DE10205558B4

DE10205558B4 - Lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement mit Migrationsbarriere für Material der Elektroden und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10205558B4
Application number: DE2002105558
Authority: DE
Inventors: Daniel A. Cupertino Steigerwald; Michael J. San Jose Ludowise; Steven A. San Jose Maranowski; Serge L. Sunnyvale Rudaz; Jerome C. San Jose Bhat
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: DE10205558A1

Abstract

Lichtemittierendes Bauelement, das folgende Merkmale aufweist:
eine Halbleiterstruktur, die eine Mehrzahl von Halbleiterschichten (120, 140) aufweist und eine aktive Region (130; 130A) innerhalb der Schichten umfaßt;
erste und zweite leitfähige Metallelektroden (155, 160), die jeweils unterschiedliche Halbleiterschichten (120, 140) der Struktur kontaktieren; und
eine Migrationsbarriere (190) zum Verhindern einer Migration von Metall von mindestens einer der Elektroden (155, 160) auf die Oberfläche der Halbleiterschicht (140), mit der die mindestens eine Elektrode (160) in Kontakt ist,
wobei die Migrationsbarriere einen Anschluß aufweist, um dieselbe mit einem positiven Potential hinsichtlich dem Potential der mindestens einen Elektrode (160) zu beaufschlagen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Halbleiterstrukturen und Verfahren zum Herstellen derselben und insbesondere auf Bauelemente und Verfahren, die III-V Nitridhalbleiter verwenden und auf das Verbessern der Operation derselben.

Lichtemittierende Halbleiter, die in mehreren Regionen des sichtbaren Spektrums emittieren, z.B. Halbleiter der Gruppe III-V, wie z.B. Aluminium-Gallium-Arsenid und Galliumphosphid haben für verschiedene Anwendungen eine industrielle Akzeptanz erreicht. Für Anwendungen jedoch, die blaues oder grünes Licht erfordern, z.B. Grün, um für Ampeln verwendet zu werden, oder Blau, für eine Komponente einer Rot-Grün-Blau-Primärfarbenkombination, um für weiße Beleuchtung verwendet zu werden, wurde nach effizienten Halbleiter-Lichtemittieren für kürzere, sichtbare Wellenlängen geforscht. Wenn solche lichtemittierenden Halbleiterquellen zu annehmbaren Preisen verfügbar wären, könnten viele Beleuchtungsanwendungen von der Zuverlässigkeit und dem geringen Energieverbrauch profitieren, die den Halbleiterbetrieb charakterisieren. Bauelemente mit kurzer Wellenlänge versprechen ferner das Liefern erhöhter Speicherkapazität auf Speichermedien aufgrund der Fähigkeit, geringere Punktgrößen zum Schreiben und Lesen auf dem Medium zu erhalten.

Blaues Licht emittierende Dioden, die Siliziumkarbid verwenden, wurden während der frühen 90er Jahre entwickelt, wiesen jedoch eine Leuchtdichte mit indirektem Bandabstand auf, die die Praktizierbarkeit der Bauelemente limitierte. Zinkselenid, ein Material der Gruppe II-VI, produziert ebenfalls eine Emission von blauem Licht. Es wurde ferner herausgefunden, dass Siliziumkarbidbauelemente sowie blaues Licht emittierende Zinkseleniddioden eine relativ geringe Lebensdauer aufweisen, was die Nützlichkeit derselben begrenzt.

Ein Typ von kurzwelligen lichtemittierenden Bauelementen, der einen direkten Energiebandabstand aufweist und äußerst vielversprechend war, basiert auf Nitridhalbleitern der Gruppe III-V, die unter anderem Substanzen wie z.B. GaN, AlN, InN, AlInN, GaInN, AlGaN, AlInGaN, BAlN, BInN, BGaN und BAlGaInN umfassen. Ein Beispiel eines lichtemittierenden Bauelements dieses Typs ist in der europäischen Patentveröffentlichung EP 0 926 744 A2 ausgeführt, die ein lichtemittierendes Bauelement offenbart, das eine aktive Region zwischen einer n-Typ-Schicht eines III-V-Nitridhalbleiters und einer p-Typ-Schicht eines III-V-Nitridhalbleiters aufweist. Ein elektrisches Potential, das über die n- und p-Schichten der Diodenstruktur angelegt wird, verursacht die Erzeugung von Photonen in der aktiven Region durch Rekombination von Löchern und Elektronen. Der Gesamtwirkungsgrad der Struktur der lichtemittierenden Diode (LED = light emitting diode) wird durch die optische Leistung definiert, die durch das Bauelement pro Einheit elektrischer Leistung emittiert wird. Um die Effizienz zu maximieren, werden sowohl das Licht, das pro Watt einer Treiberleistung erzeugt wird, als auch die Menge von Licht, die aus der LED in eine Nutzrichtung austritt, berücksichtigt.

Wie in der angesprochenen EP 0 926 744 A2 erwähnt ist, wurde bei bekannten Lösungsansätzen beträchtliche Mühe aufgewendet, um das Licht zu maximieren, das von der aktiven Region erzeugt wird. Der Widerstand der p-Typ-III-V-Nitridhalbleiterschicht ist viel höher als der Widerstand der n-Typ-III-V-Nitridhalbleiterschicht. Der p-Elektroden-Übergang mit der p-Typ-Schicht ist an sich viel widerstandsbehafteter als der n-Elektroden-Übergang mit der n-Typ-Schicht. Um den Spannungsabfall über den p-Elektroden-Übergang mit der p-Typ-Schicht zu verringern, wird die p-Elektrode im allgemeinen viel größer hergestellt als die n- Elektrode. Obwohl diese Größensteigerung der p-Elektrode die Menge von Licht erhöhen kann, die von der aktiven Region verfügbar ist, kann sie jedoch den Bruchteil von Licht verringern, der aus dem Bauelement austritt, da ein Großteil des Lichtes durch die p-Elektrode dringen muss. Dementsprechend wurden Versuche unternommen, um die Transmission der p-Elektrode zu maximieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der EP 0 926 744 A2 , auf die oben verwiesen wurde, kann die p-Elektrode eine Silberschicht sein, die ausreichend dünn ist, um transparent zu sein. Es wird darauf hingewiesen, dass Silber vorteilhafterweise einen ohmschen Kontakt zu den p-Typ-III-V-Nitridhalbleiterschichten bildet. Eine Metallverbindungsanschlussfläche wird auf die Silberelektrode aufgebracht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das in der EP 0 926 744 A2 offenbart ist, ist die Silberschicht dick genug, um den Großteil des Lichtes zu reflektieren, das auf dieselbe einfällt, und das Licht tritt über das Substrat aus. Eine Fixierungsschicht, wie z.B. eine Schicht aus einem anderen Metall, das Nickel sein kann, kann über und auf die Seiten der Silberschicht aufgebracht sein, und verhindert die Diffusion von dem Metall (z.B. Gold) der Kontaktverbindungsanschlussfläche in die Silberschicht. Die Diffusionsbarriereschicht soll ferner die Stabilität der darunterliegenden Silberschicht verbessern und soll die mechanischen und elektrischen Charakteristika der Silberschicht verbessern. Als ein Ergebnis wird angegeben, dass die Substrattemperatur während des Dampfabscheidungsschrittes, bei dem die Silberschicht gebildet wird, gesenkt werden kann, und die Dampfabscheidungsgeschwindigkeit kann gesteigert werden.

Die Verwendung von Silber für mindestens die p-Elektrode in einer III-V-Nitrid-LED hat Vorteile, leidet jedoch ferner unter gewissen Nachteilen und Einschränkungen. Es hat sich z.B. herausgestellt, dass die Betriebslebensdauer solcher Bauelemente inakzeptabel kurz ist, bevor eine wesentliche Verschlechterung des Verhaltens auftritt. Es gehört zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteilen und Einschränkungen bei bestehenden III-V-Nitrid-LEDs zu begegnen.

Die EP 0 926 744 A2 offenbart eine Lichtemissionsvorrichtung mit einer n-Halbleiterschicht und einer aktiven Schicht zum Erzeugen von Licht, wobei die aktive Schicht mit der n-Halbleiterschicht elektrisch verbunden ist. Mit der aktiven Schicht ist ferner eine p-Halbleiterschicht elektrisch verbundeben, wobei die p-Halbleiterschicht über eine p-Elektrode kontaktierbar ist. Die p-Elektrode umfasst eine Silberschicht, die transparent ist. Über der Silberschicht ist eine Fixierungsschicht angeordnet, die ein Dielektrikum oder ein Leiter sein kann. Ist die Fixierungsschicht als ein Leiter ausgeführt, so besteht sie aus Nickel, Palladium oder Platin.

Die US 2001/0045561 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, das eine Gallium-Nitrid-Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und eine Gallium-Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps umfasst. Die beiden Halbleiterschichten sind auf einem Substrat gestapelt angeordnet. Auf einer Hauptregion auf einer Hauptoberfläche der Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps ist eine Elektrode aus Palladium gebildet. Darüber hinaus ist auf der oberen Oberfläche und auf den Seitenoberflächen der Elektrode sowie auf der Oberfläche der Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps eine leitende Abschirmungsschicht angeordnet.

Die JP 2002-9338 A offenbart ein Halbleiterelement mit einer n-Nitrid-Halbleiterschicht, die auf einem Substrat angeordnet ist, einer negativen Elektrode und einer p-Nitrid-Halbleiterschicht. Die negative Elektrode und die p-Nitrid-Halbleiterschicht sind voneinander entfernt gemeinsam auf der n-Nitrid-Halbleiterschicht angeordnet. Eine erste positive Elektrode ist auf der p-Nitrid-Halbleiterschicht angeordnet, und eine zweite positive Elektrode ist auf der ers ten positiven Elektrode zum Anschluss angeordnet. Darüber hinaus umfasst das Halbleiterelement eine erste und eine zweite isolierende Schicht.

Die nachveröffentlichte EP 1 256 987 A2 beschreibt eine Halbleiter-LED mit einem Silber p-Kontakt, auf dem eine dünne Diffusionsbarriere aus TiW, TiWN oder einem anderen geeigneten Material aufgebracht ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, lichtemittierende Bauelemente und Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bauelements mit erhöhter Lebensdauer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

In dem U.S.-Patent 6,291,839 B1 mit dem Titel „Light Emitting Device Having A Finely-Patterned Reflective Contact", wird darauf hingewiesen, dass das intern reflektierte Licht bei AlInGaN-LEDs insbesondere anfällig für Absorption durch den p-Schicht-Kontakt ist. Dieser Kontakt muss den gesamten emittierenden Bereich des pn-Übergangs im wesentlichen abdecken, da der Strom sich in den Halbleiterschichten nicht seitlich ausbreiten kann. Da die Leitfähigkeit der p-Typ-Epitaxialschicht extrem gering ist, ist der Strom direkt unter dem Kontaktmetall oder innerhalb von ungefähr einem μm der Kontaktkante begrenzt. Bei Bauelementen, die in dem U.S.-Patent 6,291,839 B1 offenbart sind, weist der p-Kontakt (d.h. die Elektrode, die mit der p-Typ-Schicht des III-V-Nitridhalbleiters gekoppelt ist) eine Metallschicht oder mehrere Metallschichten auf, die ein Muster von kleinen Öffnungen aufweisen. Das Metall oder die Metalle, das oder die verwendet werden, werden vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Silber, Aluminium und Rhodium und Legierungen derselben besteht. Eine dargestellte Elekt rode oder ein dargestellter Kontakt ist ein perforiertes Silbergitternetz, das durch Ätzen eines Musters von Löchern in eine Silberschicht erhalten wird. Ein optionales, dielektrisches Einkapselungsmaterial, das vorzugsweise einen Brechungsindex von größer als 1,5 aufweist, wie z.B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Titaniumoxid kann über den p-Kontakt aufgebracht werden. Das Einkapselungsmaterial ermöglicht es dem Licht, innen über und nicht unter dem Silberspiegel reflektiert zu werden, was die Chance desselben erhöht, ohne Dämpfung auszutreten. Zusätzlich verbessert das Einkapselungsmaterial die Haftung des Silberfilms an der LED-Oberfläche durch Anheften des Metalls an den offenen Räumen über der Oberfläche. Das Dielektrikum schützt ferner die Metallschicht vor Kratzern, die während der Herstellung auftreten können, und schützt dieselbe vor Umweltschädigung, wie z.B. Oxidation oder Anlaufen. Üblicherweise wurden in der Technik LEDs entworfen, bei denen, wenn lichtundurchlässige Kontakte (oder Kontaktanschlussflächen) verwendet wurden, die Kontakte so klein wie möglich waren, um eine Verdunkelung der Oberfläche der LED zu minimieren. Bei der Erfindung in dem U.S.-Patent 6,291,839 B1 kann die fein gemusterte Elektrode die gesamte Oberfläche abdecken, oder so viel derselben wie gewünscht ist, und kann ferner so dick wie nötig hergestellt werden, wobei beide dieser Charakteristika zum Minimieren des Kontaktwiderstandes dienen. Wie ferner in dem U.S.-Patent 6,291,839 B1 erklärt wird, kann das Licht durch die kleinen Öffnungen in der Silberelektrode austreten, entweder direkt oder nach einer oder mehreren Reflexionen. Die Verwendung der kleinen Öffnungen wird gegenwärtig nicht notwendigerweise bevorzugt.

Die Anmelder haben erkannt, dass die Silberelektrodenmetallisierung einer elektrochemischen Migration bei Vorhandensein von Feuchtigkeit und einem elektrischen Feld unterliegt, so wie z. B. dem Feld, das als ein Ergebnis des Anlegens einer Betriebsspannung an den Kontakten des Bauelements entwickelt wurde. Die elektrochemische Migration der Silbermetallisierung zu dem pn-Übergang des Bauelements führt zu einem alternativen Nebenschlusspfad über den Übergang, der die Effizienz des Bauelements verschlechtert.

Gemäß einer Form der Erfindung ist ein lichtemittierendes Bauelement definiert, das eine Halbleiterstruktur aufweist, die eine Mehrzahl von Halbleiterschichten aufweist und eine aktive Region innerhalb der Schichten umfasst. Eine erste und eine zweite leitfähige Metallelektrode kontaktieren jeweils unterschiedliche Halbleiterschichten der Struktur. Es ist eine Migrationsbarriere zum Verhindern einer Migration von Metall von mindestens einer der Elektroden auf die Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt, mit der mindestens eine Elektrode in Kontakt steht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein lichtemittierendes Bauelement definiert, das eine Halbleiterstruktur aufweist, die eine lichtemittierende, aktive Region zwischen einer n-Typ-Schicht eines III-V-Nitridhalbleiters und einer p-Typ-Schicht eines III-V Nitridhalbleiters umfasst. Eine p-Elektrode, die Silbermetall aufweist, ist auf die p-Typ-Schicht aufgebracht, und eine n-Elektrode ist mit der n-Typ-Schicht gekoppelt. Es sind Einrichtungen bereitgestellt, durch die elektrische Signale über die Elektroden angelegt werden können, um eine Lichtemission von der aktiven Region zu verursachen, und es ist eine Migrationsbarriere zum Verhindern einer elektrochemischen Migration von Silbermetall von der p-Elektrode zu der aktiven Region bereitgestellt.

Bei den offenbarten Ausführungsbeispielen weist die Migrationsbarriere einen Schutzring um den Umfang der p-Elektrode oder eine Schutzschicht auf, die die p-Elektrode abdeckt. Der Schutzring oder die Schutzschicht weisen ein leitfähiges Material auf, wie z. B. ein leitfähiges Metall oder einen Halbleiter, der für elektrochemische Migration unter den entsprechenden Bedingungen nicht anfällig ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittansicht eines Bauelements des Typs, der in dem U.S.-Patent 6,291,839 B1 ausgeführt ist, und bei dem Verbesserungen gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung implementiert werden können.
2 eine Draufsicht, teilweise in Planform, des Bauelements von 1.
3 einen vereinfachten Querschnitt des Bauelements von 1 und 2.
4 eine andere, vereinfachte Querschnittansicht, die beim Verstehen eines Problems elektrochemischer Migration nützlich ist, die durch die Erfindung reduziert oder beseitigt wird.
5 und 6 Photographien einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme (SEM = Scanning Electron Microscope) von einer Kante des Bauelements von 1 und 2 vor der Belastungsprüfung, die die Gitternetzmetallisierung und den Übergang zeigen, wobei ersichtlich ist, dass das Silbermetall nicht zu dem pn-Übergang migriert ist.
7 und 8 SEM-Photographien einer Ecke des Bauelements von 1 und 2 nach der Belastung der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung, die die Migration von Silber zu dem pn-Übergang zeigen.
9 ein Graph der Lichtausgabe über einem Durchlassstrom für ein Bauelement vor und nach einer Belastung, der die Verschlechterung der Lichtausgabe für das Bauelement darstellt, das unter einer elektrochemischen Migration von Silber zu dem pn-Übergang aufgrund der Belastung der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung litt.
10 einen Graph von Strom über Spannung für ein Bauelement vor und nach dem Belasten, der den Einbruch der I-V-Kurve für das Bauelement nach der Belastung des Prüfens darstellt.
11 eine Draufsicht, teilweise in Planform, eines Bauelements, die eine Verbesserung gemäß dem Stand der Technik umfasst.
12 eine vereinfachte Querschnittansicht des Bauelements von 11.
13 ein vereinfachter Querschnitt des Bauelements von 11 oder 12, der bei dem Verständnis nützlich ist, wie die Verbesserung gemäß dem Stand der Technik wirkt, um eine elektrochemische Migration von Silbermetall zu reduzieren oder zu beseitigen.
14 eine andere, vereinfachte Querschnittansicht eines Bauelements mit einer Gitterelektrode, die zeigt, wie ein Schutzring gemäß einem Beispiel nach dem Stand der Technik verwendet werden kann.
15 ein anderes Beispiel nach dem Stand der Technik, das eine Schutzschicht verwendet.
16 eine vereinfachte Querschnittansicht eines Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
17 eine vereinfachte Querschnittansicht eines Abschnitts eines Bauelements gemäß einem wiederum weiteren Beispiel nach dem Stand der Technik.
1 stellt eine lichtemittierende III-V-Nitridhalbleiterdiode (LED) 110 eines Typs dar, bei dem die Verbesserung der Erfindung implementiert werden kann. Das Bauelement umfasst eine untere Reflexionsschicht 112, ein Substrat 115, das z.B. ein Saphirsubstrat sein kann, eine n-Typ-Schicht 120 eines III-V-Nitridhalbleiters, z.B. n-Typ-GaN, und eine p-Typ-Schicht 140 eines III-V-Nitridhalbleiters, z.B. p-Typ-GaN. Die aktive Region 130 kann selbst ein pn-Übergang sein oder, was üblicher ist, ein einzelner Quantentopf oder mehrere Quantentöpfe aus III-V-Nitrid zwischen Barriereschichten eines anderen III-V-Nitrids, z.B. unter Verwendung von InGaN und AlGaN. (Es wird darauf hingewiesen, dass jegliche geeigneten III-V-Nitridhalbleiter für jegliche der Halbleiterschichten des Bauelements verwendet werden können, und dass geeignete, zusätzliche Halbleiterschichten in dem Bauelement verwendet werden können.) Eine leitfähige Metallelektrode 150 (die n-Elektrode) ist auf die n-Typ-Schicht 120 aufgebracht und eine leitfähige Metallelektrode 160 (die p-Elektrode) ist auf die p-Typ-Schicht 140 aufgebracht. Wie oben zuerst bemerkt wurde, weist die p-Elektrode herkömmlicherweise eine viel größere Fläche auf als die n-Elektrode. Wie in dem oben genannten U.S.-Patent 6,291,839 B1 beschrieben ist, können die p-Elektrode 160 und der Reflektor 112 Silber aufweisen, das vorteilhafte, elektrisch leitfähige und lichtreflektierende Eigenschaften aufweist und einen ohmschen Kontakt mit der p-Typ-Schicht 140 bilden kann. Die Silberelektrode 160 kann ein Silbergitter mit einem Muster von Öffnungen aufweisen, wie in dem oben genannten U.S.-Patent 6,291,839 B1 beschrieben ist. Die fein gemusterte Elektrode kann die gesamte Oberfläche der p-Schicht abdecken, oder so viel von derselben wie gewünscht, und kann so dick wie nötig hergestellt werden (beide dieser Charakteristika dienen zum Minimieren des Kontaktwiderstandes), und Licht kann durch die Öffnungen in der p-Elektrode austreten, entweder direkt oder nach einer oder mehreren Reflexionen. Eine Kontaktanschlussfläche 161 ist auf die p- Elektrode 160 aufgebracht. Anschlussleitungen 116 und 117 sind jeweils an die Elektrode (oder den Kontakt) 150 und die Kontaktanschlussfläche 161 angebracht, und geeignete elektrische Potentiale können über die Anschlussleitungen angelegt werden.
2 zeigt eine Draufsicht eines Bauelements des allgemeinen Typs, der in 1 gezeigt ist, und 3 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Teils des Bauelements von 2. In 2 und 3 ist die Silbergitter-p-Elektrode wie oben mit 160 bezeichnet, die p-Kontaktanschlussfläche ist mit 161 bezeichnet (2) und die n-Elektrode ist mit 150 bezeichnet. In 3 ist die p-Typ-Schicht wiederum mit 140 bezeichnet, die n-Typ-Schicht ist wieder mit 120 bezeichnet und der pn-Übergang (wo Schichten der aktiven Region, die in diesem vereinfachten Diagramm nicht gezeigt ist, positioniert sein können) ist mit 130A bezeichnet.
Die Anmelder haben erkannt, dass die Silberelektrodenmetallisierung einer elektrochemischen Migration bei Vorhandensein von Feuchtigkeit und eines elektrischen Feldes unterliegt, wobei das Feld ein Ergebnis des Anlegens einer Betriebsspannung an die Kontakte des Bauelements ist. Die elektrochemische Migration der Silbermetallisierung zu dem pn-Übergang des Bauelements führt zu einem alternativen Nebenschlusspfad über den Übergang, der die Effizienz des Bauelements verschlechtert.
4 stellt den Typ des Spannungsgefälles dar, der benachbart zu einer exemplarischen Silberelektrode 160 auftritt und eine Migration von Silber zu dem pn-Übergang verursacht. Es sei z. B. angenommen, dass der n-Kontakt 150 zu einer exemplarischen n-Typ-Schicht 120 (in diesem Beispiel n-Typ-GaN) auf Massespannung ist, und dass eine exemplarische p-Elektroden-Schicht 160 (in diesem Fall Silber) auf einem Potential von +V ist. Die Äquipotentialflächen (in dem Querschnitt von 4 als Linien ersichtlich) in der exemplarischen p-Typ-Schicht 140 (p-Typ-GaN, das üblicherweise einen viel höheren Widerstand aufweist als n-Typ-GaN) sind in der Figur derart dargestellt, dass sie auf den Potentialen V₁, V₂, V₃, .... sind, wobei
V > V₁ > V₂ > V₃ ...
Dementsprechend migrieren die gelösten Silberkationen unter dem Einfluss dieses Spannungsgefälles entlang der Oberfläche der Schicht 140 und zu dem pn-Übergang (an dem sich die exemplarische aktive Region 130 bei diesem Beispiel befindet), wo dieselben einen Nebenschlusspfad liefern können, der den Betrieb des Bauelements verschlechtert.
Der Verlust von Effizienz, der durch die Metallmigration verursacht wird, wird in den 5 bis 10 demonstriert. 5 und 6 sind SEM-Photographien eines Bauelements des Typs, der in 2 schematisch dargestellt ist, vor der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung. 5 zeigt von oben nach unten die Silbermaschenelektrode, die p-Typ-Schicht, den pn-Übergang (gekrümmte, dicke weiße Linie) und die n-Typ-Schicht mit einer 500-fachen Vergrößerung. 6 ist eine ähnliche SEM-Photographie mit einer größeren Vergrößerung (× 2000). Bei diesen Photographien ist keine Migration von Silber zu dem pn-Übergang sichtbar. 7 und 8 sind SEM-Photographien (bei Vergrößerungen von × 2.500 bzw. × 16.000) eines ähnlichen Bauelements einer lichtemittierenden Diode nach der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung unter Bedingungen von 85°C, 85% relativer Feuchte bei 200 mA Gleichstrom. Die Silbermigration wurde durch EDX (energiedispersive Röntenspektroskopie) bestätigt, die Silbertröpfchen (helle Flecken) zeigt, die sich an dem pn-Übergang bilden. 9 ist ein Graph der Lichtausgabe (L) als eine Funktion des Durchlassstroms (I) für die Bauelemente von 5, 6 (vor der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung – quadratische Punkte in dem Graphen von 9) und 7, 8 (nach der beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfung – kreisförmige Punkte in dem Graphen von 9).
Der wesentliche Verlust einer messbaren Lichtausgabe für das Bauelement, das eine elektrochemische Migration (nach der angezeigten Belastungsprüfung) aufweist, zeigt einen Nebenschluss des pn-Übergangs an. 10 zeigt Durchlassvorspannungs-I-V-Kurven (unter Verwendung derselben Graphenpunktsymbole für die jeweiligen Bauelementzustände; d. h. quadratische Punkte für vor der Belastung der Zuverlässigkeitsprüfung und kreisförmige Punkte für nach der Belastung der Prüfung), die den Einbruch der I-V-Kurve des belasteten Bauelements demonstriert, was einen anderen Leitpfad anzeigt, der den pn-Übergang nebenschließt.
11 und 12 stellen ein Beispiel nach dem Stand der Technik dar, das eine Migrationsbarriere verwendet, um eine Migration des Elektrodenmetalls (bei diesem Ausführungsbeispiel Silber) zu dem pn-Übergang zu verhindern. Bei dem Beispiel der 11 und 12, in denen gleiche Bezugszeichen Elemente darstellen, die jenen von 2 bzw. 3 entsprechen, ist die Migrationsbarriere ein Schutzring 170, der um den Umfang der p-Elektrode 160 gebildet ist. Der Schutzring ist vorzugsweise ein Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. ein leitfähiges Metall. Wie aus den 11 und 12 ersichtlich ist, umgibt der Schutzring 170 vorzugsweise den gesamten Umfang der Elektrode.
13 stellt dar, wie die Migrationsbarriere der hierin offenbarten Beispiele in der Form eines leitfähigen Schutzrings und/oder einer Schutzschicht wirkt, um die schädliche Migration von Metall entlang der Oberfläche der p-Typ-Schicht 140 und zu der aktiven Region an dem pn-Übergang zu verhindern. Wie in 13 gezeigt ist, ist mindestens die Kante der Silber-p-Elektrode 160, entlang der Linie wo deren Umfang die p-Schicht 140 kontaktiert, von dem Schutzring 170 umgeben. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die p-Elektrode in diesem Beispiel (wie in dem Beispiel von 4) wiederum auf einem Potential +V, so dass der leitfähige Metallschutzring ebenfalls auf einem Potential +V ist. Die Äquipotentialflächen (Linien in der Querschnittsfigur) sind wiederum derart gezeigt, dass sie auf den Potentialen V₁, V₂, V₃ .... sind, wobei
V > V₁ > V₂ > V₃ ...
In diesem Fall ist die Oberfläche der p-Typ-Schicht 160 um den Umfang der Silberelektrode 160 (und unter dem Schutzring 170) im wesentlichen auf dem Potential +V, und es ist wenig, falls überhaupt, Spannungsgefälle an der Kante der Silberelektrode 160 vorhanden, das verursachen könnte, dass Silber entlang der Oberfläche der p-Schicht und zum dem pn-Übergang des Bauelements migriert.
Im allgemeinen kann jedes hochleitfähige Material als ein Schutzring oder eine Schutzschicht (wird nachfolgend beschrieben) verwendet werden. Zum Beispiel können die Metalle Ni, Ti, W, Al, Cr, Cu, Au, Rh, Re, Ru, oder Kombinationen der Legierungen derselben verwendet werden. Zusätzlich können gewisse stabile leitfähige und Halbleiter-Verbindungen verwendet werden, z. B. die Metallsilizide, Metallnitride oder hochdotierte Halbleiter. Im allgemeinen sind die erforderlichen Eigenschaften folgende: (1) Haftung an dem Silber und dem p-Typ-III-V-Nitridhalbleiter; (2) ausreichende Leitfähigkeit, um das elektrische Feld an der Silbergrenze aufzuheben; (3) ein kompatibles Abscheidungsverfahren; (4) ein kompatibles Verfahren zum Mustern des Materials; (5) Abwesenheit einer elektrochemischen Migration für das ausgewählte Material bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes in einer feuchten Umgebung; und (6) Löslichkeit und Reaktivität mit Silber. Es wird darauf hingewiesen, dass die aufgelisteten Materialien exemplarisch sind, und dass andere geeignete Materialen verwendet werden können.
14 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht durch einen Abschnitt, der durch die Pfeile 14-14 von 11 de finiert ist, und umfasst eine Darstellung eines Musters von Öffnungen 167 in der p-Elektrode, wie in dem oben genannten U.S.-Patent 6,291,839 B1 beschrieben ist. Es ist gezeigt, dass der Metallschutzring 170 derart konfiguriert ist, dass die Durchlässigkeit durch die Öffnungen der Elektrode unbeeinflusst ist.
15 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Migrationsbarriere eine leitende Schutzschicht 175 ist. Dieser Typ von Konfiguration kann bei Anwendungen vorteilhaft verwendet werden, bei denen die p-Elektrode undurchsichtig ist, und an dem pn-Übergang erzeugtes Licht auf andere Weise(n) im Vergleich zu dem vorherbeschriebenen Bauelement extrahiert wird, wie z. B. in sogenannten Flip-Chip- oder vertikalen LED-Strukturtypen. Die Schutzschicht könnte ferner in Verbindung mit einer transparenten oder teilweise lichtdurchlässigen p-Elektrode durch Bereitstellen einer optisch lichtdurchlässigen, leitfähigen Schutzschicht unter Verwendung von z. B. Indiumzinnoxid verwendet werden.
Andere Bauelementgeometrien können die geschilderten Prinzipien verwenden. Vorzugsweise sollte der Schutzring- oder Schutzschicht-Leiter das Silber völlig umgeben, derart, dass kein elektrischer Oberflächenweg von dem pn-Übergang zu dem Silber vorhanden ist, das nicht durch den Schutzleiter eingeschlossen ist. Anders ausgedrückt sollten vorzugsweise alle Kanten des Silbers durch den Schutzleiter abgedeckt sein. Eine Schutzschicht sollte vorzugsweise die Gesamtheit des darunterliegenden Silbers abdecken, um eine physische Barriere für Ätzmittel und andere Substanzen zu bilden, um sie vor einem Eindringen und einem nachfolgenden Reagieren mit der Silberschicht während des Betriebslebens der Struktur zu hindern. In dem Fall, in dem das p-Metall lichtundurchlässig sein soll, ist die komplette Einkapselung des Silbers durch den Schutzleiter am einfachsten und am effektivsten (z. B. 15), obwohl auch die Schutzringgeometrie angemessen wirken kann. In dem Fall, dass das p-Metall hergestellt ist, um zu einem gewissen Ausmaß op tisch lichtdurchlässig zu sein, dann wird die Schutzringgeometrie bevorzugt, außer der Schutzleiter ist bei den interessierenden Wellenlängen optisch transparent. Wie oben angemerkt wurde, kann eine transparente Schutzschicht (z. B. Indiumzinnoxid) verwendet werden.
Die Schutzschicht kann zusätzliche Schichten oder Materialien enthalten, die die elektrischen Verbindungen oder die Bauelementfabrikation auf andere Arten verbessern. Eine Materialschicht z. B., die mit ionischen Silberspezies reaktionsfähig ist, kann umfasst sein. Diese Reaktion würde aus den ionischen Spezies eine unlösliche, stationäre Silberspezies bilden. Andere Absichten zum Aufnehmen zusätzlicher Schichten können sein, die Verbindung zu den Leitern zu verbessern, ein Löten an andere Substrate oder Chipbefestigungsschemata oder eine Verbindung angrenzender Bauelemente.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Migrationsbarriere auf einem Potential gehalten wird, das dazu neigt, Ionen zurück zu der p-Elektrode abzustoßen, von der sie andernfalls tendenziell migrieren würden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine n-Typ-Schicht 120 (z. B. n-Typ-GaN), eine p-Typ-Schicht 140 (z. B. p-Typ-GaN) und eine aktive Region 130 zwischen denselben. Die Silber-p-Elektrode ist mit 160 bezeichnet und die n-Elektrode ist mit 155 bezeichnet. Die Migrationsbarriere bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Schutzring 190, beabstandet von der p-Elektrode auf der p-Typ-Schicht 140. Bei diesem Beispiel ist die p-Elektrode auf einer Spannung von V₃, die n-Elektrode ist auf einer Spannung von V₁ und der Schutzring ist auf einer Spannung V₂, wobei V₂ > V₃ > V₁. Durch Halten der Spannung V₂ leicht über V₃ wird ein elektrisches Feld erzeugt, das dazu neigt, Silberionen die ansonsten dazu neigen würden, sich aufgrund der elektrochemischen Migration zu dem pn-Übergang zu bewegen zurück zu der p-Elektrode zu treiben.
Der Schutzring oder die Schutzschicht können ferner eine Struktur von mehreren Schichten leitfähiger Metalle und Halbleiter in Kombination miteinander und in einer möglichen Kombination mit dazwischenliegenden, dielektrischen Schichten aufweisen, die die Kontaktlöcher enthalten können, durch die eine elektrische Verbindung zwischen leitenden Schichten erreicht werden kann.
Die hierin offenbarte Schutzschicht kann ferner dem Zweck des Einkapselns und Schützens des Silbers dienen. Zusätzlich zu den oben bereits erwähnten Metallen werden im folgenden weitere Materialien erwähnt: Titaniumnitrid, Wolframnitrid und eine stickstoffhaltige Titanium-Wolfram-Legierung. Diese und andere geeignete Materialien können durch Techniken, wie z. B. Sputtern, Verdampfen oder chemische Dampfabscheidung aufgebracht werden. Die Anmelderin hat erkannt, dass die Abdeckung der Silberelektroden-„Stufe" durch Rissbildung, hervorgehobene Kristallgrenzen oder andere Materialdefekte gefährdet werden kann, besonders angrenzend an die obere Kante der Silberelektrode. Dieser Riss oder ein anderer Defekt kann einen Pfad liefern, und Feuchtigkeit kann in die Silberschicht eindringen und mit derselben reagieren. Das Beispiel von 17 begegnet dem Problem und löst dieses. Die Figur zeigt eine p-Typ-Schicht 140 (z. B. p-Typ-GaN) mit einer Silber-p-Elektrode 160 auf derselben. Ein Kantenschutz 1791 ist über die Kante der Elektrode aufgebracht, und die Schutzschicht (oder der Ring) 1792 deckt den Kantenschutz und mindestens einen Teil der Elektrode ab. Wenn sich nun ein Riss in der Stufe der äußeren Schutzschicht entwickelt, ist es nicht wahrscheinlich, dass dieser in den Kantenschutz eindringt. Der Kantenschutz muss so lange nicht leitfähig sein, wie eine elektrische Verbindung zu der abschließend aufgebrachten, leitfähigen Schutzschicht hergestellt werden kann. Ein Material, das über das definierte Silber derart aufgebracht ist, dass es die Kante des Silbers abdeckt ohne zu reißen, wird vorzugsweise ausgewählt. Dieser Kantenschutz ist ferner vorzugsweise ein Material, über das die abschließende Schutzschicht derart aufgebracht werden kann, dass eine gute Stufenüberdeckung der Schutzschicht über die Kanten des Kantenschutzes erreicht werden kann. Ein geeignetes Dielektrikum, wie z. B. Al₂O₃, kann für den Kantenschutz verwendet werden.
Während sich die dargestellten Beispiele z. B. mit den Auswirkungen an der p-Elektrode befassten, wird darauf hingewiesen, dass die Migrationsbarriere der vorliegenden Erfindung zum Schutz an der n-Elektrode gegen Auswirkungen einschließlich der elektrochemischen Migration negativer, ionischer Spezies verwendet werden kann.

Claims

Lichtemittierendes Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: eine Halbleiterstruktur, die eine Mehrzahl von Halbleiterschichten (120, 140) aufweist und eine aktive Region (130; 130A) innerhalb der Schichten umfaßt; erste und zweite leitfähige Metallelektroden (155, 160), die jeweils unterschiedliche Halbleiterschichten (120, 140) der Struktur kontaktieren; und eine Migrationsbarriere (190) zum Verhindern einer Migration von Metall von mindestens einer der Elektroden (155, 160) auf die Oberfläche der Halbleiterschicht (140), mit der die mindestens eine Elektrode (160) in Kontakt ist, wobei die Migrationsbarriere einen Anschluß aufweist, um dieselbe mit einem positiven Potential hinsichtlich dem Potential der mindestens einen Elektrode (160) zu beaufschlagen.
Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Elektrode (160) eine Silber enthaltende Elektrode aufweist.
Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bauelement ferner eine Einrichtung (116, 117) zum Anlegen elektrischer Signale über die erste und die zweite Elektrode (155, 160) umfaßt, und bei dem die Migrationsbarriere (190) wirksam ist, um eine elektrochemische Migration von Metall von der mindestens einen Elektrode (160) auf der Oberfläche der Halbleiterschicht (140) zu verhindern, mit der die Elektrode (160) in Kontakt ist.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Mehrzahl von Halbleiterschichten eine n-Typ-Schicht (120) eines III-V-Nitridhalbleiters und eine p-Typ-Schicht (140) eines III-V-Nitridhalbleiters umfaßt, und bei dem die mindestens eine Elektrode (160) auf die p-Typ-Schicht (140) aufgebracht ist.
Bauelement gemäß Anspruch 4, bei dem das Bauelement eine aktive, lichtemittierende Region (130; 130A) an dem pn-Übergang zwischen der p-Typ-Schicht (140) und der n-Typ-Schicht (120) umfaßt.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Migrationsbarriere einen Schutzring (190) um den Umfang der mindestens einen Elektrode (160) aufweist.
Bauelement gemäß Anspruch 6, bei dem der Schutzring (190) von der mindestens einen Elektrode (160) beabstandet ist.
Bauelement gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der Schutzring einen Abschnitt der Oberfläche der Halbleiterschicht (140) abdeckt, mit der die mindestens eine Elektrode (160) in Kontakt ist.
Bauelement gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der Schutzring einen im wesentlichen stufenförmigen Querschnitt aufweist und ferner die Kante der mindestens einen Elektrode (160) abdeckt.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Migrationsbarriere eine Schutzschicht aufweist, die die Oberfläche der mindestens einen Elektrode (160) abdeckt.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem der Schutzring (190) ein leitfähiges Material aufweist.
Bauelement gemäß Anspruch 11, bei dem das leitfähige Material ein leitfähiges Metall ist.
Bauelement gemäß Anspruch 12, bei dem das leitfähige Metall mindestens eines von Ni, Ti, W, Al, Cr, Cu, Au, Sn, Rh, Re, Ru aufweist.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Migrationsbarriere einen Kantenschutzabschnitt aufweist, der eine Kante der mindestens einen Elektrode (160) abdeckt, und eine leitfähige Schutzschicht, die den Kantenschutzabschnitt und mindestens einen Abschnitt der mindestens einen Elektrode (160) abdeckt.
Bauelement gemäß Anspruch 14, bei dem der Kantenschutzabschnitt ein dielektrisches Material aufweist.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, bei dem der Schutzring (190) einen im wesentlichen stufenförmigen Querschnitt aufweist und ferner die Kante der p-Elektrode (160) abdeckt.
Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Bauelements, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Halbleiterstruktur, die eine aktive, lichtemittierende Region (130; 130A) zwischen einer n-Typ-Schicht (120) eines III-V-Nitridhalbleiters und einer p-Typ-Schicht (140) eines III-V-Nitridhalbleiters umfaßt; Aufbringen einer p-Elektrode (160), die ein Silber enthaltendes Metall aufweist, auf die p-Typ-Schicht (140), und einer n-Elektrode (155) auf die n-Typ-Schicht (120); und Bereitstellen einer leitfähigen Migrationsbarriere (190) um die p-Elektrode (160), zum Verhindern einer Migration von Silberionen von der p-Elektrode (160) zu der aktiven Region (130; 130A), wobei die Migrationsbarriere einen Anschluß aufweist, um dieselbe mit einem positiven Potential hinsichtlich dem Potential der mindestens einen Elektrode (160) zu beaufschlagen.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem der Schritt des Bereitstellens einer leitfähigen Migrationsbarriere (190) das Bereitstellen eines Schutzrings um den Umfang der p-Elektrode (160) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem der Schritt des Bereitstellens einer leitfähigen Migrationsbarriere das Bereitstellen einer Schutzschicht aufweist, die die Oberfläche der p-Elektrode (160) abdeckt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem der Schritt des Bereitstellens eines Schutzrings (190) das Bereitstellen eines Schutzrings aufweist, der von der p-Elektrode (160) beabstandet ist.