenden Substanz beinhalten die Verwendung einer blaues Licht emittierenden Vorrichtung und die Verwendung einer ultraviolettes Licht emittierenden. Vorrichtung. Zum Beispiel wird in dem Fall, dass eine blaues Licht emittierende Vorrichtung verwendet wird, eine YAG fluoreszierende Substanz verwendet, um blaues Licht in weißes Licht umzuwandeln. Das heißt, von einer blauen LED erzeugte blaue Wellenlänge regt Yttrium Aluminium Garnet (YAG) an, um schließlich weißes Licht zu produzieren.
Jedoch sind die soeben beschriebenen herkömmlichen Prozesse darin beschränkt, gute Farben zu erhalten, da fluoreszierendes Pulver nachteilig die Eigenschaften der Vorrichtung beeinflusst, und Lichteffizienz und Farbkompensationsindex das Anregen der fluoreszierenden Substanz verringern.
In einem Versuch, solche Probleme zu lösen, wird gerade eine Studie durchgeführt bezüglich der monolithischen weißes Licht emittierenden Vorrichtung, welche eine Vielzahl aktiver Bereiche aufweist, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge ohne fluoreszierende Substanz aufweisen. Als eine Art monolithische weißes Licht emittierende Vorrichtung wird in US 5 684 309 A ein weißes Licht emittierende Vorrichtung offenbart, wie in 1 dargestellt.
Wie in 1 dargestellt, weist die weißes Licht emittierende Vorrichtung 10 eine erste leitfähige Nitridschicht 13 und eine zweite Nitridschicht 18 auf, die auf einem Träger 11 gebildet ist, mit einer Pufferschicht 12, die zwischen den Träger 11 und die erste leitfähige Nitridschicht 13 eingeschoben ist. Zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Nitridschicht 13, 18 befinden sich eine erste, zweite und dritte aktive Schicht 15, 16, 17, die Licht mit 3 unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, sowie Barriereschichten 14a, 14b, 14c, 14d. Ebenfalls sind auf der ersten und zweiten leitenden Nitridschicht 13, 18 erste und zweite Elektroden 19a, 19b vorgesehen.
In einer in 1 dargestellten Struktur weisen der erste bis dritte aktive Bereich 15, 16, 17 eine Zusammensetzung auf, die durch In_xGa_1-xN (x ist eine Variable) ausgedrückt wird, um jeweils blaues, grünes und rotes Licht zu emittieren. Blaues grünes und rotes Licht, das von jedem aktiven Bereich 15, 16, 17 erhalten wird, wird kombiniert, um schließlich das gewünschte weiße Licht zu erzeugen.
Jedoch weist die in der genannten Schrift offenbarte weißes Licht emittierende Vorrichtung keine hohe Lichtausbeute auf, und die drei Farben zum Erhalten des weißen Lichts können nicht gleich verteilt werden. Dies hat, wie in 2 dargestellt, den Grund, dass der aktive Bereich 17, welcher rotes Licht emittiert, eine Energiebandlücke Eg3 aufweist, der wesentlich geringer ist als die Energiebandlücken Eg1, Eg2 der aktiven Bereiche 15, 16, welche blaues und grünes Licht emittieren. Zum Beispiel sind die Energiebandlücken Eg1, Eg2 der aktiven Bereiche 15, 16, welche blaues und grünes Licht emittieren, jeweils ungefähr 2,7 eV, 2,4 eV, wohingegen die Energiebandlücke Eg3 des aktiven Bereichs 17, welcher rotes Licht emittiert, mit ungefähr 1,8 eV einen relativ geringen Wert hat.
Gleichermaßen hat die geringe Energiebandlücke Eg3 des aktiven Bereichs 17 mit langer Wellenlänge Ladungsträgerlokalisierung zur Folge, da Ladungsträger, die von der zweiten leitfähigen Nitridschicht 18 bereitgestellt werden, nicht den aktiven Bereich 17, welcher rotes Licht emittiert, passieren. Als Folge sind die meisten Ladungsträger in dem aktiven Bereich 17, welcher rotes Licht emittiert, darin eingeschränkt, in Licht umgewandelt zu werden, wodurch es weniger wahrscheinlich wird, dass sie den blauen und grünen aktiven Bereich 15, 16 erreichen. Dies wird in dem Fall verschlimmert, wenn die zweite leitfähige Nitridschicht 18 eine p-Typ Nitridschicht ist, da die in dem aktiven Bereich 17, welcher rotes Licht emittiert, eingeschränkten Ladungsträger eine geringere Beweglichkeit aufweisen als Elektronen.
Die herkömmliche weißes Licht emittierende Vorrichtung weist eine maßgeblich geringere Rekombinationseffizienz des aktiven Bereichs mit kurzer Wellenlänge aufgrund von Einschränkungen der Ladungsträger durch aktive Bereiche mit langer Wellenlänge auf. Somit kann kein weißes Licht durch genaue Farbverteilung erhalten werden.
Aus der US 2005/0 092 980 A1 sind Licht emittierende Dioden mit Breitbandspektrum bekannt, die ein Substrat, eine Pufferschicht, eine N-Typ-Schicht, wenigstens eine Quantenpunkt emittierende Schicht und eine P-Typ-Schicht aufweisen. Dabei können die Dimensionen der Quantenpunkte unterschiedlicher Quantenpunkt emittierender Schichten voneinander abweichen.
Aus der US 6 445 009 B1 ist eine Vorrichtung mit einem Siliziumsubstrat bekannt, wobei eine Beschichtung mit wenigstens einer Lage vorgesehen ist, die aus einer Ebene von GaN- oder GaInN-Quantenpunkten gebildet wird, die in einer entsprechenden Schicht aus AlN oder GaN bei Raumtemperatur sichtbares Licht emittieren.
Die US 2005/0067627 A1 betrifft eine Weißlichtdiode mit einer Vielzahl aktiver Schichten, die beispielsweise als Quantenpunkte ausgebildet sein können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme im Stand der Technik zu lösen, und es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue monolithische Licht emittierende Vorrichtung vorzusehen, welche die Rekombinationseffizienz eines aktiven Bereichs mit kurzer Wellenlänge verbessert, indem ein aktiver Bereich mit einer langen Wellenlänge aus einer Vielzahl aktiver Bereiche, die mit einer unterschiedlichen Wellenlänge emittieren, mit einer unterbrochenen Struktur, wie beispielsweise Quantenpunkten oder Quantenkristalliten statt einer durchgehenden Schichtstruktur, hergestellt wird.
Gemäß einem Gegenstand der Erfindung zur Durchführung des Ziels ist eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung vorgesehen, welche eine erste und zweite leitfähige Nitridschicht aufweist; und eine Vielzahl aktiver Bereiche, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und nacheinander zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Nitridschicht gebildet sind, wobei die aktiven Bereiche wenigstens einen ersten aktiven Bereich mit einer Vielzahl von ersten Quantenbarriereschichten und Quantentrogschichten und einen zweiten aktiven Bereich aufweisen, der Licht mit einer Wellenlänge emittiert, welche größer ist als die des ersten aktiven Bereichs, und wobei der zweite aktive Bereich eine Vielzahl von zweiten Quantenbarriereschichten und wenigstens eine unterbrochene Quantentrogstruktur aufweist, die zwischen der Vielzahl zweiter Quantenbarriereschichten gebildet ist, wobei die unterbrochene Quantentrogstruktur jeweils eine Vielzahl an Quantenpunkten oder Kristalliten aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der zweite aktive Bereich, der lange Wellenlängen emittiert, was Einschränkung der Ladungsträger hervorruft, die unterbrochene Struktur mit Quantenpunkten oder Kristalliten auf. Dadurch wird die Effizienz von Ladungsträgerinjektion, die an dem ersten aktiven Bereich, welcher kurze Wellenlängen emittiert, vorgesehen wird, wesentlich verbessert.
Die Vielzahl der Quantenpunkte oder Kristallite, welche die unterbrochene Quantentrogstruktur bilden, nehmen vorzugsweise eine Gesamtfläche von 20 bis 75% der gesamten Fläche einer Oberfläche einer entsprechenden zweiten Quantenbarriereschicht ein. Wenn die Gesamtfläche der Quantentrogstruktur weniger als 20% beträgt, kann eine ausreichende Helligkeit nicht sichergestellt werden, während, wenn diese größer als 75% ist, die Rekombinationseffizienz des ersten aktiven Bereichs, der kurze Wellenlänge emittiert, nicht ausreichend erhöht werden kann.
Vorzugsweise weist der zweite aktive Bereich wenigstens 4 Quantenbarriereschichten und wenigstens 3 unterbrochene Quantentrogstrukturen auf, die zwischen wenigstens 4 Quantenbarriereschichten gebildet sind, wobei jede der unterbrochenen Quantentrogstrukturen eine Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten aufweist, die jeweils zwischen wenigstens 4 Quantenbarriereschichten gebildet sind. Dabei kann durch die unterbrochene Quantentrogstruktur eine ausreichende Helligkeit sichergestellt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erste aktive Bereich 2 aktive Schichten auf, wobei eine Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge und die andere Licht von ungefähr 510 bis 535 nm emittiert. Der zweite aktive Bereich ist angepasst, um Licht von ungefähr 600 bis 635 nm Wellenlänge zu emittieren. Das heißt, die beiden aktiven Schichten des ersten aktiven Bereichs emittieren jeweils blaues und grünes Licht, und der zweite aktive Bereich ist angepasst, um rotes Licht zu emittieren, wodurch am Ende weißer Lichteingang erzeugt wird.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste aktive Bereich angepasst sein, um Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge zu emittieren, und der zweite aktive Bereich kann angepasst sein, um Licht von ungefähr 550 bis 600 nm Wellenlänge zu emittieren. Das heißt, dass der erste aktive Bereich angepasst ist, um grün-verzerrtes blaues Licht zu emittieren, und der zweite aktive Bereich angepasst ist, um gelbes Licht zu emittieren, wodurch schließlich weißes Licht erzeugt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der erste aktive Bereich eine Zusammensetzung auf, die ausgedrückt wird durch In_x1Ga_1-x1N, wobei 0 ≤ x₁ ≤ 1 ist. Wie in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, können in dem Fall, in dem 2 aktive Schichten gebildet werden, In-Gehalte (x₁) angemessen verändert werden, um aktive Schichten zu bilden, die Licht mit der gewünschten Wellenlänge emittieren.
Der zweite aktive Bereich weist ebenfalls eine Zusammensetzung auf, die durch In_x2Ga_1-x2N (0 < x₂ ≤ 1) ausgedrückt wird. In diesem Fall weist, um den Kristallin-Abbau und die Wellenlängenänderung zu lösen, die aus dem Anstieg von In-Gehalten resultieren, die unterbrochene Quantentrogstruktur des zweiten aktiven Bereichs vorzugsweise eine Zusammensetzung auf, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt wird, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist.
In dem Fall, in dem die erste leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und die zweite leitfähige Nitridschicht eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, wird der zweite aktive Bereich angrenzend an die zweite leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid angeordnet. Des weiteren werden in dem Fall, in dem der erste aktive Bereich eine Vielzahl von Schichten aufweist, die Licht von unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, der erste und zweite aktive Bereich auf eine solche Weise angeordnet, dass ein aktiver Bereich oder eine aktive Schicht mit einer längeren Wellenlänge näher an die zweite leitfähige Schicht angrenzend angeordnet ist.
Insbesondere in dem Fall, wenn der zweite aktive Bereich eine Zusammensetzung aufweist, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt wird, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist, sollte die Wachstumstemperatur durch Ablagerungsvorgang vorzugsweise so gewählt werden, dass der zweite aktive Bereich später als der erste aktive Bereich gebildet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Die oben genannten und andere Ziele, Einzelheiten und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der folgenden genauen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungsfiguren, in welchen:
1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen, weißes Licht emittierenden Vorrichtung ist;
2 ein Diagramm ist, welches das Energieband für einen aktiven Bereich einer herkömmlichen, weißes Licht emittierenden Vorrichtung darstellt;
3 eine Schnittansicht einer weißes Licht emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
4a und 4b Diagramme einer senkrechten Ansicht sind, welche das Energieband eines aktiven Bereichs der weißes Licht emittierenden Vorrichtung zeigen;
5 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Oberfläche einer unterbrochenen Quantenstruktur, die in einem aktiven Bereich verwendet wird, gemäß der Erfindung darstellt; und
6 eine Schnittansicht ist, welche die weißes Licht emittierende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren genauer beschrieben.
3 ist eine Schnittansicht einer weißes Licht emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 3 enthält die weißes Licht emittierende Vorrichtung 30 eine erste leitfähige Nitridschicht 33 und eine zweite leitfähige Nitridschicht 38, die auf einem Träger 31 gebildet sind, mit einer Pufferschicht 32, die zwischen den Träger 31 und die erste leitfähige Nitridschicht 33 eingeschoben ist, und aktive Bereiche 35, 36, 37, die blaue, grüne und rote Lichtwellenlängen emittieren, zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Nitridschicht 33, 38.
Die blauen und grünen aktiven Bereiche 35, 36 enthalten übliche durchgehende Schichten und können eine mehrfache Quantentrogstruktur mit einer Vielzahl von Quantentrogschichten und Quantenbarriereschichten (nicht dargestellt) enthalten. Der blaue und grüne aktive Bereich 35, 36 können ebenfalls Quantentrogschichten aufweisen, wobei eine Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge und die andere Licht von ungefähr 510 bis 535 nm Wellenlänge emittiert. Vorzugsweise haben der blaue und grüne aktive Bereich 35, 36 eine Zusammensetzung, die durch In_x1Ga_1-x1N mit unterschiedlichen Indium-Gehalten (x₁) ausgedrückt ist, wobei 0 ≤ x₁ ≤ 1 ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein aktiver Bereich 37, der rotes Licht emittiert, 4 Quantenbarriereschichten 37a und 3 unterbrochene Quantentrogstrukturen 37b, die aus einer Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten hergestellt sind und jeweils zwischen den 4 Quantenbarriereschichten gebildet sind. In dieser Beschreibung bedeutet unterbrochene Quantentrogstruktur eine Struktur mit einer Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten, die über einer Gesamtfläche angeordnet sind, mit Ausnahme von Quantentrogschichten, die eine vollständige, durchgehend über eine Oberfläche gewachsene Schichtstruktur aufweisen. Die Quantenpunkte oder Kristallite 37b auf einer Ebene sind zwischen zwei Barriereschichten 37a des rotes Licht emittierenden aktiven Bereichs 37 zwischengelegt. Das heißt, dass eine Barriereschicht 37a eine Oberfläche vorsieht, auf der Quantenpunkte oder Kristallite 37b gewachsen sind, und als Deckschicht für darunter liegende Quantenpunkte oder Kristallite 37b dient.
Die unterbrochene Quantentrogstruktur 37b oder die Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten gemäß der Erfindung sieht Quantentröge vor, um rotes Licht zu emittieren. Das heißt, dass die Struktur 37b aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das Licht von ungefähr 600 bis 635 nm Wellenlänge emittiert. Die Barriereschicht 37a des rotes Licht emittierenden aktiven Bereichs 37 und die unterbrochene Quantentrogstruktur 37b können eine Zusammensetzung aufweisen, die durch In_x2Ga_1-x2N mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ausgedrückt wird, wobei 0 < x₂ ≤ 1 ist. Zum Beispiel kann der rotes Licht emittierende aktive Bereich 37 aus GaN-Quantenbarriereschichten und In_0,7Ga_0,3N-Quantenpunkten gebildet sein. Jedoch bauen große Abschnitte von In-Gehalten die Kristallinität ab und bewirken ungewünschte Wellenlängenänderungen aufgrund von Phasentrennung. Somit sollte die unterbrochene Quantentrogstruktur 37b zum Emittieren von rotem Licht vorzugsweise eine Zusammensetzung aufweisen, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt ist, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist.
Die erste leitfähige Nitrid-Halbleiterschicht 33 kann eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid sein, und die zweite leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid 38 kann eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid sein. In diesem Fall, wie in dieser Ausführungsform der Erfindung dargestellt, ist der rotes Licht emittierende aktive Bereich 37 vorzugsweise an die zweite leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid 38 angrenzend angeordnet. Der blaue und grüne aktive Bereich 35, 36 sind vorzugsweise auf eine solche Weise angeordnet, dass jeder aktive Bereich mit einer längeren Wellenlänge näher an die zweite leitfähige Nitridschicht 38 angrenzend angeordnet ist.
Dies ist so aufgrund von Verfahrensbedingungen wie beispielsweise Wachstumstemperatur und wird bei 5 genauer erklärt.
Die unterbrochene Quantentrogstruktur 37b, welche Quantenpunkte oder Kristallite gemäß der Erfindung aufweist, kann direkt den grünen aktiven Bereich 36 mit Ladungsträgern (z. B. Löchern), die von der zweiten leitfähigen Halbleiterschicht aus Nitrid 38 injiziert werden, vorsehen.
Das heißt, dass entlang einem Ladungsträgerweg A-A', wo Ladungsträger Flächen passieren, die Quantenpunkte oder Kristallite 37b aufweisen, wie in 4a dargestellt, ein Energieband gleich einem herkömmlichen, wie in 2 dargestellt, gebildet wird. In diesem Fall passieren Ladungsträger, die von der ersten leitfähigen Halbleiterschicht aus Nitrid 33 injiziert werden, durch die Quantentrogstruktur 37b des rotes Licht emittierenden Bereichs 37, wodurch eine geeignete rote Lichtemission hervorgerufen wird.
Entlang einem Ladungsträgerweg B-B' hingegen, wo Ladungsträger Flächen passieren, die keine Quantenpunkte oder Kristallite 37b aufweisen, wie in 4b dargestellt, passieren Ladungsträger, die von der ersten leitfähigen Halbleiterschicht aus Nitrid 33 injiziert werden, nur GaN-ähnliche Quantenbarriereschichten 37a ohne Quantentrogstruktur in dem rotes Licht emittierenden aktiven Bereich. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass Ladungsträger in der Quantentrogstruktur 37b des rotes Licht emittierenden Bereichs mit langer Wellenlänge 37 eingeschränkt werden, was zur Folge hat, dass die Ladungsträger-Dotiereffizienz in den grünes oder blaues Licht emittierenden Bereichen mit kurzer Wellenlänge 35, 36 erhöht wird.
Der rotes Licht emittierende aktive Bereich 37 weist aufgrund seiner unterbrochenen Struktur eine noch geringere Lichtemissionseffizienz auf als die durchgehenden, blaues oder grünes Licht emittierenden aktiven Bereiche 35, 36. Um dieses Problem zu lösen, enthält die rotes Licht emittierende Schicht 37, wie in dieser Ausführungsform dargestellt, vorzugsweise wenigstens 4 Quantenbarriereschichten 37a und wenigstens 3 unterbrochene Quantentrogstrukturen 37b.
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Oberfläche einer unterbrochenen Quantenstruktur, die in dem ersten aktiven Bereich verwendet wird, darstellt. 5 ist so zu verstehen, dass sie einen Zustand darstellt, bei welchem Quantenpunkte in einem Herstellungsvorgang einer Licht emittierenden Vorrichtung ähnlich zu 4 gebildet werden.
Wie in 5 dargestellt, sind eine Pufferschicht 52, eine erste leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid 53, ein blaues Licht emittierender aktiver Bereich 55 und ein grünes Licht emittierender aktiver Bereich 56 nacheinander auf einem Träger 51 gebildet, und dann wird ein rotes Licht emittierender aktiver Bereich 57 darauf gebildet. Der rotes Licht emittierende aktive Bereich 57 wird durch einen Vorgang des Bildens einer unterbrochenen Quantentrogstruktur 57b, wie beispielsweise Quantenbarriereschicht 57a, Quantenpunkten oder Kristalliten gebildet.
Die unterbrochene Quantentrogstruktur 57b weist, wie oben beschrieben, eine Zusammensetzung auf, die durch Inx₂Ga_1-x2N ausgedrückt wird, wobei 0 < x₂ ≤ 1 ist, weist aber vorzugsweise eine Zusammensetzung auf, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt ist, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist. Die unterbrochene Quantentrogstruktur 57b kann einfach durch ein dem Fachmann bekanntes Verfahren gebildet werden.
Des weiteren wird der aktive Bereich mit langer Wellenlänge, oder rotes Licht emittierender aktiver Bereich 57, wie in dieser Ausführungsform der Erfindung dargestellt, vorzugsweise gebildet, nachdem die aktiven Bereiche 55, 56, welche Licht anderer Wellenlänge emittieren, gebildet wurden. Insbesondere in dem Fall, in dem eine unterbrochene Quantentrogstruktur 57b aus AlInGaN gebildet wird, sollte die Wachstumstemperatur so gewählt werden, dass die Struktur 57b später als die anderen aktiven Bereiche 55, 56 gebildet wird. Entsprechend, da die p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid im Allgemeinen oben angeordnet ist, grenzt der rotes Licht emittierende aktive Bereich 57 in der Licht emittierenden Vorrichtung an die p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid an, und die blaues und grünes Licht emittierenden Bereiche 55, 56 sind vorzugsweise auf eine solche Art angeordnet, dass jede aktive Schicht mit einer längeren Wellenlänge näher an die p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid angrenzend angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung wird es bei dem roten aktiven Bereich 57 mit der unterbrochenen Quantentrogstruktur 57b bevorzugt, dass größere Bereiche einer Fläche keine unterbrochene Quantentrogstruktur aufweisen, um die Einschränkungen der Ladungsträger zu mindern. Wenn aber die unterbrochene Quantentrogstruktur in zu kleinen Bereichen der Fläche nicht besteht, kann die Lichtemissionseffizienz des rotes Licht emittierenden Bereichs mit kurzer Wellenlänge 57 nicht ausreichend sichergestellt werden. Demgemäss weist die Vielzahl der Quantenpunkte oder Kristallite eine Gesamtfläche ΣSd auf, welche 20 bis 75% der gesamten Fläche ST einer oberen Fläche einer entsprechenden zweiten Quantenbarriereschicht beträgt. Der Bereich mit der Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten kann erhalten werden, indem Temperatur und Zeit während des Wachstumsvorgangs gesteuert werden und somit Größe und Dichte der Quantenpunkte oder Kristallite genau gesteuert werden.
Die Ausführungsform wie oben beschrieben stellt 3 aktive Bereiche dar, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Das heißt, dass der Schutzbereich der Erfindung eine Licht emittierende Vorrichtung mit 2 aktiven Bereichen oder wenigsten 4 aktiven Bereichen umfasst. Zum Beispiel kann die Erfindung wie in 6 dargestellt als eine Licht emittierende Vorrichtung mit 2 aktiven Bereichen, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, gestaltet sein.
Unter Bezugnahme auf 6 enthält die weißes Licht emittierende Vorrichtung 60, gleich zu 3, eine erste leitfähige Nitridschicht 63 und eine zweite leitfähige Nitridschicht 68, die auf einem Träger 61 gebildet sind, mit einer Pufferschicht 62, die zwischen den Träger 61 und die erste leitfähige Nitridschicht 63 zwischengelegt ist, und ein erster und zweiter aktiver Bereich 65, 67, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, sind zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Schicht 63, 68 gebildet. Um weißes Licht zu emittieren, ist der erste aktive Bereich 65 angepasst, um Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge zu emittieren, und der zweite aktive Bereich 67 ist angepasst, um Licht von ungefähr 550 bis 600 nm Wellenlänge zu emittieren.
Der erste aktive Bereich 65 ist eine übliche durchgehende Schicht und weist eine Zusammensetzung auf, die durch In_x1Ga_1-x1N ausgedrückt ist, wobei 0 ≤ x₁ ≤ 1 ist. Ebenfalls weist der erste aktive Bereich 65 eine mehrfache Quantentrogstruktur auf, die aus einer Vielzahl von Quantentrogschichten und Quantenbarriereschichten (nicht dargestellt) hergestellt ist. Der zweite aktive Bereich 67 kann 3 Quantenbarriereschichten 67a und 2 unterbrochene Quantentrogstrukturen 67b aufweisen, die aus einer Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten hergestellt sind und jeweils zwischen den 3 Quantenbarriereschichten 67a gebildet sind. In diesem Fall kann die Barriereschicht 67a des zweiten aktiven Bereichs 67 und die unterbrochene Quantentrogstruktur 67b eine Zusammensetzung aufweisen, die durch In_x2Ga_1-x2N mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ausgedrückt wird, wobei 0 < x₂ ≤ 1 ist. Vorzugsweise weist die Quantentrogstruktur 67b eine Zusammensetzung auf, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt wird, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist.
Gleichermaßen kann, bezogen auf die 2 aktiven Bereiche, die Licht von unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, die unterbrochene Quantentrogstruktur in dem zweiten aktiven Bereich, welche lange Wellenlängen emittiert, verwendet werden. Dadurch werden Einschränkungen der Ladungsträger, welche in dem zweiten aktiven Bereich auftreten, verhindert, und die Lichtemissionseffizienz des ersten aktiven Bereichs wird verbessert. Dies hat eine angemessene Farbverteilung des ersten und zweiten aktiven Bereichs zur Folge, um zu weißem Licht kombiniert zu werden.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Verwenden der unterbrochenen Quantentrogstruktur in den aktiven Bereichen mit langer Wellenlänge vor, um Ladungsträgerlokalisierung, die in dem aktiven Bereich mit langer Wellenlänge auftritt, bezogen auf eine herkömmliche Struktur einer Vielzahl von durchgehenden aktiven Bereichen zu reduzieren. Somit wird, wie oben angegeben, die Anzahl der aktiven Bereiche oder die weißes Licht emittierende Vorrichtung nicht begrenzt. Bei der Licht emittierenden Halbleitervorrichtung zum Erzeugen bestimmten Lichts durch Kombinieren von wenigstens 2 aktiven Bereichen, die Licht von unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, schließt die vorliegende Erfindung alle Arten von Licht emittierenden Vorrichtungen ein, die nur den aktiven Bereich mit langer Wellenlänge wählen, der Ladungsträgerlokalisierung verursacht, um ihn durch die unterbrochene Quantentrogstruktur, wie beispielsweise Quantenpunkte oder Kristallite, zu ersetzen.
Wie oben angegeben wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung vorgesehen, welche in der Lage ist, die Rekombinationseffizienz von aktiven Bereichen mit kurzer Wellenlänge zu erhöhen. Dies wird möglich, indem nur der aktive Bereich mit langer Wellenlänge, der Ladungsträgerlokalisierung verursacht, aus wenigstens 2 aktiven Bereichen, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, gewählt wird, um durch eine unterbrochene Quantentrogstruktur, wie beispielsweise Quantenpunkte oder Kristallite, ersetzt zu werden. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung relativ gleichmäßige Farbverteilung in den aktiven Bereichen unterschiedlicher Wellenlänge und kann somit verwendet werden, um eine monolithische weißes Licht emittierende Vorrichtung mit hoher Effizienz durch Kombinieren bestimmter Lichtwellenlängen herzustellen.

Claims

Licht emittierende Halbleitervorrichtung, welche aufweist: eine erste und zweite leitfähige Nitridschicht; und eine Vielzahl aktiver Bereiche, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und nacheinander zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Nitridschicht gebildet sind, wobei die aktiven Bereiche wenigstens einen ersten aktiven Bereich mit einer Vielzahl von ersten Quantenbarriereschichten und Quantentrogschichten und einen zweiten Bereich aufweisen, der Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die größer ist als die des ersten aktiven Bereichs, und wobei nur der zweite aktive Bereich eine Vielzahl von zweiten Quantenbarriereschichten und wenigstens eine unterbrochene Quantentrogstruktur aufweist, die zwischen der Vielzahl zweiter Quantenbarriereschichten gebildet ist, wobei die unterbrochene Quantentrogstruktur jeweils eine Vielzahl an Quantenpunkten oder Kristalliten aufweist, wobei die Quantenbarriereschichten und Quantentrogstrukturen des ersten und zweiten aktiven Bereichts unmittelbar aufeinander folgen.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Quantenpunkte oder Kristallite vorzugsweise eine Gesamtfläche von 20 bis 75% der gesamten Fläche einer oberen Fläche einer entsprechenden zweiten Quantenbarriereschicht einnehmen.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der zweite aktive Bereich wenigstens 4 Quantenbarriereschichten und wenigstens 3 unterbrochene Quantentrogstrukturen aufweist, die zwischen wenigstens 4 Quantenbarriereschichten gebildet sind, wobei jede der unterbrochenen Quantentrogstrukturen eine Vielzahl von Quantenpunkten oder Kristalliten aufweist, die jeweils zwischen wenigstens 4 Quantenbarriereschichten gebildet sind.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste aktive Bereich angepasst ist, um Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge zu emittieren, und der zweite aktive Bereich angepasst ist, um Licht von ungefähr 550 bis 600 nm Wellenlänge zu emittieren.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste aktive Bereich 2 aktive Schichten aufweist, wobei eine Licht von ungefähr 450 bis 475 nm Wellenlänge emittiert und die andere Licht von ungefähr 510 bis 535 nm emittiert und wobei der zweite aktive Bereich angepasst ist, um Licht von ungefähr 600 bis 635 nm Wellenlänge zu emittieren.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste leitfähige Nitridschicht eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und die zweite leitfähige Nitridschicht eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und wobei der zweite aktive Bereich angrenzend an die zweite leitfähige Nitridschicht angeordnet ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und die zweite leitfähige Nitridschicht eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, der erste aktive Bereich eine Vielzahl von Schichten aufweist, die Licht von unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, und wobei der erste und zweite aktive Bereich auf eine solche Weise angeordnet sind, dass ein aktiver Bereich oder eine aktive Schicht, die eine längere Wellenlänge aufweist, näher an die zweite leitfähige Schicht angrenzend angeordnet ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste aktive Bereich eine Zusammensetzung aufweist, die durch In_x1Ga_1-x1N ausgedrückt wird, wobei 0 ≤ x₁ ≤ 1 ist. der
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der zweite aktive Bereich eine Zusammensetzung aufweist, die durch In_x2Ga_1-x2N ausgedrückt wird, wobei 0 < x₂ ≤ 1 ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste leitfähige Halbleiterschicht aus Nitrid eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und die zweite leitfähige Nitridschicht eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, der erste aktive Bereich eine Vielzahl von Schichten aufweist, die Licht von unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, und wobei der erste und zweite aktive Bereich auf eine solche Weise angeordnet sind, dass ein aktiver Bereich oder eine aktive Schicht, die eine längere Wellenlänge aufweist, näher an die zweite leitfähige Schicht angrenzend angeordnet ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die unterbrochene Quantentrogstruktur des zweiten aktiven Bereichts eine Zusammensetzung aufweist, die durch Al_yIn_zGa_1-(y+z)N oder (Al_vGa_1-v)_uIn_1-uP ausgedrückt wird, wobei 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 ≤ v ≤ 1 und 0 ≤ u ≤ 1 ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste leitfähige Nitridschicht eine n-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und die zweite leitfähige Nitridschicht eine p-Typ-Halbleiterschicht aus Nitrid aufweist, und wobei der zweite aktive Bereich angrenzend an die z weite leitfähige Nitridschicht angeordnet ist.