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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft photonische Kristallstrukturen und insbesondere
eine photonische Kristallstruktur, welche zwischen Schichten einer
Halbleitervorrichtung vergraben ist, um eine verbesserte externe
Extraktionseffizienz bereitzustellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
der Industrie der elektrisch-zu-optisch Licht emittierenden Vorrichtungen,
wie beispielsweise Laser und Leuchtdioden (LEDs), werden kontinuierlich
Versuche unternommen, um die Effizienz zu verbessern, mit welcher
elektrische Energie, die in die Vorrichtung eingebracht wird, in
Licht konvertiert wird, was als Quanteneffizienz bekannt ist. Um
die externe Quanteneffizienz, ηext,
einer Licht emittierenden Vorrichtung wie beispielsweise eines Lasers oder
eine LED zu verbessern, ist es wünschenswert, die Injektionseffizienz, ηinj, in das aktive Gebiet zu maximieren und
die reaktive Rekombination, ηrad,
zu verbessern, bei Maximierung der Extraktionseffizienz ηout aus der Vorrichtung heraus. Die gesamte
externe Quanteneffizienz ist definiert durch die Gleichung ηext = ηinj ηrad ηout.
Der Term ηlnj kann nahe eins gemacht werden
durch die Einführung von Heterobarrieren und aktiven Multi-Quantentopf-(engl.
multi quantum well, MQW)-Gebieten, während der Term ηrad nahe eins gemacht werden kann durch Reduzieren
den Quellen von nicht-strahlenden Zentren in epitaktischen Materialien
schlechter Qualität. Die Extraktionseffizienz ηout für planare LEDs ist limitiert
durch das Snelliussche Gesetz auf ungefähr 2 bis 4% aufgrund
der großen Brechungsindexdiskontinuität an der
Halbleiter/Luft-Grenzfläche. Verschiedene Vorrichtungen
und Techniken, wie beispielsweise beugende Braggreflexions(DBR)-Spiegel,
texturierte Oberflächen, Photonrecycling, pyramidale Formung, und
radiale Auskopplungsabschrägung werden verwendet, um die
Extraktionseffizienz zu erhöhen. Einige dieser Vorrichtungen
und Techniken haben eine mehr als 50-prozentige Verbesserung in
der Extraktionseffizienz ergeben.
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Der
Nachteil dieser Vorrichtungen und Techniken ist, dass sie nur erlauben
einen kleinen Teil der optischen Moden von der Licht emittierenden
Vorrichtung zu extrahieren. Leckmoden und geführte Moden
gehen verloren aufgrund von Reabsorption von Elektronen in dem ungepumpten
aktiven Gebiet. Die Anzahl an optischen Moden kann gesteuert werden
durch Reduzieren der Größe des optischen Volumens
auf die Größe einer Wellenlänge. Die
Einführung einer photonischen Kristallstruktur, auch bekannt
als eine Bandlücken(PBG)-Struktur, in eine Licht emittierende
Vorrichtung wurde vorgeschlagen, um sowohl die geführten
als auch die Leckmoden zu verhindern. Eine photonische Bandlückenstruktur steuert
die Anzahl der optischen Moden durch Einführen von periodischen
Reflexionen für alle Ausbreitungsrichtungen. Die periodischen
Variationen in dem Indexprofil erzeugen eine Bandlücke
in der Frequenzdomäne wo keine optischen Moden erlaubt sind.
Wenn es keine verfügbaren optischen Moden gibt, kann es
keine spontane Emission geben. Die PBG-Struktur ist ausgebildet,
um ein verbotenes Band bei der Übergangsfrequenz der spontanen Emission
aufzuweisen. Durch Einführen eines Defektes (d. h., einer
fehlenden Periode) in der photonischen Bandlückenstruktur
kann die Anzahl an erlaubten optischen Moden gesteuert werden. Abhängig
von seinen Abmessungen kann ein einzelner Defekt in der photonischen
Bandlückenstruktur ausgebildet sein, der einer einzigen
optischen Mode zu existieren erlaubt und die sicherstellt, dass
die gesamte spontane Emission, welche durch Elektroden-Loch-Rekombination erzeugt
wird, nur an diese Mode koppeln kann. Wenn diese Mode Licht effizient aus
der Licht emittierenden Vorrichtung auskoppelt, wird sie eine sehr
hohe externe Quanteneffizienz aufweisen.
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LEDs
mit einer zwei-dimensionalen (2-D) PBG-Strukturen wurden erzeugt.
Die 2-D PBG wird typischerweise gebildet durch Ätzen von
Löchern in eine LED-Emissionsoberfläche. Zum Beispiel
beschreiben in einem Artikel mit dem Titel "InGaN/GaN QW
heterostructure LEDs employing photonic crystal structures", veröffentlicht
in "Applied Physics Letters 84, 3885 (2004), J Wierer et
al. solch eine Vorrichtung. Diese Verfahren haben nicht zu riesigen
Verbesserungen in der externen Quanteneffizienz von LEDs geführt,
primär aufgrund des Weges, auf welchem die PBG gefertigt
wird. In allen Fällen werden geätzte Löcher
verwendet, um die periodischen Indexvariationen zu erzeugen, welche
resultieren in 1) einer schlechten Injektionseffizienz in das aktive
Gebiet und 2) erhöhter nicht strahlender Rekombination an
der geätzten Oberfläche (d. h. Oberflächenzuständen).
Zusätzlich werden Bodenreflektoren verwendet, um das abgegebene
Licht zu extrahieren, was kein extrem effizienter Mechanismus zum
Extrahieren von Licht ist.
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Entsprechend
besteht kein Bedürfnis für eine photonische Kristallstruktur,
welche eine verbesserte externe Extraktionseffizienz aufweist und
welche nicht auf dem Erzeugen einer 2-D PBG durch Ätzen von
Löchern in eine LED-Emissionsoberfläche beruht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer
verbesserten Extraktionseffizienz und ein Verfahren zum Herstellen
der Licht emittierenden Vorrichtung. Die Licht emittierende Vorrichtung
umfasst ein Substrat mit einer oberen Oberfläche, eine
Pufferschicht aus Galliumnitrid (GaN) angeordnet auf der oberen
Oberfläche des Substrats, eine dielektrische Maskenschicht,
welche ein Muster von hierin gebildeten Öffnungen aufweist,
n-Typ oder p-Typ GaN angeordnet auf der Pufferschicht und sich vertikal
und lateral durch jede der Öffnungen erstreckend, die in
der dielektrischen Maskenschicht gebildet sind, eine oder mehrere
Quantentopf(engl. quantum well, QW)-Strukturen angeordnet über
oder unter der strukturierten dielektrischen Maskenschicht, um ein
aktives Gebiet innerhalb der Licht emittierenden Vorrichtung zu
bilden, und einer Schicht aus n-Typ oder p-Typ GaN angeordnet über
dem aktiven Gebiet. Das GaN, welches sich vertikal und lateral durch
die Öffnungen, die in der dielektrischen Maskenschicht
gebildet sind, erstreckt, erzeugt ein periodisch variierendes Brechungsindexprofil
in der Licht emittierenden Vorrichtung, welches den Einschluss von
Licht in dem aktiven Gebiet fördert/begünstigt, was
wiederum die Extraktionseffizienz verbessert. Wenn das GaN, welches
sich vertikal und lateral durch die in der dielektrischen Maskenschicht
gebildeten Öffnungen erstreckt, n-Typ GaN ist, dann ist die
Schicht aus GaN, welche über dem aktiven Gebiet angeordnet
ist, p-Typ GaN. Wenn das GaN, welches sich vertikal und lateral
durch die in der dielektrischen Maskenschicht gebildeten Öffnungen
erstreckt, p-Typ GaN ist, dann ist das GaN, welches über
dem aktiven Gebiet angeordnet ist, n-Typ GaN.
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Das
Verfahren zum Herstellen der Licht emittierenden Vorrichtung umfasst
das Bilden einer dielektrischen Maskenschicht mit einem Muster von Öffnungen
in einer Schicht von p-Typ oder n-Typ GaN, welche auf einem Substrat
angeordnet ist, Aufwachsen von n-Typ oder p-Typ GaN unter Bedingungen, die
ausgewählt sind, um das GaN zu veranlassen, vertikal und
lateral in einer kontrollierten Weise zu wachsen, so dass das GaN
sich vertikal und lateral durch die Öffnungen erstreckt,
welche in der dielektrischen Maskenschicht gebildet sind, Aufwachsen
eines oder mehrerer Quantentöpfe (QW) an einem oder mehreren
Orten über oder unter allen der strukturierten dielektrischen
Maskenschicht, um ein aktives Gebiet zu liefern, in welchem Elektronen
in Photonen konvertiert werden, und aufwachsen einer Schicht von
n-Typ oder p- Typ GaN über dem aktiven Gebiet. Wenn das
GaN, welches sich vertikal und lateral durch die Öffnungen
erstreckt, die in der dielektrischen Maskenschicht gebildet sind,
n-Typ GaN ist, dann ist das GaN, welches über dem aktiven
Gebiet aufgewachsen wird, p-Typ GaN. Wenn das GaN, welches sich
durch die Öffnungen erstreckt, die in der dielektrischen
Maskenschicht gebildet sind, p-Typ GaN ist, dann ist das GaN, welches über
dem aktiven Gebiet aufgewachsen wird, n-Typ GaN.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus
der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung,
welche eine darin vergrabene photonische Kristallstruktur hat gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform.
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2 veranschaulicht
ein Flussdiagramm, welches das Verfahren gemäß einer
Ausführungsform zum Herstellen der in 1 dargestellten
Halbleitervorrichtung repräsentiert.
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3 veranschaulicht
ein Querschnittsdiagramm einer Halbleitervorrichtung, welche eine
darin vergrabene photonische Kristallstruktur hat gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform.
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4 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung,
welche eine hierin vergrabene photonische Kristallstruktur hat gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform.
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5 veranschaulicht
ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zum Herstellen in der in 4 dargestellten
Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
repräsentiert.
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6 veranschaulicht
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung, welche
eine hierin vergrabene photonische Kristallstruktur hat gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform.
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7A und 7B sind
Draufsichten von jeder der in 1, 3, 4 und 6 dargestellten
Licht emittierenden Vorrichtungen.
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8 veranschaulicht
eine Draufsicht auf jede der in 1, 3, 4 und 6 dargestellten
Vorrichtungen in welchen die Licht emittierende Vorrichtung in einer
hexagonalen Anordnung hergestellt wurde, welche einen einzigen Defekt
in dem Zentrum der Anordnung aufweist.
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9 veranschaulicht
schematisch ein Querschnittsdiagramm einer LED-Vorrichtung, welche
hierin die pyramidalen Mikrostrukturen gebildet hat zum Verbessern
der Quantenextraktionseffizienz.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
ANSCHAULICHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
relativ einfaches Verfahren zum Herstellen einer 2-D PBG, hierin
auch als photonische Kristallstruktur bezeichnet, wird bereitgestellt,
welches ein epitaktisches Schichtüberwachstum (engl. epitaxial
layer overgrowth, FLOG) als Herstellungsprozess verwendet. Die photonische
Kristallstruktur ist vorzugsweise vollständig vergraben
und vermeidet dadurch die vorstehend angesprochenen Schwierigkeiten
und Nachteile, welche mit der vorstehend beschriebenen Methode des Ätzens
von Löchern in eine LED-Emissionsoberfläche verbunden
sind.
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1 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung 1 mit
einer darin vergrabenen photonischen Kristallstruktur gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform. 2 zeigt ein
Flussdiagramm welches gemäß einer Ausführungsform
das Verfahren zum Herstellen der in 1 dargestellten
Halbleitervorrichtung 1 repräsentiert. Die Teile
der in 1 dargestellten Halbleitervorrichtung 1 werden
beschrieben mit Bezug auf die Weise, in welcher sie in der Vorrichtung 1 gebildet
werden unter Verwendung des Verfahrens, welches durch das in 2 dargestellte
Flussdiagramm repräsentiert ist.
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Eine
dielektrische Schicht 4 von Siliziumdioxid (SiO2) wird abgeschieden auf einer Pufferschicht aus
Galliumnitrid (GaN) 3, gebildet auf der oberen Oberfläche
(0001) eines Saphir (Al2O3)-Substrats 2. Dieser
Schritt wird in einem Reaktor (nicht dargestellt) durchgeführt
unter Bedingungen (beispielsweise Temperaturen), welche geeignet
sind zum Deponieren der dielektrischen SiO2 Schicht 4.
Alternativ kann die dielektrische Schicht 4 stattdessen über
einer dickeren (z. B. ungefähr 2 Mikrometer (μm)) n-Typ
GaN Schicht deponiert werden, die vorher über die Pufferschicht 3 deponiert
wurde. Die Pufferschicht 3 wirkt als eine Keimschicht,
um die nachfolgenden epitaktischen GaN Schichten aufzuwachsen und
enthält vorzugsweise viele Versetzungen. Der Schritt des
Deponierens der dielektrischen Schicht 4 wird durch Block 21 in 2 repräsentiert.
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Die
Vorrichtung 1, welche das Substrat 2 und die Schichten 3 und 4 umfasst,
wird von dem Reaktor entfernt und einem Strukturierungsprozess (zum
Beispiel Ätzen) unterworfenen, durch welchen Öffnungen 5 in
der dielektrischen Schicht 4 gebildet werden, um die darunter
liegende GaN Pufferschicht 3 durch die Öffnungen 5 freizulegen.
Dieser Schritt wird durch Block 23 in 2 repräsentiert.
Das Muster ist periodisch und vorzugsweise ausgewählt,
um einen 2-D photonischen Kristall mit einem einzigen Defekt zu erzeugen,
wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug auf die 5 beschrieben
wird. Zum Beispiel kann eine hexagonale Anordnung von kreisförmigen Öffnungen 5 in
der dielektrischen Schicht 4 erzeugt werden. Der Durchmesser
der Öffnungen und der Abstand zwischen den Öffnungen
wird gewählt, um der Größe der Wellenlänge
von Licht in GaN nahe zu kommen, wie dies nachfolgend mit Bezug
auf 7A und 7B beschrieben
wird.
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Nachdem
der Strukturierungsprozess, welcher durch Block 23 in 2 repräsentiert
wird, durchgeführt wurde, wird die Vorrichtung 1 wieder dem
Reaktor zugeführt und ein n-Typ GaN 6 wird selektiv
in den geätzten Öffnungen 5 aufgewachsen, wie
durch Block 25 in 2 angezeigt.
Die Reaktorbedingungen wie beispielsweise Wachstumstemperatur, V:III-Verhältnis
und/oder Wachstumsdruck können eingestellt sein, um die
lateralen und vertikalen Wachstumsraten des GaN 6 zu steuern.
In dem Beispiel der Vorrichtung 1, die durch 1 repräsentiert wird,
wurden die Reaktorbedingungen ausgewählt, um dem GaN zu
erlauben, mit einer lateralen Wachstumsrate zu wachsen, die höher
ist als die vertikale Wachstumsrate, so dass Koaleszenz und Planarisierung
der GaN-Schicht 6 auftritt.
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Nach
dem das GaN koaleziert hat, um eine allgemein planare obere Oberfläche
zu bilden, werden die Wachstumsbedingungen in dem Reaktor geändert
und die Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Quantentopf-(QW)-Schichten 8,
welche das aktive Gebiet bilden, werden auf die obere Oberfläche
der n-Typ GaN-Schicht 6 aufgewachsen. Dieser Schritt wird durch
Block 27 in 2 repräsentiert. Die
Bedingungen in dem Reaktor werden dann erneut verändert und
eine Einschlussschicht 9 von p-Typ Aluminiumgalliumnitrid
(AlGaN) wird über die QW-Schichten 8 aufgewachsen,
wie durch Block 29 in 2 angezeigt.
Eine Kontaktschicht 11 von p-Typ GaN wird dann über
die AlGaN Einschlussschicht 9 aufgewachsen, wie durch Block 31 angezeigt.
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Die
Vorrichtung 1, welche die Komponenten 2–11 aufweist,
bildet eine PIN-LED-Struktur. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
LED-Strukturen beschränkt, sondern auf andere Typen von
Licht emittierenden Vorrichtungen, wie z. B. Laser, anwendbar. Die
Periodizität des Musters der Öffnungen 6,
welche in der dielektrischen Schicht 4 gebildet sind, resultiert in
einer periodischen Variation des Brechungsindex der n-Typ-GaN-Schicht 6,
welche die dielektrische Schicht 4 umgibt. Diese periodische
Variation in dem Brechungsindex der n-Typ GaN-Schicht 6 unterhalb des
aktiven Gebiets, welches die QW-Schicht 8 umfasst, bildet
die PBG-Struktur der Vorrichtung 1. Folglich ist die PBG-Struktur
innerhalb der Vorrichtung 1 unter dem aktiven Gebiet vergraben
und bewirkt, dass Licht bei der Betriebswellenlänge in
das aktive Gebiet gerichtet wird und innerhalb des aktiven Gebietes
durch interne Reflexion eingeschlossen wird, was die Extraktionseffizienz
der Vorrichtung 1 gegenüber der, die durch bekannte
Licht emittierende Vorrichtungen erhalten wird, verbessert.
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3 veranschaulicht
ein Querschnittsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 40 mit
einer darin vergrabenen photonischen Kristallstruktur gemäß einer
anderen anschaulichen Ausführungsform. Dieselben Materialien,
die verwendet werden um die in 1 dargestellte
Vorrichtung 1 herzustellen, werden verwendet, um die in 3 dargestellte
Vorrichtung 40 herzustellen. Ferner wird die durch 2 repräsentierte
Methode verwendet, um die Vorrichtung 40 zu erzeugen, mit
der Ausnahme, dass einige wenige der Schritte modifiziert wurden.
Die Schritte 21 und 23 werden verwendet um die
GaN Pufferschicht 43 auf dem Saphir-Substrat 42 aufzuwachsen,
die dielektrische Schicht 44 auf der Pufferschicht 43 zu
deponieren und die dielektrische Schicht 44 zu strukturieren.
Die n-Typ GaN-Schicht 45 wird dann aufgewachsen während
des Schrittes, der durch Block 25 repräsentiert
ist. Wenn der durch Block 25 repräsentierte Schritt
durchgeführt wird, werden Wachstumsbedingungen in dem Reaktor
ausgewählt, so dass die vertikale Wachstumsrate höher
ist als die horizontale Wachstumsrate. Dies verursacht allgemein
pyramidal geformte n-Typ GaN-Strukturen 46, welche hexagonal
geformte Basen und Seitenwände 46A aufweisen,
die geformt sind aufgrund der Tatsache dass GaN eine hexagonale
Kristallstruktur hat. Koaleszenz des n-Typ GaN 45 wird
verhindert da, bevor in das n-Typ GaN 45 in der Lage ist
zu koaleszieren, der durch Block 27 repräsentierte
Schritt durchgeführt wird, um die InGaN-QW-Schicht 47 aufzuwachsen. Die
Wachstumsbedingungen in dem Reaktor sind ausgewählt, um
das vertikale Wachstum der QW-Schichten 47 zu favorisieren,
um die QW-Dicke auf den Seitenwänden 46A der pyramidalen
Strukturen 46 zu minimieren und eine Injektion entlang
dieses parasitären Übergangs zu unterdrücken.
Tatsächlich wird das Indium in natürlicher Weise
dazu tendieren, sich an der Oberseite der Mesas 46B der pyramidalen
Strukturen 46 anzusammeln. Nachfolgend dem Aufwachsen der
InGaN-QW-Schichten 47, werden eine p-Typ AlGaN-Einschlussschicht 48 und eine
p-Typ GaN-Kontaktschicht 49 aufgewachsen, um die Vorrichtung 40 zu
komplettieren, welche auch eine PIN-LED-Vorrichtung ist, obwohl
andere Typen von Licht emittierenden Vorrichtungen durch diesen Prozess
ebenfalls gebildet werden können.
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Durch
Beenden des Prozesses des Aufwachsens des n-Typ-GaN 45 bevor
eine Koaleszenz und Planarisierung aufgetreten ist, wird eine große Brechungsindexdiskontinuität
gebildet zwischen den Inseln, welche die Mesas 46B mit
den hierauf gebildeten QW-Schichten 47 aufweisen. Folglich
werden die periodischen Variationen in dem Brechungsindex in dem
aktiven Gebiet selbst gebildet, im Gegensatz zu einem Bilden unter
dem aktiven Gebietes, wie dies bei der in 1 dargestellten
Vorrichtung 1 der Fall ist. Durch Erzeugen der periodischen
Variationen in dem Brechungsindex in dem aktiven Gebiet selbst ist der
Einschluss von Licht in dem aktiven Gebiet noch besser als in dem
durch die 1 repräsentierten Fall,
was dazu führt, dass die Vorrichtung 40 eine nochmals
höhere Extraktionseffizienz als die in 1 dargestellte
Vorrichtung 1 aufweist. Öffnungen und Metallkontakte
können auf den p-Typ und n-Typ Gebieten platziert werden,
um eine Strominjektion in die aktiven InGaN-Gebiete 47 zu
vereinfachen.
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4 veranschaulicht
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung 50 welche
eine darin vergrabene photonische Kristallstruktur gemäß einer
weiteren Ausführungsform aufweist. Die Vorrichtung 50 ist ähnlich
der Vorrichtung 1, dargestellt in 1, außer
dass in der Vorrichtung 50 das aktive Gebiet 55 unter
der strukturierten dielektrischen Schicht 57 ist. 5 veranschaulicht
ein Flussdiagramm, welches das Verfahren gemäß einer Ausführungsform
zum Herstellen der in 4 dargestellten Halbleitervorrichtung 50 repräsentiert.
Die Teile der Halbleitervorrichtung 50, die in 4 dargestellt
sind, werden beschrieben mit Bezug auf die Weise, in welcher diese
in der Vorrichtung 50 gebildet werden unter Verwendung
der Methode, die durch das in 5 dargestellte
Flussdiagramm repräsentiert ist.
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Eine
Schicht 54 von n-Typ GaN wird aufgewachsen auf die Oberseite
der GaN Pufferschicht 53, welche auf der oberen Oberfläche
(0001) eines Saphir-Substrates 52 gebildet ist, in einem
Reaktor, wie durch Block 61 in 4 angezeigt.
Die Reaktorbedingungen werden verändert und die IGaN-QW-Schichten 55,
welche das aktive Gebiet bilden, werden aufgewachsen auf die obere
Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht 54. Dieser Schritt
wird durch Block 62 in 4 repräsentiert.
Die Bedingungen in dem Reaktor werden dann erneut variiert und eine
Schicht 56 von p-Typ-AlGaN wird aufgewachsen über
die QW-Schichten 55, wie durch Block 63 in 4 angezeigt.
Eine Schicht 57 von p-Typ GaN wird dann über die
AlGaN-Schicht 54 aufgewachsen, wie durch Block 64 angezeigt.
Eine dielektrische Schicht 58 ist es SiO2 wird
dann über die p-Typ GaN Schicht 57 abgeschieden
und strukturiert, wie durch Block 65 angezeigt. Eine Schicht 59 von
p-Typ GaN wird dann aufgewachsen über die strukturierte
dielektrische Schicht 58, wie durch Block 66 angezeigt.
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Die
Vorrichtung 50 funktioniert in einer Weise, die ähnlich
ist zu der Weise, in welcher die Vorrichtung 1 funktioniert
und erreicht eine verbesserte Extraktionseffizienz relativ zu den
bekannten, oben beschriebenen Licht emittierenden Vorrichtungen, welche
Löcher in ihre obere Oberfläche geätzt
haben. Die Vorrichtung 50 stellt eine PIN-LED-Struktur dar.
Wie oben ausgeführt, ist die Erfindung jedoch nicht auf
LED-Strukturen beschränkt, sondern ist auf andere Typen
von Licht emittierenden Vorrichtungen, wie beispielsweise Laser,
ebenso anwendbar. Wie in der Vorrichtung 1, welche in 1 dargestellt
ist, resultiert die Periodizität des Musters von Öffnungen, die
in der dielektrischen Schicht 58 der Vorrichtung 50 gebildet
sind, in einer periodischen Variation in dem Brechungsindex der
p-Typ-GaN Schichten 57 und 59, welche die dielektrische
Schicht 58 umgeben. Dieser periodisch variierende Brechungsindex in
den p-Typ-GaN-Schichten 57 und 59 ist über
dem aktiven Gebiet, welches die QW-Schichten 55 aufweist,
und bildet die PBG-Struktur der Vorrichtung 50. Das Vergraben
der PBG-Struktur innerhalb der Vorrichtung 50 über
dem aktiven Gebiet bewirkt, dass Licht bei der Betriebswellenlänge
in das aktive Gebiet gerichtet wird und innerhalb des aktiven Gebietes durch
interne Reflexion eingeschlossen wird, was die Extraktionsquanteneffizienz
der Vorrichtung 50 über die, welche durch bekannte
Licht emittierende Vorrichtungen erhalten wird, verbessert.
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6 veranschaulicht
eine Querschnittsseitenansicht eines Teils einer Halbleitervorrichtung 70, welche
darin eine photonische Kristallstruktur vergraben hat, gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform. Die Vorrichtung 70 ist ähnlich
der Vorrichtung 1, die in 1 dargestellt
ist, indem sie eine GaN-Pufferschicht 72 auf einer Oberfläche
eines Saphir-Substrats 71 und eine strukturierte dielektrische Schicht
von SiO2 73 auf einer Oberseite
der Pufferschicht 72 aufweist. Eine Schicht von p-Typ GaN 74 wird
dann aufgewachsen auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 73 und
in den Öffnungen, die in der dielektrischen Schicht 73 gebildet
sind. Sie folgenden Schichten werden dann in der folgenden Reihenfolge
aufgewachsen: eine n-Typ GaN Schicht 75; eine n-Typ-AlGaN-Schicht 76;
die InGaN-QW-Schichten 77; eine p-Typ-AlGaN-Schicht 78;
und eine p-Typ-GaN-Schicht 79.
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Nachfolgend
dem Aufwachsen dieser Schichten werden Öffnungen 81 hinunter
zu der strukturierten dielektrischen Schicht 73 geätzt,
um Inseln 80 zu bilden. Eine Schicht von n-Typ-GaN 82 wird
dann über die Inseln 80 aufgewachsen. Da die Inseln 80 sich
periodisch wiederholen, liefern sie eine periodische Variation in
dem Brechungsindex von all den Schichten in der Vorrichtung 70,
einschließlich der QW-Schichten 77. Diese periodische
Variation in dem Brechungsindex ergänzt die periodische
Variation in dem Brechungsindex, welche durch das Wachstum der p-Typ-GaN
Schicht 74 in den Öffnungen, die in der dielektrischen
Schicht 73 gebildet sind, geliefert wird. Dies resultiert
in einem nochmals besseren Einschluss des Lichts in dem aktiven
Gebiet 77 und folglich in einer verbesserten Extraktionsquanteneffizienz
für die Vorrichtung 70 relativ zu bekannten Licht
emittierenden Vorrichtungen.
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7A und 7B sind
Draufsichten auf die Licht emittierende Vorrichtung, welche in 3 dargestellt
ist. Die in 7A dargestellte Draufsicht gezeigt
die GaN-Pufferschicht unter den kreisförmigen Öffnungen 91,
die in der dielektrischen Schicht gebildet wurden vor dem Aufwachsen
des n-Typ-GaN. Wie oben ausgeführt, haben die Öffnungen 91 einen
Durchmesser und einen Abstand, die gewählt sind, um nahe
der Wellenlänge von Licht in GaN zu sein, oder einem Bruchteil
der Wellenlänge. Der Durchmesser des typischerweise 1/2
oder 1/4 der Wellenlänge von Licht in GaN. Der Abstand
ist typischerweise zweimal der Durchmesser der Öffnungen 91.
Die in 7B dargestellte Draufsicht zeigt das
n-Typ-GaN 94 aufgewachsen über den kreisförmigen Öffnungen,
gebildet in der dielektrischen Schicht 93. Das p- oder
n-Typ-GaN wächst lateral auf, um hexagonale Basen über
den Öffnungen zu bilden. Die Bedingungen in dem Reaktor
werden so gewählt, dass ein vertikales Wachstum gegenüber
einem lateralen Wachstum favorisiert ist, so dass die allgemein
pyramidal geformten Strukturen in dem n-Typ-GaN gebildet werden
und einer Koaleszenz des n-Typ-GaN nicht erlaubt wird, aufzutreten.
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8 veranschaulicht
eine Draufsicht auf die Vorrichtung, die in 3 dargestellt
ist, in welcher die Licht emittierende Vorrichtung in eine hexagonale Anordnung 110 von
pyramidal geformten Strukturen gefertigt wurde, welche einen einzigen
Defekt 120 im Zentrum der Anordnung 110 aufweist.
Die Draufsichten zeigen die strukturierte dielektrische Schicht 111 mit
den hierauf aufgewachsen p- oder n-Typ-GaN-hexagonal-pyramidalgeformten
Strukturen 112. Der Defekt 120 ist eine Fläche
in der dielektrischen Schicht, die nicht durch Ätzen entfernt
wurde. Das von der Anordnung erzeugte Licht wird durch den Defekt 120 aus
der Anordnung 110 heraus ausgekoppelt werden. Der Defekt 120 schließt
Licht ein und limitiert Moden, um die Extraktionseffizienz zu verbessern.
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Die
externe Quanteneffizienz von Halbleiter-LED-Vorrichtungen ist primär
limitiert durch ihre schlechte Extraktionseffizienz. Folglich, während
die interne Quanteneffizienz oft 100% erreicht, ist die externe
Quanteneffizienz typischerweise viel geringer aufgrund der kleinen
Lichtaustrittskegel, die in typischen LED-Vorrichtungen geliefert
werden. Der hohe Brechungsindex der typischen Halbleitervorrichtung trägt
dazu bei, weil er bewirkt, dass viel von dem emittierten Licht eine
totale innere Reflexion (TIR) durchläuft, anstatt aus der
LED-Vorrichtung auszutreten. Anschließend wird das TIR-Licht
wahrscheinlich reabsorbiert, entweder in dem aktiven Gebiet oder
in den Kontaktelektroden. Unter den vielen bekannten Strategien,
die entwickelt wurden zum Verbessern der LED-Extraktionseffizienz,
sind Chipoberflächen aufrauhen, was die diffuse Streuung
von Licht aus der Halbleitervorrichtung heraus fördert statt
TIR, Aufnahme einer photonischen Bandlückenstruktur in
die Halbleitervorrichtung, und Formen der Halbleiteroberfläche
um das Auskoppeln von Licht zu verbessern und TIR zu reduzieren.
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Es
ist bekannt, dass die Extraktionseffizienz stark verbessert werden
kann durch Formen der LED-Vorrichtung, um Licht aus der Vorrichtung
heraus zu reflektieren anstatt ihm zu erlauben zu rezirkulieren
und eine Absorption in dem aktiven Gebiet zu erfahren. Dies ist
demonstriert worden in bekannten Geräten wie z. B. LumiLeds
für AlGaInP-LEDs mit einer Pyramidenstumpf-Form, gebildet
durch Sägen der Chipseitenwände unter einem Winkel. Ähnliche Chip-Formungstechniken
können auch profitieren GaN-basierte LEDs auf Saphir- oder
Siliziumskohlenstoff (SiC)-Substraten, wie beispielsweise die oben
in 1, 3, 4 und 6 dargestellten. Jedoch
sind diese Materialien extrem schwierig mit Präzision zu
sägen oder zu spalten.
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9 zeigt
ein dramatisches Querschnittsdiagramm einer LED Vorrichtung 200 mit
allgemein pyramidal geformten Mikrostrukturen 210, die
darin gebildet sind gemäß einer Ausführungsform.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wurde bestimmt,
dass die natürliche Tendenz für GaN, während
des Wachstums die allgemein pyramidal geformten Strukturen, die
oben mit Bezug auf 3 beschrieben wurden, zu bilden,
verwendet werden kann um analoge Formen zu bilden, welche die Licht
emittierende Vorrichtung mit einer aufgerauhten Oberfläche
ausstatten, welche die Lichtextraktion fördert. Das selektive Wachstum
von GaN-Pyramiden-Kristalliten in einer Punkt-strukturierten Maske
wurde demonstriert durch H. X. Jiang et al. in "Optical
resonance modes in GaN pyramid microcavities", Applied Physics Letters
75, 763 (1999), welche hierin durch Bezugnahme eingeschlossen
ist. Gemäß einer Ausführungsform sind
diese Formen vielmehr auf einem mikrostrukturellen Maßstab
als auf einem Gesamt-Chip-Formungsmaßstab gebildet. Folglich, während
der Abstand zwischen den allgemein pyramidal geformten Strukturen 46,
die in 3 dargestellt sind, in der Größenordnung
einer Wellenlänge von Licht in GaN (Nanometer Skala) ist,
ist der Abstand zwischen den allgemeinen pyramidal geformten Mikrostrukturen 210,
die für diesen Zweck verwendet wurden, viel größer,
das heißt, typischerweise in der Größenordnung
von ungefähr 50 bis 150 Mirkometern (μm). Wie
oben beschrieben wurde, bilden sich diese Mikrometer-großen
pyramidalen Strukturen spontan während des lateralen epitaktischen
Wachstums von GaN in der Punkt-strukturierten dielektrischen Maskenschicht
in der Weise, wie sie oben Bezug auf die 3 beschriebenen
wurde. Die Formen dieser Mikrostrukturen 210 sind geeignet zum
Streuen von Licht aus der Vorrichtung 200 heraus anstatt
zu erlauben, dass das Licht reflektiert, rezirkuliert und in dem
aktiven Gebiet reabsorbiert wird. Folglich ist die Auskopplungsquanteneffizienz
der Licht emittierenden Vorrichtung 200 verbessert.
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Anders
als die Vorrichtung 40, die in 3 dargestellt
ist, umfasst die Vorrichtung 200 ein dielektrisches isolierendes
Material oder ein metallisches Material (z. B. Aluminium, Silber,
etc.) 220, welches in dem Volumen zwischen den pyramidal
geformten Mikrostrukturen 210 angeordnet ist. Wenn das
Material 220 reflektierend ist, wird es Licht, welches
in dem aktiven Gebiet erzeugt wurde, aus der Vorrichtung 200 heraus
reflektieren, um zu verhindern, dass das Licht in dem aktiven Gebiet
reabsorbiert wird, und verbessert dadurch die Extraktionseffizienz. Wenn
das Material 220 ein isolierendes dielektrisches Material
ist, wird es Licht absorbieren, welches in dem aktiven Gebiet erzeugt
und nach unten reflektiert wurde, um zu verhindern, dass das Licht
in dem aktiven Gebiet reabsorbiert wird, was ebenfalls die Extraktionseffizienz
verbessert. Die Vorrichtung 200 hat Metallkontakte 201 und 202 zum
injizieren von Strom in das aktive Gebiet, welches durch die InGaN und
AlGaN Schichten 205 gebildet ist. Unter Verwendung des
oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Verfahrens zur
Herstellung der Vorrichtung 200 werden in dem Schritt,
der durch Block 25 repräsentiert ist, die Bedingungen
in dem Reaktor gewählt, so dass die vertikale Wachstumsrate
höher ist als die laterale Wachstumsrate des n-Typ GaN,
was bewirkt, dass die pyramidal geformten Mikrostrukturen 210 gebildet
werden. Zumindest die oberen Teile der pyramidal geformten Mikrostrukturen 210 sind
mit den InGaN- und AlGaN-Schichten 205 bedeckt, welche die
MQW-Struktur bilden. Die InGaN und AlGaN-Schichten 205 werden
dann bedeckt durch eine Schicht von p-Typ GaN 207, um den
p-n-Übergang zwischen dem p-Typ-GaN 207 und dem
n-Typ-GaN 210 zu bilden.
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Die
kreisförmigen Öffnungen oder Punkte, die in die
dielektrische Maskenschicht 206 strukturiert werden, sind
typischerweise ungefähr 1 bis 20 Mikrometer im Durchmesser
und sie sind typischerweise strukturiert in einer zweidimensionalen
Anordnung, welche die Packungsdichte maximiert während sie
die hexagonal pyramidale Form noch intakt lässt (d. h.,
die Pyramiden haben sich nicht verbunden). Die Form der pyramidalen
Strukturen 210 kann auch gesteuert werden mittels der Reaktor-Wachstumsbedingungen
durch Vornehmen von Variationen in Wachstumstemperaturen und Drücken,
wie offenbart in dem Artikel "Fabrication and characterization
of low-defect-density GaN using FACELO" von K. Hiramatsu et al.,
Journal of Crystal Growth 221, 316 (2000), der hierin durch
Bezugnahme eingeschlossen wird. Ein niedrigeren Drücken
sind die pyramidal geformten Mikrostrukturen 210 allgemeinen
flach, aber breit (entsprechend einem schnellen lateralen Wachstum),
während bei höheren Drücken die pyramidal
geformten Mikrostrukturen 210 zu Spitzen zulaufen. Folglich
kann durch Steuern der Wachstumstemperatur, Druck, Rate und V:III-Verhältnis
die Geometrie der pyramidal geformten Mikrostrukturen gesteuert
werden. Entsprechend werden die Wachstumsbedingungen eingestellt,
um eine endgültige Nettoform zu erhalten, welche die Extraktionseffizienz
maximiert.
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Allgemein
können die hexagonal pyramidale geformten Mikrostrukturen,
die sich spontan bilden, wenn GaN in Punkt-strukturierten Masken
aufgewachsen wird, die Extraktionseffizienz von Licht emittierenden
Vorrichtungen, wie beispielsweise Nitridhalbleiter-LED-Vorrichtungen,
erhöhen. Diese Extraktionseffizienzverbesserung ist vollständig
analog zu der, die erreicht wird durch die bekannte Technik des
Schräg-Sägens von AlInGaP-LED-Vorrichtungen. Jedoch
können die GaN pyramidal geformten Mikrostrukturen 210,
die in 9 dargestellt sind, von Mikrometerskala-Abmessungen
sein. Während des Wachstums der InGaN und AlGaN MQW-Schichten 205,
wird das InGaN vorteilhaft an den Oberseiten der pyramidalen Strukturen 210 oder
abgeschnittenen Pyramiden (nicht dargestellt) aufgenommen. Da das Wachstum über
eine solch kleine Fläche auftritt, kann eine Erzeugung
von Versetzungen für LEDs mit hohen Indiumlegierungsgehalten,
speziell in grünen LED Vorrichtungen, unterdrückt
werden. Folglich kann zusätzlich zu der Verbesserung der
Extraktionseffizienz auch die interne Quanteneffizienz verbessert
werden. In einem extremen Limit kann ein InGaN-Quantenpunkt-Aktivgebiet
an der Spitze der Pyramide gebildet und dann in AlGaN vergraben
werden. Für die strukturierte Startprobe kann die Punktgröße
gewählt werden, um die einzelne LED Kristallit-Performance
im Hinblick auf Effizienz, Farbreinheit, Spannung, etc., optimiert
werden mit den Wachstumsbedingungen, welche die pyramidale Geometrie
bestimmen. Gleichermaßen kann der Abstand der Punkte gewählt
werden, um eine optimale Packungsdichte von pyramidalen Kristallen
zu ergeben, um die Lichtabgabe der Vorrichtung zu erhöhen. Die
Dicke der dielektrischen Maske sollte auch optimiert werden. Idealerweise
sollte sie als eine Antireflexionsbeschichtung dienen, so dass Licht,
welches von den Flächen der pyramidal geformten Mikrostrukturen
abwärts reflektiert wird, durch sie hindurch tritt, um
von der Vorrichtung extrahiert zu werden.
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Zusätzlich
zu der Form der pyramidalen Mikrostrukturen spielt auch die Platzierung
und die Form des InGaN/AlGaN-MQW-Emissionsgebietes innerhalb der
Pyramide eine Rolle in der Bestimmung der Extraktionseffizienz.
Dies kann der optimiert werden durch Steuerung der Wachstumsbedingungen und
Menge an Material, welches aufgewachsen wird vor den IGaN/AlGaN-MQW-Schichten 205 und
für das Material, welches über die MQW Schichten 205 aufgewachsen
wird. Zum Beispiel, wenn das IGaN an der äußersten
Spitze einer pyramidal geformten Struktur 210 aufgewachsen
wird und dann in AlGaN vergraben wird, wird der vergrabene MQW sich
wie eine Punktlichtquelle verhalten. Alternativ können
die IGaN/AlGaN-MQW-Schichten 205 deponiert werden bevor
das Hexagon eine Spitze gebildet hat, in welchem Fall ein kleines
planares aktives Gebiet (d. h. ein Mesa) geformt werden kann, bevor
die IGaN/AlGaN-Schichten aufgewachsen werden. Die pyramidal geformten Mikrostrukturen
können auch vorteilhaft angewandt werden auf ultraviolette
AlInGaN-MQW-LED-Vorrichtungen. Ein anderes interessantes Ergebnis
in dem Prozess ist, dass das Wachstum der pyramidal geformten Mikrostrukturen
die Aufnahme von Indium in die InGaN-QW-Schichten verbessern kann,
was zu einem längeren Wellenlängenbetrieb führen
kann.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Erfindung geschrieben wurden mit
Bezug auf anschauliche Ausführungsformen und dass die Erfindung
nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
Viele Variationen können in den hierin beschriebenen Ausführungsformen
gemacht werden und all solche Variationen sind innerhalb des Umfangs
der Erfindung. Zum Beispiel können, nachdem die Licht emittierenden
Vorrichtungen erzeugt wurden, die strukturierten dielektrischen
Schichten weggeätzt werden, um eine Luftspalt-photonische-Bandlückenstruktur
zurückzulassen, welche eine nochmals stärkere
periodische Brechungsindexvariationen aufweist. Zusätzlich
ist, während die Licht emittierenden Vorrichtungen beschrieben
wurden mit Bezug auf bestimmte Materialien, die Erfindung nicht
beschränkt auf die Verwendung eines bestimmten Materials
um die Licht emittierenden Vorrichtungen herzustellen. Die vorstehend
beschriebenen Materialien sind lediglich Beispiele von Materialien,
welche für die hierin beschriebenen Zwecke geeignet sind,
obwohl andere Materialien ebenfalls für diese Zwecke geeignet
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "InGaN/GaN
QW heterostructure LEDs employing photonic crystal structures",
veröffentlicht in "Applied Physics Letters 84, 3885 (2004) [0004]
- - "Optical resonance modes in GaN pyramid microcavities", Applied
Physics Letters 75, 763 (1999) [0036]
- - "Fabrication and characterization of low-defect-density GaN
using FACELO" von K. Hiramatsu et al., Journal of Crystal Growth
221, 316 (2000) [0038]