DE10250445B4 - Licht emittierende Anordnungen mit separater Confinement-Indiumgalliumnitrid-Heterostruktur - Google Patents

Licht emittierende Anordnungen mit separater Confinement-Indiumgalliumnitrid-Heterostruktur Download PDF

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Abstract

Licht emittierende Anordnung (200) mit:
einem Substrat (202);
einer über dem Substrat (202) liegenden Schicht vom ersten Leitungstyp (204);
einer über der Schicht vom ersten Leitungstyp (204) liegenden unteren Confinement-Schicht (206), wobei die untere Confinement-Schicht (206) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15;
einer über der Schicht vom ersten Leitungstyp (204) liegenden Spacerschicht (207);
einem über der Spacerschicht (207) liegenden aktiven Gebiet (208), wobei das aktive Gebiet (208) umfasst:
eine Quantum-Well-Schicht (220) und
eine Indium umfassende Barriereschicht (222);
einer über dem aktiven Gebiet liegenden Abdeckschicht (210);
einer über der Abdeckschicht (210) liegenden oberen Confinement-Schicht (212), wobei die obere Confinement-Schicht (212) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15 und
einer über der Abdeckschicht (210) liegenden Schicht vom zweiten Leitungstyp (214);
wobei die Spacerschicht (207) und/oder die Abdeckschicht (210) Indium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest entweder die Abdeckschicht (210) oder die obere Confinement-Schicht (212) oder die untere Confinement-Schicht (206) oder die Spacerschicht (207) einen verlaufenden Anteil an Indium umfasst.

Description

  • Licht emittierende Halbleiteranordnungen (LEDs) gehören zu den wirksamsten derzeit verfügbaren Lichtquellen. Materialsysteme, die derzeit bei der Herstellung von LEDs mit großer Helligkeit, welche im sichtbaren Spektrum betrieben werden können, von Interesse sind, sind Halbleiter der Gruppe III–V, insbesondere binäre, ternäre und quaternäre Legierungen aus Gallium, Aluminium, Indium und Stickstoff, auch als III-Nitridmaterialien bezeichnet. Typischerweise werden III-Nitridschichten hergestellt, indem ein Stapel aus Halbleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Dotierstoffkonzentration auf einem Saphir-, Siliciumcarbid- oder III-Nitrid-Substrat mit Hilfe von metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD: metal-organic chemical vapor deposition), Molekularstrahlepitaxie (MBE: molecular beam epitaxy) oder anderen Epitaxietechniken epitaktisch aufgewachsen wird. Der Stapel enthält häufig eine oder mehrere über dem Substrat gebildete n-Schichten, die beispielsweise mit Si dotiert sind, ein über der n-Schicht oder den n-Schichten gebildetes Licht emittierendes oder aktives Gebiet und eine oder mehrere über dem aktiven Gebiet gebildete n-Schichten, die mit beispielsweise Mg dotiert sind.
  • Das aktive Gebiet ist häufig eine einzelne Quantum-Well-Schicht, oder es sind Multi-Quantum-Well-Schichten, die mittels Schichten aus Halbleitermaterialien mit größeren Bandlückenenergien als die der Quantum-Well-Schichten getrennt werden und sandwichartig dazwischen liegen. Die Schichten mit größerer Bandlückenenergie, die die Quantum-Well-Schichten trennen, werden häufig als Barriereschichten bezeichnet. Die Schichten mit größerer Bandlückenenergie, zwischen denen das aktive Gebiet liegt, werden häufig als Cladding- oder Confinement-Schichten bezeichnet. Andere Schichten können zwischen den Confinement-Schichten und dem aktiven Gebiet liegen. Die Barriere- und Confinement-Schichten verschaffen Barrieren für das Wegdiffundieren von Ladungsträgern aus dem aktiven Gebiet heraus.
  • 1 veranschaulicht ein Beispiel für ein aktives Gebiet, das sandwichförmig zwischen zwei Confinement-Schichten liegt, wie in der US-Patentschrift Nr. US 6 046 464 A beschrieben. Ein aktives GaN-Gebiet 112 liegt zwischen zwei Confinement-Schichten 114a und 114b aus Al1-xGaxN. Aluminium wird häufig in Confinement-Schichten verwendet, weil das Vorhandensein von Aluminium in einer III-Nitrid-Halbleiterschicht typischerweise die Bandlücke dieser Schicht vergrößert, was für ein gutes Einschließen (Confinement) der Träger sorgt.
  • Die Verwendung von AlGaN-Confinement-Schichten bringt mehrere Probleme mit sich.
  • Erstens ist es schwierig, die geforderte Löcherkonzentration in Mg-dotiertem AlGaN zu erreichen. Ein Grund hierfür ist, dass die Aktivierungsenergie für Mg zunimmt, wenn der Anteil Al in AlGaN zunimmt. Es wurde beobachtet, dass in GaN nur etwa 1% des aufgenommenen Mg bei Raumtemperatur aktiviert wird. Es wurde auch beobachtet, dass die Aktivierungsenergie eines Dotierstoffes bei zunehmender Bandlückenenergie des Wirtsmaterials zunimmt. Daher ist zu erwarten, dass der Prozentsatz an aktivierten Mg-Atomen in AlGaN weniger als 1% beträgt. Das bedeutet, dass höhere Konzentrationen von Mg-Atomen in die AlGaN-Schicht eingebracht werden müssen, um die geforderten Löcherkonzentrationen zu erhalten. Die Forderung nach einer hohen Mg-Konzentration in AlGaN hat zwei Nachteile. Erstens ist es schwierig, während des Aufwachsens hohe Mg-Konzentrationen in AlGaN einzubringen. Zweitens kann das Vorhandensein hoher Dotierstoffkonzentrationen die Qualität und elektronischen Eigenschaften des AlGaN-Einkristallfilms in unerwünschter Weise beeinflussen.
  • Zweitens gibt es an der GaN/AlGaN-Grenzfläche große Polarisationsfelder. Diese Polarisationsfelder werden durch die verschiedenen Elektronegativitäten von Al, In, Ga und N sowie die in III-Nitrid-LEDs vorliegende asymmetrische Natur der Wurtzit-Kristallstruktur verursacht. Die Polarisationsfelder erzeugen im Wesentlichen eine Flächenladung zwischen der GaN- und AlGaN-Grenzfläche, wodurch sich das Energiebandschema nach oben oder unten bewegt, je nach der Polarität der Flächenladung an der Grenzfläche. An der GaN/AlGaN-Grenzfläche liegt eine positive Flächenladung vor und zieht das Leitungsenergieband nach unten, wodurch sich die Wirksamkeit von AlGaN als Confinement-Schicht verringert. Die Wirkung von Polarisationsfeldern wird in 2 veranschaulicht, die ein Energiebandschema einer Anordnung mit einer AlGaN-Confinement-Schicht darstellt. Wie in 2 dargestellt, ist die Bandlücke der Quantum-Well-Schicht 310 kleiner als die Bandlücke der Abdeckschicht 302, die kleiner als die Bandlücke der Confinement-Schicht 304 ist. Das Polarisationsfeld bei der Grenzfläche von Abdeckschicht und Confinement-Schicht hat jedoch das Energieschema am Punkt 308 unter das Quasi-Ferminiveau 306 gezogen. Unter dem Quasi-Ferminiveau wird am einfachsten das Energieniveau verstanden, unter dem Ladungsträger bei T = 0 liegen können. Weil das Leitungsband am Punkt 308 herabgezogen wird, wird die für gleichartige Stromdichten benötigte Spannung erhöht. Dies verringert die Energiebarriere und den Elektroneneinschluss der AlGaN-Schicht.
  • Drittens erfordert das Aufwachsen von AlGaN höhere Temperaturen als andere GaN-basierte Schichten. Eine Möglichkeit, zu einer höheren Aufwachstemperatur zu wechseln, ist, beim Aufwachsen eine Pause zu initiieren. Aufwachspausen sind im Allgemeinen unerwünscht, weil sie ermöglichen, dass sich Verunreinigungen an der Oberfläche des Kristalls ansammeln, wodurch sich die Qualität des Kristalls verschlechtern kann. Zudem kann sich die hohe für AlGaN benötigte Temperatur in unerwünschter Weise auf die Materialeigenschaften der Schichten in dem aktiven Gebiet auswirken.
  • US 6 252 894 B1 offenbart einen Halbleiterlaser, der aus einem Halbleiter einer Galliumnitridreihenverbindung gebildet ist und eine Doppelheterostruktur, die eine aktive Multi-Quantum-Well-Schicht (MQW), die zwischen AlGaN-Cladding-Schichten des p-Typs und des n-Typs gehalten wird, beinhaltet, aufweist. Die Doppelheterostruktur wird zwischen Kontakt-Schichten des p-Typs und des n-Typs gehalten. Eine InGaN-Lichtabsorptionsschicht mit einem optischen Absorptionskoeffizienten, der größer ist als der der Cladding-Schicht, die den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie die Kontakt-Schicht und die angrenzend an die Kontakt-Schicht gebildet wird, ist in mindestens einer der Kontakt-Schichten gebildet.
  • US 6 031 858 A offenbart einen Halbleiterlaser, der eine kontinuierliche Oszillation in einem transversalen Grundmodus bei einer niedrigen Betriebsspannung durch eine Transversalmodussteuerung realisiert.
  • JP 11-243 251 A offenbart einen GaN-Laser der, zum Beispiel, aus einer aktiven InAlGaN-Schicht, InGaN-Leiter-Schichten, die jeweils zu den unteren und oberen Teilen der aktiven Schicht benachbart sind, und GaN-Cladding-Schichten, die jeweils zu den unteren und oberen Teilen der InGaN-Leiter-Schichten benachbart sind, besteht.
  • Erfindungsgemäß enthält eine Licht emittierende III-Nitrid-Anordnung ein Substrat, eine über dem Substrat liegende Schicht vom ersten Leitungstyp, eine über der Schicht vom ersten Leitungstyp liegende Spacerschicht, ein über der Spacerschicht liegendes aktives Gebiet, eine über dem aktiven Gebiet liegende Abdeckschicht und eine über der Abdeckschicht liegende Schicht vom zweiten Leitungstyp. Das aktive Gebiet enthält eine Quantum-Well-Schicht und eine Indium enthaltende Barriereschicht. Die Barriereschicht kann mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp dotiert sein und kann einen Indium-Anteil zwischen 1% und 15% haben. Bei manchen Ausführungsformen enthält die Licht emittierende Anordnung eine zwischen der Schicht vom ersten Leitungstyp und dem aktiven Gebiet gebildete untere InGaN-Confinement-Schicht. Die untere InGaN-Confinement-Schicht kann mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp dotiert sein und kann einen Indium-Anteil zwischen 0% und 15% haben. Bei manchen Ausführungsformen enthält die Licht emittierende Anordnung eine zwischen der Schicht vom zweiten Leitungstyp und dem aktiven Gebiet gebildete obere InGaN-Confinement-Schicht. Die obere InGaN-Confinement-Schicht kann mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitungstyp dotiert sein und kann einen Indium-Anteil zwischen 0% und 15% haben. Die Abdeckschicht kann mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitungstyp dotiert sein und einen Indium-Anteil zwischen 0% und 15% haben. Die Spacerschicht kann mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp dotiert sein und kann einen Indium-Anteil zwischen 0% und 15% haben.
  • 1 veranschaulicht eine III-Nitrid-LED nach dem Stand der Technik.
  • 2 veranschaulicht ein Energiebandschema einer Anordnung mit einer AlGaN-Confinement-Schicht.
  • 3 veranschaulicht eine LED gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4 veranschaulicht ein Energiebandschema einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer LED.
  • 6 ist eine Kurve des Wirkungsgrades als Funktion der Stromdichte für die Anordnung von 4.
  • 3 veranschaulicht eine LED 200, die Aspekte der vorliegenden Erfindung aufweist. Eine einzelne n-Schicht oder ein Stapel aus n-Schichten 204 ist auf einem Substrat 202 gebildet. Eine untere Confinement-Schicht 206 ist über n-Schichten 204 gebildet. Das aktive Gebiet 208 liegt sandwichförmig zwischen einer Spacerschicht 207 und einer Abdeckschicht 210. Das aktive Gebiet 208 enthält Barriereschichten 222 und Quantum-Well-Schichten 220. Über der Abdeckschicht 210 ist eine obere Confinement-Schicht 212 gebildet. Schließlich ist eine einzelne p-Schicht oder ein Stapel aus p-Schichten 214 über der oberen Confinement-Schicht 212 gebildet. Die p-Schichten 214 können eine Kontaktschicht enthalten. Mit einer der n-Schichten 204 ist ein n-Kontakt elektrisch verbunden und ein p-Kontakt ist mit einer der p-Schichten 214 elektrisch verbunden. Wenn das Substrat 202 leitfähig ist, kann der n-Kontakt an der Unterseite des Substrats 202 deponiert sein. Oder ein Teil der p-Schichten 214, Confinement-Schicht 212, des aktiven Gebietes 208 und Confinement-Schicht 206 ist entfernt worden, um n-Schichten 204 freizulegen. Sowohl der p-Kontakt als auch der n-Kontakt sind dann auf der gleichen Seite der Anordnung deponiert.
  • In Konfigurationen, wo beide Kontakte auf der gleichen Seite der Anordnung deponiert sind, kann Licht entweder durch das Substrat extrahiert werden (bekannt als Flip-Chip-Anordnung) oder durch die Kontakte. Wenngleich LED 200 mit n-Schichten 204 am dichtesten beim Substrat dargestellt wird, kann die Struktur umgekehrt werden, sodass die p-Schichten 214 am dichtesten beim Substrat gebildet werden. Zudem können die n-Schichten 204 eine p-Schicht und p-Schichten 214 eine n-Schicht enthalten. Weiterhin kann von der unteren Confinement-Schicht 206, Spacerschicht 207, Barriereschichten 222, Abdeckschicht 210 und oberen Confinement-Schicht 212 jede entweder vom n-Typ oder p-Typ sein.
  • Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung sind die untere Confinement-Schicht 206, Spacerschicht 207, Quantum-Well-Schichten 220, Barriereschichten 222, Abdeckschicht 210 und obere Confinement-Schicht 212 jeweils InGaN. Tabelle 1 veranschaulicht den In-Anteil jeder Schicht. Tabelle 1
    Obere Confinement-Schicht 212 Inx5Ga1-x5N
    Abdeckschicht 210 Inx4Ga1-x4N
    Barriereschichten 222 Inx3Ga1-x3N
    Quantum-Well-Schichten 220 Inx2Ga1-x2N
    Spacerschicht 207 Inx1Ga1-x1N
    Untere Confinement-Schicht 206 Inx0Ga1-x0N
  • In der in Tabelle 1 gezeigten Ausführungsform haben die obere Confinement-Schicht 212 und die untere Confinement-Schicht 206 den geringsten Indium-Anteil. Abdeckschicht 210, Barriereschichten 220 und Spacerschicht 207 haben üblicherweise einen größeren Indium-Anteil als Confinement-Schichten 206 und 212 und einen geringeren Indium-Anteil als Quantum-Well-Schichten 222. Die Quantum-Well-Schichten 222 haben den größten Indium-Anteil. Somit ist x1, x3, x4 < x2 und x0, x5 ≤ x1, x3, x4.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist die untere Confinement-Schicht 206 eine III-Nitridschicht ohne Al, die n-dotiert ist, üblicherweise mit Si. Die untere Confinement-Schicht 206 kann beispielsweise GaN oder InGaN sein. Die untere Confinement-Schicht 206 kann einen Indium-Anteil von etwa 0% bis etwa 15% haben und hat üblicherweise einen Indium-Anteil von etwa 0% bis etwa 2%. 4 veranschaulicht ein Energiebandschema einer Anordnung, in der eine untere Confinement-Schicht 206 aufgenommen ist. Die untere Confinement-Schicht 206 ist mit einer genügend großen Dotierstoffkonzentration dotiert, um das Elektronen-Quasi-Ferminiveau 410 am Punkt 412, der Grenzfläche zwischen unterer Confinement-Schicht 206 und Spacerschicht 207, näher zum Leitungsband 402 zu bewegen. Die Dotierung bewirkt ein Biegen der Bandstruktur, was für Löcher im Valenzband 404 am Punkt 414 eine Barriere verschafft. Die Confinement-Schicht 206 kann mit einem n-Dotierstoff wie z. B. Si bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1022 cm–3 dotiert sein und ist üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1019 cm–3 bis etwa 5·1020 cm–3 dotiert. Die untere Confinement-Schicht 206 kann zwischen 5,0 und 2000,0 nm dick sein und ist üblicherweise zwischen 25,0 und 50,0 nm dick. Typischerweise erniedrigt das Vorhandensein von In in einer Schicht die Bandlücke dieser Schicht, somit sollte in Ausführungsformen, bei denen die untere Confinement-Schicht 206 In enthält, der In-Anteil kleiner als der In-Anteil der Quantum-Well-Schichten und kleiner als oder gleich dem In-Anteil der Barriereschichten sein.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist die Spacerschicht 207 eine InGaN-Schicht. Die Spacerschicht 207 kann einen Indium-Anteil zwischen etwa 0% und etwa 15% haben und hat üblicherweise einen Indium-Anteil zwischen 0% und 5%. Die Spacerschicht 207 kann mit einem n-Dotierstoff wie z. B. Si bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1019 cm–3 dotiert sein und ist üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1017 cm–3 bis etwa 1018 cm–3 dotiert. Die Spacerschicht 207 kann zwischen etwa 2,5 und 30,0 nm dick sein und ist üblicherweise zwischen 10,0 und 20,0 nm dick.
  • Das aktive Gebiet 208 hat abwechselnde Quantum-Well-Schichten 220 (3) und Barriereschichten 222. Bei manchen Ausführungsformen sind sowohl die Quantum-Well-Schichten 220 als auch die Barriereschichten 222 InGaN. Da das Erhöhen des In-Anteils die Bandlücke einer Schicht verkleinert, haben Quantum-Well-Schichten 220 typischerweise einen größeren In-Anteil als Barriereschichten 222, sodass Barriereschichten 222 eine genügend hohe Bandlücke aufweisen, um Ladungsträger einzuschließen. Die Quantum-Well-Schichten 220 können einen Indium-Anteil im Bereich zwischen 4% und 25% haben. Die Barriereschichten 222 können einen Indium-Anteil im Bereich zwischen 0% und 15% haben und haben üblicherweise einen Indium-Anteil im Bereich zwischen 1% und 5%.
  • Bei manchen Ausführungsformen sind Barriereschichten 222 des aktiven Gebietes mit Si n-dotiert, um Polarisationsfelder an der Grenzfläche von Barriere und Quantum-Well zu verringern. Die Barriereschichten 222 können bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1019 cm–3 dotiert sein und sind üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1017 cm–3 bis etwa 5·1018 cm–3 dotiert. Die Barriereschichten 222 können eine Dicke zwischen 2,0 und 25,0 nm haben und sind üblicherweise zwischen 6,0 und 13,0 nm dick. Die Quantum-Well-Schichten 220 können eine Dicke zwischen 1,0 und 6,0 nm haben und sind üblicherweise zwischen 1,5 und 3,0 nm dick. Obwohl drei Quantum-Well-Schichten 220 und zwei Barriereschichten 222 in 3 gezeigt werden, können mehr oder weniger Quantum-Well-Schichten und Barriereschichten verwendet werden.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist die Abdeckschicht 210 eine InGaN-Schicht, die den gleichen In-Anteil enthält wie die Barriereschichten im aktiven Gebiet 208. Die Abdeckschicht 210 kann einen Indium-Anteil zwischen etwa 0% und etwa 15% haben und hat üblicherweise einen Indium-Anteil zwischen 0% und 5%. Die Abdeckschicht 210 kann mit einem n-Dotierstoff wie z. B. Mg oder mit einem n-Dotierstoff wie z. B. Si bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1021 cm–3 dotiert sein und ist üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1019 cm–3 bis etwa 1020 cm–3 dotiert. Die Abdeckschicht 210 kann zwischen etwa 2,5 und 30,0 nm dick sein und ist üblicherweise zwischen 5,0 und 12,0 nm dick.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist die obere Confinement-Schicht 212 mit einem p-Dotierstoff wie z. B. Mg InGaN-dotiert. Die obere Confinement-Schicht 212 enthält weniger In als die Quantum-Well-Schichten vom aktiven Gebiet 208, um die Ladungsträger in dem aktiven Gebiet 208 einzuschließen. Der Indium-Anteil der oberen Confinement-Schicht 212 kann zwischen etwa 0% und etwa 15% liegen und liegt üblicherweise zwischen 0% und 2%. Zurückkehrend zu 4 ist die obere Confinement-Schicht 212 mit genügend viel p-Dotierstoff dotiert, um die Leitungsbandkante 416 von dem Elektronen-Quasi-Ferminiveau an der Grenzfläche der Abdeckschicht 210 und der oberen Confinement-Schicht 212 weg zu bewegen. Dies verschafft eine bessere Wand gegen Elektronendiffusion an der Kante 416. Die obere Confinement-Schicht 212 kann bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1022 cm–3 dotiert sein und ist üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1019 cm–3 bis etwa 5·1020 cm–3 dotiert. Die obere Confinement-Schicht 212 kann zwischen etwa 5,0 und 2000,0 nm dick sein und ist üblicherweise zwischen 25,0 und 50,0 nm dick.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist eine p-Kontaktschicht InGaN oder mit einem p-Dotierstoff wie z. B. Mg dotiertes GaN. Die p-Kontaktschicht kann einen Indium-Anteil im Bereich von etwa 0% bis etwa 15% haben und hat üblicherweise einen Indium-Anteil im Bereich zwischen 0% und 2%. Die p-Kontaktschicht kann bis auf eine Konzentration von etwa 1015 cm–3 bis etwa 1023 cm–3 dotiert sein und ist üblicherweise bis auf eine Konzentration von etwa 1020 cm–3 bis etwa 1021 cm–3 dotiert. Die p-Kontaktschicht kann 1,0 bis 50,0 nm dick sein und ist üblicherweise zwischen 10,0 und 25,0 nm dick.
  • Die Bandlücken der Confinement-Schichten 206 und 212 sind im Allgemeinen größer als die Bandlücken der Barriereschichten in dem aktiven Gebiet 208, der Abdeckschicht 210 und der Spacerschicht 207. Im aktiven Gebiet 208 ist die Bandlücke der Barriereschichten größer als die Bandlücke der Quantum-Well-Schicht. Somit haben in Ausführungsformen, bei denen beide Confinement-Schichten, die Abdeckschicht, die Spacerschicht, die Quantum-Well-Schichten und die Barriereschichten alle InGaN sind, die Confinement-Schichten den niedrigsten Anteil an In, die Barriereschichten, Abdeckschicht und Spacerschicht haben alle einen höheren Anteil an In und die Quantum-Well-Schichten haben den höchsten Anteil an In.
  • Tabelle 2 zeigt den Indium-Anteil für jede der Schichten der in 4 gezeigten Anordnung. Tabelle 2
    Schicht Prozent Indium-Anteil
    Untere Confinement-Schicht 206 0%
    Spacerschicht 207 0%
    Barriereschicht 222 3%
    Quantum-Well-Schicht 220 15%
    Abdeckschicht 210 3%
    Obere Confinement-Schicht 212 0%
  • Bei manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können die untere Confinement-Schicht 206, Spacerschicht 207, Abdeckschicht 210 oder die obere Confinement-Schicht 212 einen verlaufenden Indium-Anteil oder eine verlaufende Dotierstoffkonzentration haben. Wie hier verwendet, soll der Begriff ”verlaufend” jede Struktur einschließen, die eine Änderung des genannten Anteils und/oder der Dotierstoffkonzentration in irgendeiner Weise bewirkt, die anders ist als eine einzige Stufe im Anteil und/oder der Dotierstoffkonzentration. Bei einem Beispiel ist die verlaufende Schicht ein Schichtenstapel, wobei jede der Schichten einen anderen Anteil und/oder eine andere Dotierstoffkonzentration hat als jede zu ihr benachbarte Schicht. Wenn die Schichten von auflösbarer Dicke sind, ist die verlaufende Schicht als abgestufte oder index-verlaufende Schicht bekannt. Im Grenzfall, wo die Dicke einzelner Schichten sich null nähert, ist die verlaufende Schicht als kontinuierlich verlaufende Schicht bekannt. Die die verlaufende Glättungsschicht zusammenstellenden Schichten können so angeordnet werden, dass sie eine Vielzahl von Profilen hinsichtlich Anteil und/oder Dotierstoffkonzentration gegenüber der Dicke bilden, einschließlich, aber nicht darauf begrenzt, linearer Verläufe, parabolischer Verläufe und potenzierter Verläufe. Auch sind verlaufende Glättungsgebiete nicht auf ein einziges Verlaufsprofil beschränkt, sondern können Abschnitte mit verschiedenen Verlaufsprofilen und einen oder mehrere Abschnitte mit Gebieten mit nahezu konstantem Anteil und/oder konstanter Dotierstoffkonzentration enthalten. Beispielsweise kann die Spacerschicht 207 einen Indium-Anteil haben, der vom Indium-Anteil in der unteren Confinement-Schicht 206 zum Indium-Anteil in Barriereschichten 220 verlaufend ist. Auch kann die Abdeckschicht 210 einen Indium-Anteil haben, der vom Indium-Anteil in den Barriereschichten 220 zum Indium-Anteil in der oberen Confinement-Schicht 212 verlaufend ist. Die verlaufende Spacerschicht 207 und die Abdeckschicht 210 erzeugen einen ”Trichter”, der Ladungsträger zum aktiven Gebiet richtet.
  • 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung. In Schritt 51 wird das Substrat 202, das SiC, Saphir, GaN oder irgendein anderes geeignetes Substrat sein kann, an einer oder beiden Seiten poliert und dann für das Aufwachsen mit verschiedenen Waschprodukten vorbereitet. Die n-Schichten 204 werden auf dem Substrat 202 in Schritt 52 mittels MOCVD epitaktisch aufgewachsen. Das Substrat wird in einen Reaktor platziert und Vorläufergase, wie z. B. Trimethyl-Gallium und Ammoniak, die an der Oberfläche des Substrates reagieren und GaN bilden, werden eingebracht. Vor dem Aufwachsen von Bulk-GaN kann über dem Substrat 202 eine III-Nitrid-Nukleationsschicht, wie z. B. AlN, GaN oder InGaN aufgewachsen werden. Eventuelle Al oder In enthaltende Vorläufergase werden dann beseitigt. Ein n-Dotierstoff-Vorläufergas wird zusammen mit einem Gallium enthaltenden Vorläufer und Ammoniak in den Reaktor eingebracht, sodass das resultierende n-Gebiet 204 beispielsweise mit Si, Ge, oder O dotiert wird.
  • In Schritt 53 kann ein Indium enthaltendes Vorläufergas, wie z. B. Trimethyl-Indium, in den Reaktor eingebracht werden, um die untere Confinement-Schicht 206 zu bilden. Die Temperatur kann auch erniedrigt werden. Die Menge des in einer Schicht aufgenommenen Indiums kann durch Einstellen der Reaktionstemperatur, des Verhältnisses der Durchflussmenge von Indium enthaltenden Vorläufern zur Durchflussmenge anderer Vorläufer wie z. B. Gallium enthaltende Vorläufer (im Folgenden das Verhältnis Indium/andere) oder beides gesteuert werden.
  • Die erste Quantum-Well-Schicht 220 im aktiven Gebiet 208 wird in Schritt 54 gebildet und zwar durch Erniedrigen der Reaktortemperatur, durch Erhöhen des Verhältnisses Indium/andere oder durch beides. In Schritt 55 wird die Temperatur erhöht und/oder das Verhältnis Indium/andere wird verkleinert, um eine Barriereschicht 222 für das aktive Gebiet zu bilden, mit weniger Indium, als es die Quantum-Well-Schicht 220 hat. Die Schritte 54 und 55 werden wiederholt, bis die gewünschte Anzahl Barriereschichten gebildet worden ist, danach wird in Schritt 57 ein endgültiger Quantum-Well gebildet.
  • Nach der Bildung des aktiven Gebietes wird in Schritt 58 die Reaktortemperatur erhöht und/oder das Verhältnis Indium/andere verringert, um die Abdeckschicht 210 zu bilden. Ein p-Dotierstoff-Vorläufer wird in den Reaktor eingebracht, sodass die resultierende Abdeckschicht mit beispielsweise Mg dotiert ist. In Schritt 59 wird die Reaktortemperatur wieder erhöht und/oder das Verhältnis Indium/andere wird wieder verkleinert, um die obere Confinement-Schicht 212 zu bilden. In Schritt 60 werden p-Schichten 214 gebildet. Schichten, die hinsichtlich der Leitfähigkeit oder Bildung eines ohmschen Kontakts optimiert sein können, können im p-Gebiet 214 gebildet werden. Eine p-Kontaktschicht, die später den p-Kontakt bilden wird, wird dann in Schritt 61 über den Halbleiterschichten deponiert. Die Anordnung wird strukturiert und Abschnitte der p-Kontaktschicht, der p-Halbleiterschichten und des aktiven Gebietes werden weggeätzt, um ein n-Gebiet 204 freizulegen. Ein n-Kontakt wird dann auf dem freigelegten Abschnitt des n-Gebietes 204 deponiert. Die n- und p-Kontakte können beispielsweise Au, Ni, Al, Pt, Co, Ag, Ti, Pd, Rh, Ru, Re und W sein oder Legierungen davon.
  • Gemäß der Erfindung bietet die Verwendung von InGaN-oder GaN-Confinement-, Abdeck-, Spacer- und Barriereschichten mehrere Vorteile. Erstens wird Mg leichter in InGaN oder GaN aufgenommen, selbst benachbart zu einer InGaN-GaN- oder GaN-GaN-Grenzfläche, als es in AlGaN aufgenommen wird. Somit verringert die Verwendung von InGaN- oder GaN-Confinement-Schichten die Veränderung und Unsicherheit bei der Platzierung des pn-Überganges und die bei einer AlGaN-Confinement-Schicht erfahrene unerwünschte Einwirkung von undotiertem AlGaN auf Widerstand und Betriebsspannung.
  • Zweitens ist in Mg-dotiertem InGaN und Mg-dotiertem GaN im Vergleich zu mit Mg dotiertem AlGaN ein größerer Teil der Mg-Atome bei Raumtemperatur aktiv. Daher können, um die geforderte Löcherkonzentration zu erhalten, InGaN- und GaN-Confinement-Schichten mit weniger Mg dotiert sein als AlGaN-Confinement-Schichten, was die Kristalleigenschaften der Confinement-Schichten verbessert.
  • Drittens werden die einschließenden Eigenschaften einer InGaN-Confinement-Schicht durch Polarisationsfelder weniger beeinflusst als die Eigenschaften einer AlGaN-Confinement-Schicht. 6 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Stromdichte für die Anordnung von 3. Da die in 3 gezeigte Anordnung einen wirksamen Elektronen- und Löchereinschluss aufweist, nimmt der Wirkungsgrad mit ansteigender Stromdichte zu. Somit ist die Anordnung bei hoher Stromdichte äußerst wirksam, was bedeutet, dass mit zunehmender Stromdichte ein großer Teil des zusätzlichen Stroms in Licht und nicht in Wärme umgesetzt wird.
  • Viertens wird durch die Verwendung von InGaN- oder GaN-Confinement-Schichten die Fertigungstemperatur der oberen Confinement-Schicht erniedrigt, was die Gefahr einer Beschädigung des aktiven Gebietes verringert. Auch kann die Verwendung von InGaN- oder GaN-Confinement-Schichten die Aufwachspause vor dem Aufwachsen von AlGaN beseitigen, wodurch die Gefahr von Kristalldefekten infolge der Ansammlung von Verunreinigungen während der Aufwachspause verringert wird.

Claims (20)

  1. Licht emittierende Anordnung (200) mit: einem Substrat (202); einer über dem Substrat (202) liegenden Schicht vom ersten Leitungstyp (204); einer über der Schicht vom ersten Leitungstyp (204) liegenden unteren Confinement-Schicht (206), wobei die untere Confinement-Schicht (206) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15; einer über der Schicht vom ersten Leitungstyp (204) liegenden Spacerschicht (207); einem über der Spacerschicht (207) liegenden aktiven Gebiet (208), wobei das aktive Gebiet (208) umfasst: eine Quantum-Well-Schicht (220) und eine Indium umfassende Barriereschicht (222); einer über dem aktiven Gebiet liegenden Abdeckschicht (210); einer über der Abdeckschicht (210) liegenden oberen Confinement-Schicht (212), wobei die obere Confinement-Schicht (212) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15 und einer über der Abdeckschicht (210) liegenden Schicht vom zweiten Leitungstyp (214); wobei die Spacerschicht (207) und/oder die Abdeckschicht (210) Indium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entweder die Abdeckschicht (210) oder die obere Confinement-Schicht (212) oder die untere Confinement-Schicht (206) oder die Spacerschicht (207) einen verlaufenden Anteil an Indium umfasst.
  2. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (222) InGaN ist, mit einem Indium-Anteil zwischen 1% und etwa 15%.
  3. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (222) InGaN ist, mit einem Indium-Anteil zwischen etwa 1% und etwa 5%.
  4. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (222) mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp bis auf eine Konzentration zwischen etwa 1015 cm–3 und etwa 1019 cm–3 dotiert ist.
  5. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei: die Barriereschicht (222) eine Dicke zwischen etwa 2,0 und etwa 25,0 nm hat; die Quantum-Well-Schicht (220) einen Indium-Anteil zwischen etwa 4% und etwa 25% hat und die Quantum-Well-Schicht (220) eine Dicke zwischen etwa 1,0 und etwa 6,0 nm hat.
  6. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (222), die Spacerschicht (207) und die Abdeckschicht (210) je einen Indium-Anteil haben, der geringer als ein Indium-Anteil der Quantum-Well-Schicht (222) ist.
  7. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die untere Confinement-Schicht (206) In´xGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,02.
  8. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die untere Confinement-Schicht (206) mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp bis auf eine Konzentration zwischen etwa 1015 cm–3 und etwa 1022 cm–3 dotiert ist.
  9. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die untere Confinement-Schicht (206) eine Dicke zwischen etwa 5,0 und etwa 2000,0 nm hat.
  10. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei: die untere Confinement-Schicht (206) einen ersten Indium-Anteil hat; die Spacerschicht (207) einen zweiten Indium-Anteil hat; die Quantum-Well-Schicht (220) einen dritten Indium-Anteil hat; der dritte Indium-Anteil größer ist als der zweite Indium-Anteil und der zweite Indium-Anteil größer oder gleich dem ersten Indium-Anteil ist.
  11. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die obere Confinement-Schicht (212) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,02.
  12. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die obere Confinement-Schicht (212) mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitungstyp bis auf eine Konzentration zwischen etwa 1015 cm–3 und etwa 1022 cm–3 dotiert ist.
  13. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 12, wobei der Dotierstoff Mg umfasst.
  14. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die obere Confinement-Schicht (212) eine Dicke zwischen etwa 5,0 und etwa 2000,0 nm hat.
  15. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die obere Confinement-Schicht (212) einen ersten Indium-Anteil hat; die Abdeckschicht (210) einen zweiten Indium-Anteil hat; die Quantum-Well-Schicht (220) einen dritten Indium-Anteil hat; der dritte Indium-Anteil größer ist als der zweite Indium-Anteil und der zweite Indium-Anteil größer oder gleich dem ersten Indium-Anteil ist.
  16. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Abdeckschicht (210) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15.
  17. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Spacerschicht (207) InxGa1-xN umfasst, mit 0 ≤ x ≤ 0,15.
  18. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei: die untere Confinement-Schicht (206) GaN ist; die Spacerschicht (207) GaN ist; die Barriereschicht (222) In0,03Ga0,97N ist; die Quantum-Well-Schicht (220) In0,15Ga0,85N ist; die Abdeckschicht (210) In0,03Ga0,97N ist und die obere Confinement-Schicht (212) GaN ist.
  19. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Abdeckschicht (210) mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitungstyp bis auf eine Konzentration zwischen etwa 1015 cm–3 und etwa 1021 cm–3 dotiert ist.
  20. Licht emittierende Anordnung (200) nach Anspruch 1, wobei die Spacerschicht (207) mit einem Dotierstoff vom ersten Leitungstyp bis auf eine Konzentration zwischen etwa 1015 cm–3 und etwa 1021 cm–3 dotiert ist.
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