DE102008004448B4 - Epitaxie-Struktur sowie lichtemittierende Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen - Google Patents

Epitaxie-Struktur sowie lichtemittierende Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen Download PDF

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Abstract

Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung, umfassend ein Substrat (10); eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) als erste Halbleiter-Leitschicht, die auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; eine aktive Schicht (30), die als Schichtabfolge von Quantentöpfen auf der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) ausgebildet ist; und eine zweite Halbleiter-Leitschicht (40), die auf der aktiven Schicht (30) ausgebildet ist; wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, zwischen der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) und der aktiven Schicht (30) zufällig gestreut sind, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung, insbesondere eine für lichtemittierende Einrichtungen angewendete Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen (Multiple Quantum Well MQW-Structure MQWS).
  • Es ist allgemein bekannt, dass bei einer lichtemittierende Einrichtung (light-emitting device, LED) das Licht aus der internen aktiven Schicht in alle Richtungen ausgestrahlt wird, wobei die Effizienz einer LED mit folgender Gleichung ermittelt wird: Eeff = Ei(intern)·Ee(extern)
  • Dabei stellt Ei die Lichtausbeute von einer internen aktiven Schicht dar und Ee die vom externen Licht extrahierte Lichtausbeute.
  • Zur Erhöhung der Lichtausbeute einer LED richtet sich im Stand der Technik eine typische Optimierung der LED-Lichtausbeute meistens auf die Optimierung der vom externen Licht extrahierte Lichtausbeute, die beispielsweise aus der US-Offenlegungsschrift Nr. US 2005/0 082 562 A1 gemäß 1A, der US-Offenlegungsschrift Nr. US 2005/0 277 218 A1 gemäß 1B, der US-Offenlegungsschrift Nr. US 2004/0 104 672 A1 gemäß 1C und den US-Offenlegungsschriften Nr. US 6 900 473 B2 und Nr. US 6 777 871 B2 gemäß 1D bekannt sind. Bei den vorgenannten US-amerikanischen Offenlegungsschriften richtet sich die Optimierung auf die Verbesserung der LED-Oberfläche, genauer erläutert: Durch Ausbildung einer ungleichmäßigen Oberfläche (z. B. durch Ätzen) auf der externen Seite einer LED wird eine vollkommene Reflexion des LED-Lichts in einem Chip vermieden, wodurch die vom externen Licht extrahierte Lichtausbeute Ee verstärkt werden kann. Gemäß dem Stand der Technik kann die Optimierung von Ee ca. 80% erreichen. Dieses Ergebnis nähert sich der physischen Obergrenze.
  • Normalerweise kann die Lichtausbeute Ei von einer internen aktiven Schicht nur 40% erreichen. Gemäß der vorstehenden Gleichung kann die Gesamtlichtausbeute Eeff einer LED durch Optimierung von Ei ebenfalls wirksam erhöht werden. Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine aktive Schicht einer LED aus einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen bereit, wobei die Fläche der Schichtabfolge von ungleichmäßigen Quantentöpfen größer ist als die einer herkömmlichen Schichtabfolge von ebenen Quantentöpfen. Dadurch kann die Lichtausbeute Ei der internen aktiven Schicht verstärkt werden, so dass die Gesamtlichtausbeute Eeff einer LED weiter optimiert werden kann.
  • Die US 2005/0 056 850 A1 beschreibt eine Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung mit einem Substrat, einer auf dem Substrat ausgebildeten ersten Halbleiter-Leitschicht, einer darauf ausgebildeten aktiven Schicht, die als Schichtabfolge von Quantentöpfen ausgebildet ist, und einer auf der aktiven Schicht ausgebildeten zweiten Halbleiter-Leitschicht. Auf der ersten Halbleiter-Leitschicht ist eine ungleichmäßige Schicht vorgesehen, die eine herkömmliche Rauheit darstellt.
  • Auch die WO 2007/003 6 84 A1 beschreibt eine Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung, bei der eine auf einem Substrat ausgebildete erste Halbleiter-Leitschicht eine mit Facetten versehene unebene Oberfläche aufweist, auf der eine Schichtabfolge von ersten und zweiten Diffusionsschichten mit Brechungsindizes verschieden von dem der Halbleiter-Leitschicht ausgebildet sind. Die Vorsprünge oder Facetten der ersten Halbleiter-Leitschicht, die aus dem gleichen Material wie die Schicht selbst hergestellt sind, stellen wiederum nur übliche Unebenheiten dar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen sowie das entsprechende Verfahren zu schaffen, wobei die Fläche der Schichtabfolge von ungleichmäßigen Quantentöpfen größer ist als die einer herkömmlichen Schichtabfolge von ebenen Quantentöpfen, wodurch die Lichtausbeute Ei von der internen aktiven Schicht verstärkt werden kann, so dass die Gesamtlichtausbeute Eeff einer LED optimiert werden kann.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen zu schaffen, um die Lichtausbeute einer LED zu optimieren.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen zu schaffen, um die Lichtstrahlform zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen (unebene MQW) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 18 und einer lichtemittierenden Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die o. g. Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung, umfassend: eine erste Halbleiter-Leitschicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist; eine aktive Schicht, die als Schichtabfolge von Quantentöpfen auf der ersten Halbleiter-Leitschicht ausgebildet ist; und eine zweite Halbleiter-Leitschicht, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial zwischen der ersten Halbleiter-Leitschicht und der aktiven Schicht gestreut wird, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.
  • Die o. g. Aufgabe wird ferner gelöst durch eine lichtemittierende Einrichtung, umfassend eine erste Elektrode, die auf der ersten Oberfläche des Substrats ausgebildet ist; eine erste Halbleiter-Leitschicht, die auf der zweiten Oberfläche des Substrats ausgebildet ist; eine aktive Schicht, die als Schichtabfolge von Quantentöpfen auf der ersten Halbleiter-Leitschicht ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial zwischen der ersten Halbleiter-Leitschicht und der aktiven Schicht gestreut wird, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden; eine zweite Halbleiter-Leitschicht, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist; eine durchsichtige leitfähige Schicht, die auf der zweiten Halbleiter-Leitschicht angeordnet ist; und eine zweite Elektrode, die auf der durchsichtigen leitfähigen Schicht ausgebildet ist.
  • Die o. g. Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen, umfassend eine Halbleiter-Leitschicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist; und eine Schichtabfolge von Quantentöpfen, die auf der Halbleiter-Leitschicht ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial zwischen der ersten Halbleiter-Leitschicht und der aktiven Schicht gestreut wird, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.
  • Die o. g. Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Epitaxie-Struktur einer lichtemittierende Einrichtung, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Substrats; Ausbilden einer ersten Halbleiter-Leitschicht auf dem Substrat; Ausbilden einer aktiven Schicht auf der ersten Halbleiter-Leitschicht, wobei die aktive Schicht als Schichtabfolge von Quantentöpfen (MQW) ausgebildet ist, und eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial zwischen der ersten Halbleiter-Leitschicht und der aktiven Schicht gestreut wird, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden; und Ausbilden einer zweiten Halbleiter-Leitschicht auf der aktiven Schicht.
  • 1A–1D zeigen schematische Darstellungen einer herkömmlichen Ausführungsform.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Einrichtung.
  • 5 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 6 zeigt ein SEM(scanning electron microscope)-Bild einer erfindungsgemäßen Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen.
  • 7 zeigt ein AFM(atomic force microscopy)-Bild einer erfindungsgemäßen Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen.
  • 8 zeigt ein SEM(scanning electron microscope)-Bild einer erfindungsgemäßen Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen.
  • Im Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Jedoch soll die Erfindung nicht auf die Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschränkt werden.
  • Im Folgenden werden zunächst die erfindungsgemäße Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen sowie die Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen erläutert; danach werden die Struktur der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Einrichtung großer Helligkeit sowie das Verfahren zum Herstellen derselben detailliert erläutert. Des Weiteren kann das Verfahren zur Ausbildung von Nitrid-Halbleitern ein Verfahren analog der Gasphasenepitaxie sein, z. B. ein Verfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE), der Hydridgasphasenepitaxie (Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), der Molekularstrahlepitaxie (Molecular beam epitaxy, MBE), der metallorganischen chemischen Gasphasenepitaxie (Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) oder der Zwei-Stufen-MOCVD (two-step MOCVD). In der vorliegenden Erfindung lässt sich die Einrichtung oder das Verfahren zur Ausbildung von Nitrid-Halbleitern jedoch nicht darauf beschränken.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst eine Epitaxie-Struktur ein Substrat 10 aus Saphir (C-, M-, R- oder A-Oberfläche). Das Substrat 10 wird zunächst in einen MOVPE-Reaktor eingelegt; dann wird eine Halbleiter-Leitschicht 20 auf dem Substrat 10 gebildet, z. B. eine Halbleiter-Leitschicht aus III-V-Gruppen-Material (III-V-Verbindungs-Halbleiter-Leitschicht), vor allem eine Nitrid-basierte Nitrid-Halbleiter-Leitschicht wie z. B. GaN. Dann wird eine Vielzahl von Teilchen aus einem oder mehreren Heteromateralien in den MOVPE-Reaktor zufällig eingegeben, wobei die Teilchen aus einem oder mehreren Heteromaterialien auf die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 zufällig gestreut werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die Sorten und die Menge der hinzugefügten Heteromaterialien nicht beschränkt werden, d. h. jedes Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 unterscheidet, kann hier als Heteromaterial betrachtet werden. Wenn beispielsweise die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 aus dem Material GaN ist, kann das Heteromaterial einer der Stoffe aus der Gruppe III im Periodensystem, einschließlich von Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl), oder ein Stoff aus der Gruppe V, einschließlich von Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), oder ein Stoff aus der Gruppe II, einschließlich von Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calzium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra), oder ein Stoff aus der Gruppe VI, einschließlich von Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te), Polonium (Po), oder ein Stoff einer III-V-Gruppen-Verbindung, II-VI-Gruppen-Verbindung, oder II-V-Gruppen-Verbindung (z. B. Mg3N2), oder Silizium-Nitrid (SiNx), usw. sein.
  • Anschließend erfolgt das Wachstum der Schichtabfolge von Quantentöpfen. Da vor dem Wachstum der Schichtabfolge von Quantentöpfen ein Teil der Oberfläche der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 bereits vom hinzugefügten Heteromaterial abgedeckt worden ist, wird während des nachfolgenden Wachstums der Schichtabfolge von Quantentöpfen das Wachstum der Schichtabfolge von Quantentöpfen an den vom Heteromaterial abgedeckten Stellen gestoppt oder die Geschwindigkeit des Wachstums verringert.
  • Bei der dadurch entstandenen Schichtabfolge von Quantentöpfen werden sich naturgemäß am Heteromaterial Vertiefungen bilden, so dass sich ungleichmäßige Formen 31 bilden, die den Sandhügelchen am Strand ähnlich sind, wobei die Sandhügelchen jeweils eine eigene Höhe und Breite besitzen, und keine zwangsläufige Verbindung zwischen den Sandhügelchen besteht (siehe 6). Bei der vorliegenden Erfindung weist jeder der Mehrfach-Quantentöpfe 30 mit ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen (MQW) einen Querschnitt mit einem Verhältnis von Breite zu Höhe im Bereich von zwischen 3:1 bis 1:10 auf, und die Rauheit der Oberfläche Ra liegt zwischen 0,5 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 40 nm (siehe AFM Diagramm der 7).
  • Neben der C-, M-, R-, und A-Oberfläche von Saphir kann ferner das Substrat 10 aus auf Basis von Spinell (MgAl2O4) produziertem Isolierstoff wie SiC (enthaltend 6H, 4H, 3C), GaAs, AlN, GaN, GaP, Si, ZnO, MgO, LiAlO2 (LAO), LiGaO2 (LGO), Glasmaterial oder GaN, usw., hergestellt werden. Die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 kann aus Materialien aus der folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN. Die Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen kann auch aus Materialien aus der folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen. Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst die Epitaxie-Struktur ein Substrat 10, eine auf dem Substrat 10 ausgebildete erste Halbleiter-Leitschicht 20 und eine auf der ersten Halbleiter-Leitschicht 2 ausgebildete aktive Schicht 30, wobei die aktive Schicht 30 als Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen ausgebildet ist. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die als Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen ausgebildete aktive Schicht 30 gemäß der Erfindung genauso wie die Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aus 2 strukturiert ist. D. h., zuerst wird eine Vielzahl von Teilchen aus mehreren Heteromateralien auf die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 zufällig gestreut werden, wodurch eine Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aufwächst. Demzufolge besteht wenigstens ein Heteromaterial (nicht in der Zeichnung dargestellt) zwischen der ersten Halbleiter-Leitschicht 20 und der als Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen ausgebildeten aktiven Schicht 30. Schließlich wird auf der aktiven Schicht 30 eine zweite Halbleiter-Leitschicht 40 gebildet. Zum Ausbilden einer lichtemittierenden Einrichtung werden offensichtlich eine n-Typ-Halbleiter-Leitschicht und eine p-Typ-Halbleiter-Leitschicht an der oberen und der unteren Seite der aktiven Schicht ausgebildet, so dass die Elektronen in der n-Typ-Halbleiter-Leitschicht und die elektrischen Löcher in der p-Typ-Halbleiter-Leitschicht, nachdem eine angemessene Vorspannung auf sie ausgeübt worden ist, in die aktive Schicht zur Rekombination getrieben werden können, um Licht auszustrahlen. Bei der erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung ist die erste Halbleiter-Leitschicht 20 oder die zweite Halbleiter-Leitschicht 40 weder auf die n-Typ-Halbleiter-Leitschicht noch auf die p-Typ-Halbleiter-Leitschicht beschränkt. Jede Grundstruktur, die zum Ausbilden einer lichtemittierenden Einrichtung fähig ist, ist für die vorliegende Erfindung geeignet. Wenn beispielsweise die zweite Halbleiter-Leitschicht 40 als n-Typ-Halbleiter-Leitschicht ausgeführt ist, muss die erste Halbleiter-Leitschicht 20 als p-Typ-Halbleiter-Leitschicht ausgeführt werden. Zudem kann die erfindungsgemäße Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung für LEDs, Laser oder VCSEL verwendet werden.
  • Gleichermaßen gilt für das Ausführungsbeispiel gemäß 3, dass das Substrat 10 neben der C-, M-, R-, und A-Oberfläche von Saphir aus auf Basis von Spinell (MgAl2O4) produziertem Isolierstoff wie SiC (enthaltend 6H, 4H, 3C), GaAs, AlN, GaN, GaP, Si, ZnO, MgO, LiAlO2 (LAO), LiGaO2 (LGO), Glasmaterial oder GaN, usw., hergestellt werden kann. Die erste und die zweite Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20, 40 können aus Materialien aus der folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN. Die Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen kann auch aus Materialien aus der folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN. In der Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen ist der Querschnitt (Grundseite zu Höhe) der Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 zwischen ca. 3:1 und 1:10, und der Wert der Rauheit der Oberfläche Ra liegt zwischen 0,5 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 40 nm.
  • Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen je nach der Verbindung der als Schichtabfolge von Quantentöpfen ausgebildeten aktiven Schicht 30 sowie je nach dem Verhältnis der Bestandteile der Verbindung unterschiedliches Licht ausstrahlt, welches ultraviolettes Licht, sichtbares Licht und infrarotes Licht einschließt. Wenn beispielsweise Phosphid(P)-Verbindungen, Arsen(As)-Verbindungen, Arsenid oder Phosphorarsenid in die die aktive Schicht 30 ausbildende Verbindung beigefügt werden, kann rotes, gelbes oder infrarotes Licht erzeugt werden. Beim Hinzufügen von Stickstoff (N) in die die aktive Schicht 30 ausbildende Verbindung kann blaues, grünes oder ultraviolettes Licht erzeugt werden.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Einrichtung. Zu diesem Ausführungsbeispiel werden die Struktur, der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Einrichtung sowie das Verfahren zum Ausbilden derselben detailliert erläutert, wobei die Struktur der lichtemittierenden Einrichtung mit derjenigen im letzten Ausführungsbeispiel identisch ist und daher nicht weiter erläutert wird.
  • Zunächst wird das Substrat 10 in einen MOVPE-Reaktor eingelegt, in den Wasserstoff eingeführt wird, wobei die Temperatur des Substrats 10 auf 1050°C zum Zwecke der Reinigung des Substrats 10 erhöht wird; dann soll die Temperatur des MOVPE-Reaktor bei 1050°C bleiben, wobei ein Gasgemisch mit TMG (Trimethylgallium), Ammoniak und ein Silan enthaltendes Fremdatom-Gas (Implantiergas) in den Reaktor eingeführt wird, so dass die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 auf dem Substrat wachst. Wenn die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 eine n-GaN-Halbleiter-Leitschicht ist, liegt die Konzentration des hinzugefügten Siliziums Si zwischen 2 × 1016/cm3 und 8 × 1021/cm3, und die Wachstumsdicke der n-GaN-Halbleiter-Leitschicht beträgt ca. 1,5~3 μm. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 alternativ aus anderen Nitrid-Stoffen ausgebildet werden kann. Wenn die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 beispielsweise aus dem Stoff InAlGaN ist, kann sie z. B. aus InxAlyGa1-x-yN(0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) ausgebildet werden. Dabei ist die Rezeptur zwar nicht beschränkt, doch soll der Wert y vorzugsweise bei 0.15~0.2 liegen, um eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht mit weniger Kristalldefekten zu erhalten. Außerdem ist die Dicke der ersten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 nicht beschränkt. Allerdings soll zum Ausbilden einer n-Elektrodenschicht die Dicke vorzugsweise über 1 μm sein. Darüber hinaus soll zum Vermeiden der kristallinen Degradation der Nitrid-Halbleiter eine hohe n-Typ-Konzentration des Fremdatoms eingegeben werden, vorzugsweise zwischen 1 × 1017/cm3 und 5 × 1021/cm3.
  • Weiter soll die Temperatur des MOVPE-Reaktor bei 1050°C bleiben, und eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial soll in den Reaktor beliebig eingeführt werden, so dass die hineingeführten Teilchen aus Heteromaterial beliebig auf die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 gestreut werden, wobei die Heteromaterialen sich vom Material der ersten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 unterscheiden. Wenn beispielsweise die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 aus einem GaN-Stoff ist, kann das Heteromaterial einer der Stoffe aus der Gruppe III im Periodensystem, einschließlich von Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl), oder ein Stoff aus der Gruppe V, einschließlich von Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), oder ein Stoff aus der Gruppe II, einschließlich von Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calzium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra), oder ein Stoff aus der Gruppe VI, einschließlich von Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te), Polonium (Po), oder ein Stoff aus einer III-V-Gruppen-Verbindung, II-VI-Gruppen-Verbindung, oder einer II-V-Gruppen-Verbindung (z. B. Mg3N2), oder Silizium-Nitrid (SiN), oder Zinknitrid (Zn3N2), usw. sein.
  • Nachdem ein Heteromaterial hinzugefügt worden ist, und die Teilchen auf die erste Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 zufällig gestreut worden sind, wird zuerst eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht ohne Einmischung mit Fremdatomen in der Dicke von 10~20 nm (100~200 Angström) wachsen, um eine Barriereschicht zu erzeugen. Dann wird die Temperatur bei 800°C eingestellt. Zugleich werden Trimethylgallium TMG, Trimethylindium TMI und Ammoniak in den Reaktor eingeführt, um eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht ohne Einmischung mit Fremdatom in der Dicke von 2~3 nm (20~30 Angström) wachsen zu lassen, z. B. eine Topfschicht von In0.4Ga0.6N. Danach wird eine Schichtabfolge von Quantentöpfen in der Reihenfolge „Barriere und Topfschicht”...überlagert, z. B: fünf Barriereschichten und vier Topfschichten. Dadurch wächst eine als Schichtabfolge von Quantentöpfen ausgebildete aktive Schicht 30 mit der Dicke 112 nm (1120 Angström) (siehe 8). Hierbei beginnt die Überlagerung der aktiven Schicht 30 zwar mit der Barriereschicht, die Reihenfolge der Überlagerung kann jedoch mit einer Topfschicht beginnen und mit einer Topfschicht enden; alternativ kann die Reihenfolge der Überlagerung mit einer Barriereschicht beginnen und mit einer Topfschicht enden. Die Reihenfolge der Überlagerung ist also nicht beschränkt. Die Dicke der Topfschicht liegt unter 10 nm (100 Angström), vorzugsweise unter 7 nm (70 Angström), bestens unter 5 nm (50 Angström). Zudem soll die Dicke der Barriereschicht unter 30 nm (300 Angström) liegen, vorzugsweise unter 25 nm (250 Angström), bestens unter 20 nm (200 Angström).
  • Da vor dem Wachstum der als Schichtabfolge von Quantentöpfen ausgebildeten aktiven Schicht 30 ein Teil der Oberfläche der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 bereits vom hinzugefügten Heteromaterial abgedeckt worden ist, wird während des nachfolgenden Wachstums der Schichtabfolge von Quantentöpfen das Wachstum der Schichtabfolge von Quantentöpfen an den vom Heteromaterial abgedeckten Stellen gestoppt oder die Geschwindigkeit des Wachstums verringert. Bei der dadurch entstandenen Schichtabfolge von Quantentöpfen werden sich naturgemäß am Heteromaterial Vertiefungen bilden, so dass sich ungleichmäßige Formen 31 bilden, die den Sandhügelchen am Strand ähnlich sind, wobei die Sandhügelchen jeweils eine eigene Höhe und Breite besitzen, und keine zwangsläufige Verbindung zwischen den Sandhügelchen besteht (siehe 7). In der erfindungsgemäßen Epitaxie-Struktur mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen ist der Querschnitt (Grundseite zu Höhe) der Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 ca. 3:1~1:10, und der Optimalwert der Rauheit der Oberfläche Ra liegt zwischen 0,5 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 40 nm (siehe 8).
  • Neben der C-, M-, R-, und A-Oberfläche von Saphir kann ferner das Substrat 10 aus auf Basis von Spinell (MgAl2O4) produziertem Isolierstoff wie SiC (enthaltend 6H, 4H, 3C), GaAs, AlN, GaN, GaP, Si, ZnO, MgO, LAO, LGO, Glasmaterial oder GaN, usw., hergestellt werden. Die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 kann aus Materialien aus den folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN. Die Schichtabfolge von Quantentöpfen 30 mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen kann auch aus Materialien aus der folgenden Gruppe hergestellt werden: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  • Anschließend wird die Temperatur des Reaktors wieder auf 1050°C eingestellt, wobei TMG, Ammoniak und Cp2Mg (Biscyclopentadien-1-Magnesium) in den Reaktor eingeführt werden, so dass sich die zweite Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 aus einer p-Typ-Stickstoffverbindung bildet, wobei die Einmischungskonzentration der zweiten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 zwischen 1/cm3 und 3 × 1020/cm3 liegt, z. B. Mg. Die Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 liegt zwischen 60 und 100 nm (600 und 1000 Angström). In diesem Ausführungsbeispiel kann die zweite Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 aus GaN oder aus InxAlyGa1-x-yN (0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) ausgebildet werden. Dabei ist die Rezeptur zwar nicht darauf beschränkt, doch soll GaN vorzugsweise genommen werden, um eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht mit weniger Kristalldefekten zu erhalten und eine optimale galvanisch leitende Verbindung zwischen der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht und der p-Typ-Elektrode zu ermöglichen.
  • Nachdem die zweite Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 ausgebildet worden ist, wird die Temperatur des Reaktors bis auf die Raumtemperatur gesenkt werden; dann wird die Epitaxie-Struktur aus dem Reaktor herausgeholt werden, und auf der Oberfläche der zweiten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 wird ein Maskenmuster in einer bestimmten Form gebildet. Danach erfolgt ein Ätz-Prozess in einem RIE-Gerät (Reactive Ion Etch device). Nach dem Ätzen wird auf der gesamten zweiten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 eine transparente leitfähige Schicht 50 ausgebildet, die eine Dicke zwischen 10 und 50 nm (100 und 500 Angström) besitzt, wobei die transparente leitfähige Schicht 50 aus TiN, NiO/Au, Ta/Au, TiWN, Ni/Au-Legierung oder ITO (Indium Tin Oxide), Chromium Tin Oxide, Antimony Tin Oxide (ATO), Zinc Aluminum Oxide oder Zinc Tin Oxide, usw. sein kann. Danach wird auf der transparenten leitfähigen Schicht 50 eine zweite Elektrode 60 mit einer Dicke von 0.2~0.5 μm ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40 eine p-Typ-Nitrid-Halbleiter-Leitschicht, so dass die zweite Elektrode 60 aus einer Au/Ge/Ni-Legierung ausgebildet werden kann. Schließlich wird auf dem Substrat eine erste Elektrode 70 ausgebildet, die ebenfalls aus einer Au/Ge/Ni-Legierung oder W/Al-Legierung ausgebildet werden kann. Durch das vorher beschriebene Verfahren wird eine LED ausgebildet. Da das Herstellungsverfahren der Elektroden von LEDs bekannt ist, wird es hierbei nicht weiter erläutert.
  • Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die aktive Schicht 30 der erfindungsgemäßen LED aus Nitrid ausgebildet ist, so dass blaues, grünes oder ultraviolettes Licht erzeugt werden kann. Außerdem kann die erfindungsgemäße lichtemittierende Einrichtung mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen je nach der Verbindung der als Schichtabfolge von Quantentöpfen ausgebildeten aktiven Schicht 30 sowie je nach dem Verhältnis der Bestandteile der Verbindung unterschiedliches Licht ausstrahlen. Wenn beispielsweise Phosphor(P)-Verbindungen, Arsen(As)-Verbindungen oder phosphoriges Arsenid in die die aktive Schicht 30 ausbildende Verbindung beigefügt werden, kann rotes, gelbes oder infrarotes Licht erzeugt werden.
  • In Hinblick auf die Struktur einer herkömmlichen LED kann nach der Ausbildung der Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung ein Teil der zweiten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 40, der aktiven Schicht 30 und der ersten Nitrid-Halbleiter-Leitschicht 20 aus der Epi-Schicht der lichtemittierenden Einrichtung durch Ätzen entfernt werden, so dass eine transparente Schicht 50, eine Elektrode 60 und eine Elektrode 70 jeweils ausgebildet werden, wie in 5 gezeigt ist. Da die lichtemittierende Einrichtung aus 5 der aus 4 ähnlich ist, und die Differenz zwischen den genannten beiden lichtemittierenden Einrichtungen dem Fachmann bekannt ist, wird diese hier nicht mehr weiter erläutert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Substrat
    20
    Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (erste Halbleiter-Leitschicht)
    30
    ungleichmäßige und unebene Schichtabfolgen von Quantentöpfen
    31
    ungleichmäßige Form
    40
    zweite Halbleiter-Leitschicht
    50
    durchsichtige leitfähige Schicht
    60
    zweite Elektrode
    70
    erste Elektrode

Claims (21)

  1. Epitaxie-Struktur einer lichtemittierenden Einrichtung, umfassend ein Substrat (10); eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) als erste Halbleiter-Leitschicht, die auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; eine aktive Schicht (30), die als Schichtabfolge von Quantentöpfen auf der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) ausgebildet ist; und eine zweite Halbleiter-Leitschicht (40), die auf der aktiven Schicht (30) ausgebildet ist; wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Heteromaterial, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, zwischen der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) und der aktiven Schicht (30) zufällig gestreut sind, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.
  2. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt das Verhältnis von Breite zu Höhe jeder ungleichmäßigen und unebenen Form der Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) zwischen ca. 3:1 und 1:10 liegt.
  3. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: Saphir, GaN, SiC, GaAs, AlN, GaP, Si, ZnO, MgO und Glasmaterial.
  4. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) eine n-Typ-Halbleiter-Leitschicht ist.
  5. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  6. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  7. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiter-Leitschicht (40) eine p-Typ-Halbleiter-Leitschicht ist.
  8. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiter-Leitschicht (40) aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  9. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet und aus dem die Teilchen ausgebildet sind, aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Gruppe II, Gruppe III, Gruppe V, Gruppe VI, III-V-Gruppen-Verbindung, II-V-Gruppen-Verbindung und II-VI-Gruppen-Verbindung.
  10. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit (Ra) jeder ungleichmäßigen und unebenen Oberfläche der Schichtabfolge von Quantentöpfen zwischen 0,5 nm und 50 nm liegt.
  11. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit (Ra) jeder ungleichmäßigen und unebenen Oberfläche der Schichtabfolge von Quantentöpfen vorzugsweise zwischen 30 nm und 40 nm liegt.
  12. Lichtemittierende Einrichtung, bestehend aus einer ersten Elektrode (70); einem Substrat (10), das auf der ersten Elektrode (70) ausgebildet ist; einer Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) als erster Halbleiter-Leitschicht, die auf dem Substrat (10) ausgebildet ist; einer aktiven Schicht (30), die als Schichtabfolge von Quantentöpfen auf der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) ausgebildet ist; einer zweiten Halbleiter-Leitschicht (40), die auf der aktiven Schicht (30) ausgebildet ist; einer transparenten Schicht (50), die auf der zweiten Halbleiter-Leitschicht (40) ausgebildet ist; und einer zweiten Elektrode (60), die auf der transparenten Schicht (50) ausgebildet ist; wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, zwischen der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) und der aktiven Schicht (30) zufällig gestreut sind, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.
  13. Lichtemittierende Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  14. Lichtemittierende Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente leitfähige Schicht (50) aus TiN, NiO/Au, Ta/Au, TiWN, Ni/Au-Legierung oder ITO (Indiumnzinnoxid), Chromium Tin Oxide (Chromzinnoxid), Antimony Tin Oxide (ATO Antimonzinnoxid), Zinc Aluminum Oxide (Zinkaluminiumoxid) oder Zinc Tin Oxide (Zinkzinno xid), usw. ist.
  15. Lichtemittierende Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, und aus dem die Teilchen ausgebildet sind, aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Gruppe II, Gruppe III, Gruppe V, Gruppe VI, III-V-Gruppen-Verbindung, II-V-Gruppen-Verbindung und II-VI-Gruppen-Verbindung.
  16. Lichtemittierende Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aus einem Nitrid-Material ausgebildet ist.
  17. Lichtemittierende Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aus Phosphid, Arsen oder phosphorigem Arsenid ausgebildet ist.
  18. Epitaxie-Struktur, die eine Schichtabfolge von Quantentöpfen mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aufweist, umfassend: eine Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20), die auf einem Substrat (10) ausgebildet ist; und eine Schicht mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen (30), die auf der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) ausgebildet ist, um eine Epitaxie-Struktur der Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) auszubilden, wobei eine Vielzahl von Teilchen aus wenigstens einem Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, zwischen der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) und der Schicht mit einer Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) gestreut sind, um eine Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen auszubilden.
  19. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) aus einem Stoff der folgenden Gruppe hergestellt ist: AlN, GaN; InN, AlGaN, InGaN und InAlGaN.
  20. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das sich vom Material der Nitrid-Halbleiter-Leitschicht (20) unterscheidet, und aus dem die Teilchen ausgebildet sind, aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Gruppe II, Gruppe III, Gruppe V, Gruppe VI, III-V-Gruppen-Verbindung, II-V-Gruppen-Verbindung und II-VI-Gruppen-Verbindung.
  21. Epitaxie-Struktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabfolge von Quantentöpfen (30) mit einer Vielzahl von ungleichmäßigen und unebenen Oberflächen aus einem Nitrid-Material ausgebildet ist.
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