DE102012106143A1

DE102012106143A1 - Nitrid-Halbleiter-Leuchtdiodenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012106143A1
Application number: DE102012106143A
Authority: DE
Inventors: Jae-Hoon Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-01-17
Also published as: US20130015465A1; JP2013021334A; KR20130008295A; CN102881794A

Abstract

Eine Nitrid-Leuchtvorrichtung (100) enthält eine n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht (120); eine an der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht (120) angeordnete aktive Schicht (130); und eine an der aktiven Schicht (130) angeordnete p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150). Die p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150) enthält eine Heterostruktur (160) mit einer GaN-Schicht (161) und einer n-leitenden AlxInyGaN-Schicht (165), die mit einem n-Dotierstoff dotiert ist, und eine Zweidimensionales-Elektronengas-Schicht (2DEG-Schicht) (163), die an einer Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht (161) und der n-leitenden AlxInyGaN-Schicht (165) ausgebildet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum am 12. Juli 2011 eingereichten koreanischen Patentanmeldung KR 10-2011-0068962 , deren Offenbarung durch Inbezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
1. Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Leuchtvorrichtung und insbesondere auf eine Nitrid-Leuchtvorrichtung.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Nitrid-Leuchtdioden (LEDs) sind Halbleitervorrichtungen, die in der Lage sind, verschiedene Farben von Licht zu emittieren durch Einsetzen einer lichtemittierenden Quelle mit einem p-n-Übergang eines Nitrid-Halbleiters. Nitrid-LEDs wurden kontinuierlich weiterentwickelt, so dass Nitrid-LEDs nicht nur für kurzwelliges Licht, sondern auch für langwelliges Licht verwendet werden. Eine Nitrid-LED kann allgemein verwendet werden, nicht nur für eine optische Vorrichtung, sondern auch für eine elektronische Vorrichtung, um von physikalischen Vorteilen der Nitrid-LED zu profitieren.
Mit der Einführung von blauen LEDs, die aus einem Nitrid-Halbleiter ausgebildet sind, wurde die Anwendung von LEDs breiter und die LEDs werden in verschiedenen Gebieten verwendet, wie z. B. bei Tastaturen, Hintergrundbeleuchtungen von Flüssigkristallanzeige-Vorrichtungen (LCD-Vorrichtungen), Verkehrsampeln, Flugzeugen, Autos und Beleuchtungen. Insbesondere können weiße LEDs existierende Glühbirnen und Leuchtstofflampen ersetzen, was eine Art Revolution in der Beleuchtung sein wird.
Da eine Nitrid-Leuchtdiode (LED) eine Limitierung bei der p-Dotierung eines p-leitenden Halbleiters aufweist, existiert ein Bedarf an Technologien zum Verringern eines Stromeinbruch-Phänomens durch Verringern einer Einschaltspannung und Verbessern des Stromverteilungseffektes.
KURZFASSUNG
Bereitgestellt wird eine Nitrid-Leuchtvorrichtung, die in der Lage ist, einen Stromverteilungseffekt zu verbessern und die optische Leistung zu erhöhen.
Zusätzliche Aspekte werden zum Teil in der folgenden Beschreibung ausgeführt werden und zum Teil anhand der Beschreibung offenkundig werden, oder können anhand der Anwendung der vorliegenden Ausführungsformen gelernt werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Nitrid-Leuchtvorrichtung. Die Nitrid-Leuchtvorrichtung enthält eine n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht; eine p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht; und eine zwischen der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht und der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete aktive Schicht. Eine Heterostruktur ist in der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet. Die Heterostruktur enthält eine GaN-Schicht und eine n-leitende Al_xIn_yGaN-Schicht, die mit einem n-Dotierstoff dotiert ist, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y = 1, und eine Zweidimensionales-Elektronengas-Schicht (2DEG-Schicht), die an einer Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht und der n-leitenden Al_xIn_yGaN-Schicht ausgebildet ist.
Die p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht umfasst eine p-leitende Mantelschicht (Cladding-Schicht) auf der aktiven Schicht und eine auf der p-leitenden Mantelschicht ausgebildete p-leitende Kontaktschicht, wobei die Heterostruktur innerhalb der p-leitenden Kontaktschicht oder der p-leitenden Mantelschicht ausgebildet ist. Zum Beispiel ist die p-leitende Kontaktschicht aus p⁺-GaN ausgebildet und ist die Heterostruktur innerhalb der p-leitenden Kontaktschicht ausgebildet.
In der Heterostruktur ist die GaN-Schicht an der aktiven Schicht ausgebildet.
Die GaN-Schicht ist eine undotierte Schicht. Die GaN-Schicht besitzt eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 50 nm.
Der n-Dotierstoff der n-Al_xIn_yGaN-Schicht ist Si. Die n-Al_xIn_yGaN-Schicht ist aus AlGaN mit einem Al-Gehalt von etwa 15 bis etwa 45% ausgebildet. Die n-Al_xIn_yGaN-Schicht besitzt eine Dicke in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf die Nitrid-Leuchtvorrichtung, die weiter eine auf der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete n-leitende Elektrode; und eine auf der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht und aus einem durchsichtigen leitfähigen Material ausgebildete p-leitende Elektrode enthält, wobei Licht durch die p-leitende Elektrode hindurch emittiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die Nitrid-Leuchtvorrichtung weiter eine auf der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete n-leitende Elektrode; und eine auf der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete p-leitende Elektrode, wobei die Nitrid-Leuchtvorrichtung einen vertikalen Aufbau vom Epi-Down-Typ besitzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung enthält die Nitrid-Leuchtvorrichtung weiter eine auf der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete n-leitende Elektrode; eine auf der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildete p-leitende Elektrode; und ein an die p-leitende Elektrode gebondetes Verdrahtungssubstrat, wobei die Nitrid-Leuchtvorrichtung ein Array mit einer Flip-Chip-Struktur aufweisen kann.
In der Nitrid-Leuchtvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung ist eine n-Al_xIn_yGaN/GaN-Heterostruktur in einer p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet zum Hervorrufen eines 2DEG, wodurch ein Stromverteilungseffekt in der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht vergrößert wird aufgrund einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit des 2DEG. Somit wird ein Phänomen der ungleichmäßigen Stromverteilung (current crowding) verhindert, selbst wenn eine hohe Leistung bereitgestellt wird, und somit kann eine Zuverlässigkeit einer Nitrid-Leuchtvorrichtung erhöht werden. Außerdem ist ein n⁺/p⁺-Tunnelübergang zwischen der Heterostruktur und der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet und somit kann die Effizienz der Löcherinjektion in eine aktive Schicht erhöht werden, wodurch die Lichtleistung erhöht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und/oder andere Aspekte werden anschaulich und leichter gewürdigt weden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Ansicht ist, die eine Struktur einer Nitrid-Leuchtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung darstellt;
2 ein Energieband-Diagramm der Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1 ist;
3 eine graphische Darstellung ist, die optische Eigenschaften der Nitrid-Leuchtvorrichtung zeigt;
4 eine graphische Darstellung ist zum Erläutern der durch die Joulesche Wärme beeinflussten Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1;
5 eine graphische Darstellung ist, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1 zeigt;
6 eine graphische Darstellung ist, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1 in Abhängigkeit von der Existenz einer p-leitenden Kontaktschicht zeigt;
7 eine graphische Darstellung ist, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1 in Abhängigkeit einer Dicke von AlGaN zeigt;
8 eine graphische Darstellung ist, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung aus 1 in Abhängigkeit einer Dicke von GaN zeigt;
9 eine schematische Ansicht ist, die eine Nitrid-Leuchtvorrichtung vom vertikalen Typ gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung darstellt; und
10 eine schematische Ansicht ist, die eine Nitrid-Leuchtvorrichtung darstellt, welche ein Array mit einer Flip-Chip-Struktur besitzt, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente, und sind die Dicken von Schichten und Bereichen zum Zwecke der Klarheit übertrieben.
1 ist eine schematische Ansicht, die einen Aufbau einer Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Bezugnehmend auf 1 enthält die Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 ein Substrat 110, eine n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht 120, eine aktive Schicht 130, eine p-leitende Mantelschicht 140, eine p-leitende Kontaktschicht 150 und eine Heterostruktur 160, die innerhalb der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet ist.
Das Substrat 110 kann zum Beispiel ein Saphirsubstrat (Al₂O₃-Substrat), ein SiC-Substrat, ein GaN-Substrat oder dergleichen sein. Ein konkav-konvexes Muster kann in einer oberen Oberfläche des Substrates 110 ausgebildet sein, um eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat 110 und auf dem Substrat 110 aufwachsenden Nitrid-Halbleiterschichten zu verringern und um die Lichtauskopplungseffizienz zu erhöhen.
Die n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht 120 kann zum Beispiel eine GaN-Schicht oder eine GaN/AlGaN-Schicht sein, die mit einem n-Dotierstoff dotiert ist. Eine Pufferschicht (nicht dargestellt), die beim Kristallwachstum der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 120 verwendet wird, kann zwischen dem Substrat 110 und der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 120 angeordnet sein. Die aktive Schicht 130 kann zum Beispiel eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW-Struktur) mit einer InGaN/GaN-Schicht besitzen.
Die p-leitende Mantelschicht 140 kann eine Struktur eines Übergitters mit verspannten Schichten (SLS-Struktur) aus AlGaN/GaN besitzen, das mit einem p-Dotierstoff dotiert ist. Alternativ kann die p-leitende Mantelschicht 140 eine SLS-Struktur besitzen oder kann eine p-GaN-Schicht sein.
Die p-leitende Kontaktschicht 150 kann eine p^±-GaN-Schicht sein, die mit einem p-Dotierstoff dotiert ist. Wenn die Heterostruktur 160 in der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet ist, ist die p-leitende Kontaktschicht 150 in eine auf einer unteren Seite der Heterostruktur 160 angeordnete erste p-leitende Kontaktschicht 151 und eine auf einer oberen Seite der Heterostruktur 160 angeordnete zweite p-leitende Kontaktschicht 155 aufgeteilt. Die erste p-leitende Kontaktschicht 151 und die zweite p-leitende Kontaktschicht 155 können die gleiche Zusammensetzung besitzen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
Die Heterostruktur 160 kann eine n-Al_xIn_yGaN/GaN-Struktur besitzen, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y = 1. Zum Beispiel kann die Heterostruktur 160 eine Bonding-Struktur zwischen einer undotierten GaN-Schicht 161 und einer n-leitenden AlGaN-Schicht 165 besitzen. Die Heterostruktur 160 ist in der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet zum Erhöhen der Stromverteilung und der Löcherinjektionseffizienz. Eine Dicke der undotierten GaN-Schicht 161 kann bestimmt werden durch Berücksichtigung der Bildung einer Zweidimensionales-Elektronengas-Schicht (2DEG-Schicht) 163 oder eines Tunnelphänomens. Die Dicke der undotierten GaN-Schicht kann zum Beispiel in dem Bereich von etwa 5 nm bis etwa 50 nm sein. Die Dicke der undotierten GaN-Schicht 161 kann bevorzugt in dem Bereich von etwa 7 nm bis etwa 15 nm sein. Die n-leitende AlGaN-Schicht 165 kann aus einer mit einem n-Dotierstoff wie z. B. Si dotierten AlGaN-Schicht ausgebildet sein. Mit zunehmenden Gehalt an Al in der n-leitenden AlGaN-Schicht 165 nimmt eine elektronische Intensität der 2DEG-Schicht 163 zu. In diesem Fall kann sich eine Kristallqualität der AlGaN-Schicht verschlechtern, und somit kann die Dicke der undotierten GaN-Schicht 161 festgelegt werden unter Berücksichtigen der Kristallqualität der AlGaN-Schicht. Zum Beispiel kann die n-leitende AlGaN-Schicht 165 einen Al-Gehalt von etwa 15 bis etwa 45% enthalten und kann mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 50 nm ausgebildet sein. Die n-leitende AlGaN-Schicht 165 kann vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 15 nm bis etwa 30 nm ausgebildet sein.
2 ist ein Energieband-Diagramm der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 aus 1. Bezugnehmend auf 2 ist die 2DEG-Schicht 163 an einer Grenzfläche zwischen der undotierten GaN-Schicht 161 und der n-leitenden AlGaN-Schicht 165 ausgebildet aufgrund der Diskontinuität eines Energiebandes zwischen der undotierten GaN-Schicht 161 und der n-leitenden AlGaN-Schicht 165. Da die 2DEG-Schicht 163 eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist, ist die Stromverteilung in die p-leitende Kontaktschicht 150 verbessert. Mit Verbesserung der Stromverteilung wird ein Phänomen ungleichmäßiger Stromverteilung verhindert, selbst wenn hohe Leistung bereitgestellt wird, und somit nimmt die Zuverlässigkeit der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 zu. Da außerdem die 2DEG-Schicht 163 ein Bereich mit zu vielen Elektronen ist, ist ein n⁺/p⁺-Tunnelübergang zwischen der Heterostruktur 160 und der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet, und somit nimmt die Effizienz der Löcherinjektion in die aktive Schicht 130 zu, wodurch eine höhere Helligkeit bei gleicher Stromintensität ermöglicht wird.
Bei der gegenwärtigen Ausführungsform besitzt die Heterostruktur 160 eine Bonding-Struktur zwischen der undotierten GaN-Schicht 161 und der n-leitenden AlGaN-Schicht 165, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann eine GaN-Schicht, die mit GaN dotiert ist, mit der undotierten GaN-Schicht 161 ausgetauscht werden, innerhalb eines Bereichs mit einer Energieband-Struktur, bei der die 2DEG-Schicht 163 an der Grenzfläche zwischen der undotierten GaN-Schicht 161 und der n-leitenden AlGaN-Schicht 165 ausgebildet ist. Alternativ kann eine n-AlInGaN-Schicht, die aus mit einem n-Dotierstoff dotierten AlInGaN ausgebildet ist, oder eine n-AlInN-Schicht, die aus mit einem n-Dotierstoff dotierten AlInN ausgebildet ist, die undotiete GaN-Schicht 161 ersetzen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine n-leitende Elektrode (nicht dargestellt) an einer Seite der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 120 ausgebildet sein, und eine p-leitende Elektrode (nicht dargestellt) kann an einer Seite der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet sein. Wenn das Substrat 110 ein leitfähiges Substrat wie zum Beispiel ein SiC-Substrat oder ein GaN-Substrat ist, kann eine n-leitende Elektrode (nicht dargestellt) an einer Rückseite des Substrates 110 ausgebildet sein.
Die p-leitende Elektrode (nicht dagestellt) kann eine transparente Elektrode sein, die vollständig dotiert ist, auf einer oberen Oberfläche einer p-leitenden Kontaktschicht 190, und kann ausgebildet sein aus zum Beispiel einem transparenten leitfähigen Material wie zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO). In diesem Fall kann die Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 einen Aufbau besitzen, bei dem Licht von der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 nach oben emittiert wird. Alternativ kann die Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 einen vertikalen Aufbau vom Epi-Down-Typ besitzen, bei dem Licht zu der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 120 hin emittiert wird, ähnlich zu einer in 9 dargestellten Nitrid-Leuchtvorrichtung 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In diesem Fall kann die p-leitende Elektrode (nicht dargestellt) aus Silber (Ag), Aluminium (Al) oder einer Legierung davon ausgebildet sein, oder alternativ kann die p-leitende Elektrode (nicht dargestellt) aus einem Metall mit einer hohen Reflektivität ausgebildet sein.
Die 3 bis 8 sind graphische Darstellungen, die optische und elektrische Eigenschaften der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 zeigen.
In den 3 bis 5 ist eine Ref-LED eines Vergleichsbeispiels eine allgemeine Nitrid-Leuchtvorrichtung, bei der keine andere Schicht in einer p⁺-GaN-Schicht ausgebildet ist, die eine p-leitende Konaktschicht ist, und eine GaN-LED eines weiteren Vergleichsbeispiels ist eine Nitrid-Leuchtvorrichtung, bei der nur eine undotierte GaN-Schicht in einer p⁺-GaN-Schicht ausgebildet ist, die eine p-leitende Konaktschicht ist. Eine 2DEG-LED, die ein Beispiel einer Nitrid-Leuchtvorrichtung gemäß der Ausführungsform ist, ist eine Nitrid-Leuchtvorrichtung, bei der die Heterostruktur 160 (siehe 1) mit n-AlGaN und undotiertem GaN in der p⁺-GaN-Schicht, die eine p-leitende Kontaktschicht ist, ausgebildet ist.
3 ist eine graphische Darstellung, die optische Eigenschaften bezüglich der Ref-LED, der GaN-LED und der 2DEG-LED zeigt.
Mit Bezug auf 3 zeigen die Ref-LED, die GaN-LED und die 2DEG-LED optische Leistungswerte von 9,7 mW, 9,2 mW bzw. 11,4 mW jeweils bei einer Stromdichte von 20 mA. Bei der 2DEG-LED, die ein Beispiel einer Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, ist eine Helligkeit um etwa 17% erhöht verglichen mit der Ref-LED, die eine allgemeine lichtemittierende Vorrichtung ist. Außerdem zeigen die Ref-LED, die GaN-LED und die 2DEG-LED externe Quanteneffizienz-Werte (EQE-Werte) von 17,3%, 16,2% bzw. 20,3%. Bei der 2 DEG-LED, die ein Beispiel der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, ist der EQE-Wert um 3% erhöht verglichen mit der Ref-LED, welche die allgemeine lichtemittierende Vorrichtung ist. Solch eine Zunahme in der Helligkeit kann von einer Zunahme bei der Stromverteilung aufgrund der Bildung der 2DEG-Schicht 163 durch die Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN, die in der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet ist, resultieren. Die Zunahme der Helligkeit kann außerdem von einer Zunahme der hohen Elektronenintensität der 2DEG-Schicht 163 und einer Zunahme der Effizienz der Löcherinjektion in die aktive Schicht 130 aufgrund eines Tunnelübergangs zwischen der Heterostruktur 160 und der p-leitenden Kontaktschicht 150 resultieren.
In 3 zeigt die 2DEG-LED bei einer relativ hohen Stromdichte von etwa 200 mA einen optischen Leistungswert, der um etwa 20% erhöht ist, verglichen mit dem der Ref-LED, was wie oben beschrieben zeigt, dass die Stromverteilung verbessert wird durch die 2 DEG-Schicht 163, die in der Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN ausgebildet ist, und somit die Streuung von Elektronen verringert wird und ein Phänomen der ungleichmäßigen Stromverteilung verhindert wird.
4 ist eine graphische Darstellung zum Erklären von Veränderungen in der Wellenlänge bezüglich der Wärmeabstrahlung der Ref-LED, der GaN-LED und der 2DEG-LED, was den Einfluss der Joulschen Erwärmung zeigt.
Bezugnehmend auf 4, wenn die Sprungdichte von 20 mA auf 200 mA zunimmt, zeigt die Ref-LED, dass sich die Wellenlänge von 438 nm um 14 nm auf 452 nm ändert. Die 2DEG-LED zeigt, dass sich die Wellenlänge um 10 nm von 443 nm auf 453 nm ändert. Das heißt, dass die Veränderung der Wellenlänge der 2DEG-LED geringer ist als die der Ref-LED, was zeigt, dass mit Vergrößerung des Stromverteilungseffektes durch die 2DEG-Schicht 163, die in der Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN ausgebildet ist, das Phänomen der ungleichmäßigen Stromverteilung verhindert wird, und somit Wärmeabstrahlung abnimmt. Als solches kann bei der 2DEG-LED, das heißt bei der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Stromverteilung zunehmen und somit die Zuverlässigkeit zunehmen, sogar bei einer Hochleistungs-LED.
5 ist eine graphische Darstellung, die elektrische Kennlinien bezüglich der Ref-LED, der GaN-LED und der 2DEG-LED zeigt. Bei der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform ist die Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN in der p-leitenden Kontaktschicht 150 ausgebildet, und somit kann ein Betriebsstrom leicht zunehmen oder ein Leckstrom kann zunehmen. Bezugnehmend auf 5 zeigen die Ref-LED, die GaN-LED und die 2DEG-LED Betriebsspannungen von 3,20 V, 3,24 V bzw. 3,28 V bei einer Stromdichte von 20 mA. Das bedeutet, dass ein Unterschied bei den Betriebsspannungen zwischen der 2DEG-LED und der Ref-LED so klein wie etwa 0,08 V ist. Die Ref-LED, die GaN-LED und die 2DEG-LED zeigen Leckströme von –18 nA, –20 nA bzw. –17 nA bei einer Gegenspannung von –10 V. Das bedeutet, dass ein Unterschied der Leckströme zwischen der 2DEG-LED und der Ref-LED so klein wie etwa 1 nA ist. Dementsprechend kann eine Zunahme des Betriebsstroms und eine Zunahme des Leckstroms aufgrund der Bildung der Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN in der p-leitenden Kontaktschicht 150 unwesentlich sein.
6 ist eine graphische Darstellung, die eine elektrische Kennlinie der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 zeigt, bei der die Heterostruktur 160 ausgebildet ist. In 6 ist die 2DEG-LED ein Beispiel der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die 2DEG-LED ist eine Nitrid-Leuchtvorrichtung, bei der die Heterostruktur 160 (siehe 1) aus n-AlGaN/GaN in der p⁺-GaN-Schicht ausgebildet ist, die eine p-leitende Kontaktschicht ist, und eine ITO-Elektrode auf der p⁺-GaN-Schicht ausgebildet ist. Eine Ref2-LED eines Vergleichsbeispiels ist eine Nitrid-Leuchtvorrichtung, bei der die Heterostruktur 160 (siehe 1) aus n-AlGaN/GaN zwischen der p⁺-GaN-Schicht, die eine p-leitende Kontaktschicht ist, und der ITO-Elektrode ausgebildet ist. Bezugnehmend auf 6 zeigt die Ref2-LED eine Betriebsspannung so hoch wie etwa 7 V, während die 2DEG-LED eine Betriebsspannung von 3,28 V bei einer Stromdichte von 20 mA zeigt. Somit kann eine Betriebsspannung einer Leuchtvorrichtung verringert werden, wenn eine Heterostruktur aus n-AlGaN/GaN innerhalb einer p-leitenden Kontaktschicht, wie z. B. p⁺-GaN, ausgebildet ist.
7 ist eine graphische Darstellung, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 in Abhängigkeit von einer Dicke der n-leitenden AlGaN-Schicht der Heterostruktur zeigt. Bezugnehmend auf 7 nimmt eine Betriebsspannung der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 mit zunehmender Dicke der AlGaN-Schicht zu. Wenn zum Beispiel die Dicke der AlGaN-Schicht gleich 50 nm ist, ist die Betriebsspannung etwa 4 V, und wenn die Dicke der AlGaN-Schicht etwa 25 nm ist, ist die Betriebsspannung etwa 3 V. Wenn dementsprechend die Dicke der AlGaN-Schicht unterhalb von 30 nm ist, kann die Betriebsspannung weniger als 4 V sein. Wenn indessen die Dicke der AlGaN-Schicht zu gering ist, ist die Betriebsspannung gering, aber ein 2DEG nimmt ab, und somit können andere vorteilhafte Effekte der Heterostruktur verringert sein. Dementsprechend kann die Dicke der AlGaN-Schicht in dem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm sein und kann vorzugsweise in dem Bereich von 15 nm bis etwa 30 nm sein, wodurch die Betriebsspannung der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 verringert wird.
8 ist eine graphische Darstellung, die elektrische Kennlinien der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 in Abhängigkeit von einer Dicke der GaN-Schicht der Heterostruktur zeigt. Bezugnehmend auf 8 nimmt eine Betriebsspannung der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 mit zunehmender Dicke der GaN-Schicht zu. Wenn zum Beispiel die Dicke der GaN-Schicht gleich 20 nm ist, ist die Betriebsspannung der Nitrid-Leuchtvorrichtung 100 etwa 4 V. Indessen ist eine Tiefe eines 2DEG etwa 7 nm. Wenn dementsprechend die Dicke der GaN-Schicht in dem Bereich von etwa 7 nm bis etwa 15 nm ist, kann die Ausbildung des 2DEG sichergestellt werden und die Betriebsspannung kann abnehmen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Heterostruktur 160 aus n-AlGaN/GaN in der p-leitenden Kontaktschicht 150 wie z. B. p⁺-GaN ausgebildet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die Heterostruktur 160 kann in der p-leitenden Mantelschicht 140 ausgebildet sein.
9 ist eine schematische Ansicht, die eine Nitrid-Leuchtvorrichtung 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt. Bezugnehmend auf 9 besitzt die Nitrid-Leuchtvorrichtung einen Aufbau des vertikalen Typs mit einem Verdrahtungssubstrat 210 und einer auf dem Verdrahtungssubstrat 210 ausgebildeten epitaktischen Nitridstruktur 220.
Die epitaktische Nitridstruktur 220 besitzt im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 1 dargestellte Nitrid-Halbleiterstrukturschicht 120 mit Ausnahme der Reihenfolge, in der die Schichten gestapelt sind. Das bedeutet, dass die epitaktische Nitridstruktur 220 eine n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht 221, eine aktive Schicht 222, eine p-leitende Mantelschicht 223, eine erste p-leitende Kontaktschicht 224a, eine undotierte GaN-Schicht 225a, eine n-leitende AlGaN-Schicht 225b und eine zweite p-leitende Kontaktschicht 224b enthält, die in der angegebenen Reihenfolge auf einem Wachstumssubstrat (nicht dargestellt) wie z. B. einem Saphirsubstrat, einem SiC-Substrat oder einem GaN-Substrat sequentiell gestapelt sind. Das Wachstumssubstrat, auf dem die epitaktische Nitridstruktur 220 aufgewachsen ist, kann durch Anwenden des Laser-Lift-Off-Verfahrens (LLO-Verfahren) entfernt werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Bezugnehmend auf 9 ist eine obere Oberfläche der epitaktischen Nitridstruktur 220 eine Oberfläche, von der Licht emittiert wird, und ein topographisches Bild kann umgedreht werden durch Verwenden einer konkav-konvexen Struktur auf dem Wachstumssubstrat, um eine Lichtauskopplungseffizienz zu erhöhen.
Das Verdrahtungssubstrat 210 kann ein leitfähiges Substrat sein, dass aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer (Cu), Chrom (Cr) oder Nickel (Ni) ausgebildet ist, oder alternativ kann das Verdrahtungssubstrat 210 ein Si- oder ein GaAs-Halbleitersubstrat sein. Das Verdrahtungssubstrat 210 ist an die epitaktische Struktur 220 gebondet durch Verwenden einer Bonding-Metallschicht 230, die aus einem Material wie z. B. Au-Au oder AuSn ausgebildet ist. Anstelle des Wafer-Bondings, bei dem die Bonding-Metallschicht 230 verwendet wird, kann eine untere Oberfläche der epitaktischen Nitridstruktur 220 mit einem Metall, wie z. B. Cu, Ni oder Cr, mit einer Dicke von mehreren 10 μm plattiert werden zum Bilden des Verdrahtungssubstrates 210.
Um einen elektrischen Anschluss herzustellen, kann eine p-leitende Elektrode 226, wie in 9 gezeigt, auf einer unteren Oberfläche der zweiten p-leitenden Kontaktschicht 224b ausgebildet sein, kann die p-leitende Elektrode 226 mit dem Verdrahtungssubstrat 210 durch die Bonding-Metallschicht 230 verbunden sein und kann eine n-leitende Elektrode 227 in zumindest einem Teil der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 221 ausgebildet sein.
Wie oben mit Bezug auf die 1 bis 8 beschrieben ist eine Heterostruktur 225 mit der undotierten GaN-Schicht 225a und der n-leitenden AlGaN-Schicht 225b zwischen der ersten p-leitenden Kontaktschicht 224a und der zweiten p-leitenden Kontaktschicht 224b ausgebildet, und eine 2DEG-Schicht 225c kann angrenzend an eine Grenzfläche zwischen der undotierten GaN-Schicht 225a und der n-leitenden AlGaN-Schicht 225b ausgebildet sein, und somit kann die Stromverteilung erhöht werden. Außerdem ist ein n⁺/p⁺-Tunnelübergang zwischen der Heterostruktur 225 und der p-leitenden Kontaktschicht 224 ausgebildet, und somit kann die Effizienz der Löcherinjektion in die aktive Schicht 222 erhöht werden, wodurch eine höhere Helligkeit bei gleicher Stromdichte bereitgestellt wird.
10 ist eine schematische Ansicht, die eine Nitrid-Leuchtvorrichtung 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
Mit Bezug auf 10 besitzt die Nitrid-Leuchtvorrichtung 300 eine Array-Struktur einer Leuchtvorrichtung vom Flip-Chip-Typ, und eine einzelne Einheit der Leuchtvorrichtung kann im Wesentlichen gleich der Nitrid-Leuchtvorrichtung 200 mit einem mit Bezug auf 9 beschriebenen vertikalen Aufbau sein. Zum Beispiel kann jede epitaktische Nitridstruktur 320 wie oben beschrieben gebildet werden durch sequentielles Stapeln der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 221, der aktiven Schicht 222, der p-leitenden Mantelschicht 223, der ersten p-leitenden Kontaktschicht 224a, der undotierten GaN-Schicht 225a, der n-leitenden AlGaN-Schicht 225b, der zweiten p-leitenden Kontaktschicht 224b und der p-leitenden Elektrode 226 auf dem Wachstumssubstrat (nicht dargestellt) sowie durch anschließendes Ätzen der obigen Schichten zum Aufteilen in einzelne Nitrid-Leuchtvorrichtungen. Außerdem kann das Wachstumssubstrat, auf dem die epitaktische Nitrid-Struktur 320 aufgewachsen ist, entfernt werden. Eine obere Oberfläche der epitaktischen Nitrid-Struktur 320 ist eine Oberfläche, von der Licht emittiert wird, und ein topografisches Bild kann umgedreht werden durch Verwenden einer konkav-konvexen Struktur auf dem Wachstumssubstrat, um eine Lichtauskopplungseffizienz weiter zu erhöhen.
Die p-leitende Elektrode 226 und eine n-leitende Kontaktelektrode 327 können auf ein Verdrahtungssubstrat 310 gebondet werden durch ein Wafer-Bonding durch Verwenden einer Bonding-Metallschicht 330, die aus einem Material wie z. B. Au-Au oder AuSn ausgebildet ist, und somit können die p-leitende Elektrode 226 und eine n-leitende Kontaktelektrode 327 elektrisch miteinander verbunden werden. In dieser Hinsicht kann das Verdrahtungssubstrat 310 zum Erzielen einer elektrischen Isolierung eine Struktur besitzen, bei der eine Verdrahtungsschaltung auf einem isolierenden Substrat ausgebildet ist, das aus einem Material wie z. B. Si oder AlN ausgebildet ist. Um eine Verdrahtungsstruktur zu bilden ist die p-leitende Elektrode 226 auf einer unteren Oberfläche wie in 10 gezeigt ausgebildet, ist die n-leitende Elektrode 327 in einem Teil der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht 221 ausgebildet und können die p-leitende Elektrode 226 und die n-leitende Elektrode 327 elektrisch voneinander durch eine Isolierschicht 328 isoliert sein.
Ein Abschnitt der Isolierschicht 328, der die Verdrahtungsschicht 310 berührt, ist zum Freilegen der p-leitenden Elektrode 226 und der n-leitenden Elektrode 327 entfernt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform können die epitaktischen Nitrid-Strukturen 322 die n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht 221 gemeinsam enthalten, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die n-leitende Nitrid-Halbleiterschicht 221 kann in jeder der einzelnen Leuchtvorrichtungen ausgebildet sein, die parallel zueinander angeordnet sind.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die beispielhaften Ausführungsformen, die hier beschrieben wurden, nur in einem beschreibenden Sinn berücksichtigt werden sollen und nicht zum Zwecke der Beschränkung. Beschreibungen von Merkmalen oder Aspekten innerhalb jeder Ausführungsform sollten typischerweise berücksichtigt werden als verfügbar für ähnliche Merkmale oder Aspekte bei anderen Ausführungsformen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2011-0068962 [0001]

Claims

Nitrid-Leuchtvorrichtung mit: einer n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht (120; 221); einer p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150; 223, 224); und einer zwischen der n-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht (120; 221) und der p-leitenden Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150; 223, 224) angeordneten aktiven Schicht (130; 222), wobei die p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150; 223, 224) enthält: eine Heterostruktur (160; 225) mit einer GaN-Schicht (161; 225a) und einer n-leitenden Al_xIn_yGaN-Schicht (165; 225b), die mit einem n-Dotierstoff dotiert ist, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y = 1; und einer Zweidimensionales-Elektronengas-Schicht (2DEG-Schicht) (163; 225c), die an einer Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht (161; 225a) und der n-leitenden Al_xIn_yGaN-Schicht (165; 225b) angeordnet ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die p-leitende Nitrid-Halbleiterschicht (140, 150; 223, 224) eine an der aktiven Schicht (130; 222) ausgebildete p-leitende Mantelschicht (140; 223) und eine an der p-leitenden Mantelschicht (140; 223) ausgebildete p-leitende Kontaktschicht (150; 224) umfasst, und wobei die Heterostruktur (160; 225) innerhalb der p-leitenden Kontaktschicht (150; 224) oder der p-leitenden Mantelschicht (140; 223) ausgebildet ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die p-leitende Kontaktschicht (150; 224) eine an einer oberen Seite der Heterostruktur (160; 225) angeordnete erste p-leitende Kontaktschicht (155; 224a) und eine an einer unteren Seite der Heterostruktur (160; 225) angeordnete zweite p-leitende Kontaktschicht (151; 224b) umfasst, und die erste p-leitende Kontaktschicht (155; 224a) und die zweite p-leitende Kontaktschicht (151; 224b) die gleiche Zusammensetzung besitzen.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die p-leitende Kontaktschicht (150; 224) aus p⁺-GaN ausgebildet ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die GaN-Schicht an der aktiven Schicht mit der Heterostruktur ausgebildet ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die GaN-Schicht (161; 225a) eine undotierte Schicht ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die GaN-Schicht (161; 225a) eine Dicke von etwa 5 nm bis 50 nm besitzt.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der n-Dotierstoff der n-leitenden Al_xIn_yGaN-Schicht (165; 225b) Si ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die n-leitende Al_xIn_yGaN-Schicht (165; 225b) aus AlGaN mit einem Al-Gehalt von etwa 15 bis etwa 45% ausgebildet ist.
Nitrid-Leuchtvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die n-leitende Al_xIn_yGaN-Schicht (165; 225b) eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 50 nm besitzt.