DE10253083A1

DE10253083A1 - Keimschicht für eine verbesserte Lichtextraktion von Licht emittierenden Anordnungen

Info

Publication number: DE10253083A1
Application number: DE10253083A
Authority: DE
Inventors: Michael R Krames; Tetsuya Takeuchi; Junko Kobayashi
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2003-05-28
Also published as: JP4714401B2; TW200304232A; JP2003158294A; US20030089917A1; US6683327B2; TWI264131B

Abstract

Es wird eine Licht emittierende Anordnung mit einer Keimschicht mit Aluminium beschrieben. Die Dicke und die Aluminiumzusammensetzung der Keimschicht werden derart gewählt, dass sie der Brechzahl des Substrats und der Anordnungsschichten entsprechen, so dass 90% des Lichtes von den Anordnungsschichten, das auf die Keimschicht trifft, in das Substrat extrahiert wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die Keimschicht AlGaN mit einer Dicke zwischen etwa 1000 Å und etwa 1200 Å und mit einer Aluminiumzusammensetzung zwischen etwa 25 und etwa 8%. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht über eine Fläche eines Wurtzit-Substrats gebildet, die gegenüber der c-Fläche des Substrats gekippt ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht bei einer hohen Temperatur, beispielsweise zwischen 900 DEG C und 1200 DEG C, gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht mit Si bis zu einer Konzentration zwischen etwa 3e18 cm·-3· und etwa 5e19 cm·-3· dotiert.

Description

Halbleiter-Leuchtdioden (LEDs) gehören zu den meist effizienten zur Zeit verfügbaren Lichtquellen. Materialsysteme, die zur Zeit interessant sind bei der Herstellung von LEDs mit hoher Helligkeit und die imstande sind über das sichtbare Spektrum zu funktionieren umfassen Gruppe III-V Halbleiter, insbesondere binäre, ternäre und quaternäre Legierungen von Gallium, Aluminium, Indium und Stickstoff, auch als III-Nitrid-Material bezeichnet. Im Allgemeinen müssen die III-Nitrid-Anordnungsschichten in einer LED epitaxial sein, damit die LED mit einer nützlichen Effizienz funktioniert. III-Nitrid-Anordnungen werden in einem metallorganisch chemischen Aufdampfverfahren (MOCVD), einem molekularen Strahlepitaxieverfahren (MBE) oder in einem anderen Epitaxialverfahren aufgewachsen. Das Substrat, auf dem ein Kristall aufgewachsen wird, beeinflusst den epitaxialen Wachstumsmechanismus und die Qualität des Kristalls weitgehend. Damit III- Nitridkristallschichten einer ausreichenden Qualität zum Gebrauch in einer LED aufwächst, müssen die Kristallgitterparameter des Substrats den Kristallgitterparametern der Epitaxialschichten entsprechen oder nahezu entsprechen. Typischerweise werden III-Nitrid- LEDs auf Saphir, SiC, oder GaN Substrat aufgewachsen. Saphir sowie SiC zeigen eine Fehlanpassung gegenüber dem GaN, Saphir um 15% und SiC um 3,5%. III-Nitrid-LED- Strukturen werden oft auf Saphirsubstraten aufgewachsen, und zwar wegen der hohen Temperaturstabilität und der relativ einfachen Produktion von Saphir.
Die Verwendung eines Saphir-Substrats kann zu einer schlechten Extraktionseffizienz führen, und zwar wegen der geringen Differenz in der Brechzahl an der Schnittstelle zwischen den Halbleiterschichten und dem Substrat. Wenn Licht auf eine Schnittstelle zwischen zwei Materialien auftrifft, bestimmt die Differenz in der Brechzahl, wieviel Licht an dieser Schnittstelle reflektiert wird, und wieviel Licht hindurchgeführt wird. Je größer die Differenz in der Brechzahl ist, desto mehr Licht wird reflektiert. Die Brechzahl von Saphir (1,8) ist im Vergleich zu der Brechzahl von III-Nitrid-Anordnungsschichten (2,4), die auf dem Saphir aufgewachsen sind, niedrig. Auf diese Weise wird ein großer Teil des in den III-Nitrid-Anordnungsschichten erzeugten Lichtes reflektiert, wenn es die Schnittstelle zwischen den Halbleiterschichten und dem Saphirsubstrat erreicht. Das reflektierte Licht muss streuen und viele Durchgänge durch die Anordnung machen, bevor es extrahiert wird.
Diese vielen Durchgänge führen zu einer wesentlichen Dämpfung des Lichtes durch die optischen Verluste an Kontakte, freien Trägerabsorption, und Zwischenbandabsorption innerhalb jeder der III-Nitrid-Anordnungsschichten.
Die Brechzahl von SiC (2,7) entspricht der Brechzahl der III-Nitrid-Anordnungsschichten mehr. Wie aber oben beschrieben, haben Saphir und SiC eine Gitterfehlanpassung gegenüber GaN. Durch die Gitterfehlanpassung werden Puffer- oder Keimschichten, die für Gitterfehlanpassung optimiert werden und die thermische Ausdehnungskoeffizientenanpassung zwischen dem Substrat und den III-Nitrid- Anordnungsschichten typischerweise vor den III-Nitrid-Anordnungsschichten auf dem Substrat aufgewachsen. Fig. 1 zeigt ein Beispiel von Pufferschichten benutzt auf SiC- Substraten, beschrieben in dem US Patent Nr. 5.393.993. Zwischen dem SiC-Substrat 25 und der epitaxialen GaN-Schicht 24 wird eine aus drei Schichten bestehende Pufferstruktur mit den Schichten 26, 22 und 23 gebildet. Die unmittelbar an das SiC-Substrat grenzende Schicht ist AIN. Diese AIN-Pufferschicht, die eine Brechzahl von etwa 2,0 hat, reduziert den größten Teil der Lichtextraktion, was der Verwendung von SiC zu verdanken ist.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Licht emittierende Anordnung eine Keimschicht mit Aluminium. Die Dicke und die Aluminiumzusammensetzung der Keimschicht werden derart selektiert, dass 90% oder mehr des Lichtes von den Anordnungsschichten, das auf die Keimschicht trifft, in das Substrat extrahiert wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die Keimschicht AIGaN mit einer Dicke zwischen etwa 600 und etwa 2000 Å und mit einer Aluminiumzusammensetzung zwischen etwa 2% und etwa 8%. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht über eine Oberfläche eines Wurtzit-Substrats gebildet, die gegenüber der c-Ebene des Substrats fehlgeschnitten ist. Bei derartigen Ausführungsformen kann das Substrat einigermaßen fehlgeschnitten sein, beispielsweise um zwischen 0° und 5° gegenüber der c-Ebene, oder das Substrat kann weitgehend fehlgeschnitten sein, beispielsweise um zwischen 30° und 50°, 80° und 100°, oder 130° und 150° gegenüber der c-Ebene. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht bei hoher Temperatur gebildet, beispielsweise zwischen 900°C und 1200°C. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht mit Si in einer Konzentration zwischen etwa 3e18 cm^-3 und etwa 5e19 cm^-3 dotiert.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Pufferstruktur zum Gebrauch in einer III-Nitrid- Anordnung, die auf einem SiC-Substrat gebildet ist.
Fig. 2 zeigt eine LED mit einer Keimschicht nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt die relative Lichtextraktionseffizienz von Anordnungen mit einer bestimmten Dicke und Zusammensetzung der Keimschicht.
Fig. 4 zeigt eine Kristallstruktur eines Wurtzit-GaN-basierten Halbleiters.
Fig. 5 ist eine Graphik des piezoelektrischen Feldes, erzeugt in dem Quantentopf als eine Funktion der Wachstumsorientierung für einen Wurtzit-GaN-basierten Halbleiter.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Keimschicht, aufgewachsen auf einem Substrat vor den III-Nitrid-Anordnungsschichten, für Lichtextraktion in das Substrat und für die Oberflächenmorphologie der auf der Keimschicht aufgewachsen Schichten optimiert. Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer Keimschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Keimschicht 21 wird auf dem Substrat 20 gebildet. Das Substrat 20 hat eine Brechzahl größer als 2. Beispiele von Substraten mit einer geeigneten Brechzahl sind SiC und ZnO, das eine Brechzahl von etwa 2,3 hat. Das Substrat 20 wird ebenfalls derart selektiert, dass die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und den Wurtzit-GaN-Kristallschichten kleiner als 5% ist. Beispiele von Substraten mit geeignet nahe beieinander liegenden Gitteranpassungen gegenüber GaN sind SiC und MgScAl₂O₄. Alle hexagonalen Polytypen von SiC sind geeignet zum Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung. Außerdem liegt die Gitteranpassung zwischen kubischen Polytypen von SiC und kubischen GaN-basierten Schichten ebenfalls geeignet nahe beieinander.
Eine oder mehrere n-leitenden Schichten 22 werden über die Keimschicht 21 gebildet. N-leitende Schichten 22 können beispielsweise eine nicht dotierte GaN-Schicht, eine n-leitende Kontaktschicht und eine n-leitende Deckschicht enthalten. N-leitende Schichten 22 werden meistens mit Si dotiert. Ein aktiven Gebiet 23 wird über n-leitende Schichten 22 gebildet. Das aktive Gebiet 23 umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere Quantentöpfe, die durch Sperrschichten voneinander getrennt sind. Eine oder mehrere p-leitende Schichten 24 werden über das aktive Gebiet 23 gebildet. P-leitende Schichten werden meistens mit Mg dotiert.
Wenn das Substrat 20 isolierend oder schlecht leitend ist, werden der p- Kontakt 26 und der n-Kontakt 25 auf derselben Seite der Anordnung gebildet. Im Allgemeinen werden Teile der p-leitenden Schichten 24 und des aktiven Gebietes 23 weggeätzt zum Freilegen des Teils von n-leitenden Schichten 22, auf denen der n-leitende Kontakt 25 abgelagert wird. Wenn das Substrat 20 leitend ist, kann der n-Kontakt auf der Unterseite des Substrats 20 abgelagert werden. Anordnungen aber, die auf leitenden Substraten hergestellt werden, können ebenfalls derart entworfen werden, dass die beiden Kontakte auf derselben Seite der Anordnung liegen, auf der das epitaxiale Material aufgewachsen wird, damit die Lichtextraktion aus dem LEC-Chip verbessert wird, damit die Stromleitkapazität des Chips verbessert wird, oder damit die Wärmeableitung des LED- Farbstoffes verbessert wird. Es gibt zwei Typen von Anordnungen, bei denen der p- und der n-Kontakt auf derselben Seite vorgesehen werden. In der ersten Ausführungsform, die als "flip-chip" bezeichnet wird, wird das Licht durch das Substrat hindurch extrahiert. In der zweiten Ausführungsform wird das Licht durch die Kontakte hindurch extrahiert, die auf der epitaxialen Seite der Anordnung gebildet sind.
Die Keimschicht 21 ist typischerweise AIGaN. Die Dicke, die Al-Zusammensetzung, die Dotierungskonzentration und die Herstellungstemperatur der Keimschicht 21 werden je derart gewählt, dass die Keimschicht 21 die Lichtextraktion der Anordnung verbessert, und zwar dadurch, dass die Brechzahl nahe bei derjenigen des Substrats und der Anordnungsschichten liegt, und für günstige Oberflächeneigenschaften in den Schichten sorgt, die über der Keimschicht 21 aufgewachsen sind. Die Qualität der Oberfläche der Schichten einer Anordnung kann den gesamten Lichtertrag und die Quantumeffizienz beeinflussen. Auf diese Weise kann, indem günstige Oberflächeneigenschaften in den auf der Keimschicht 21 aufgewachsenen Schichten geschaffen werden, die Leistung der LED verbessert werden. Bei einigen Ausführungsformen werden die Eigenschaften der Keimschicht 21 derart gewählt, dass wenigstens 90% des auf die Keimschicht 21 treffenden Lichtes in das Substrat 20 extrahiert wird und derart, dass die RMS-Rauhigkeit der auf der Keimschicht aufgewachsenen Schichten den Wert von 5 nm in einem 10 µm zu 10 µm Abtastgebiet nicht übersteigt.
Die Keimschicht 21 soll einen minimalen Betrag an Al haben, damit ein dreidimensionales Inselwachstum vermieden wird, was einen ungünstigen Einfluss auf die LED-Leistung haben kann, indem eine schlechte Oberflächenmorphologie in den auf der Keimschicht 21 aufgewachsenen Schichten verursacht wird. Je nachdem aber die Al-Zusammensetzung zunimmt, nimmt die Brechzahl der Schicht ab. Fig. 3 zeigt die Al-Zusammensetzung und die Dicke einer AlGaN-Keimschicht, die optimiert wird zum Extrahieren von wenigstens 90% des von den III-Nitrid-Anordnungsschichten ausgestrahlten, auf die Schnittstelle zwischen der Keimschicht und den III-Nitrid-Anordnungsschichten auftreffenden Lichtes. Die Kurve in Fig. 3 zeigt die Begrenzung zwischen Schichten mit einer größeren Extraktion als 90% (das Gebiet unterhalb der Kurve) und Schichten mit einer Extraktion kleiner als 90% (das Gebiet über der Kurve). Die Zusammensetzung von Al in der Keimschicht liegt meistens zwischen etwa 2% und etwa 8%. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Zusammensetzung von Al zwischen etwa 4% und etwa 6%. Die Keimschicht 21 hat meistens eine nominal konstante Zusammensetzung, so dass wenn die Keimschicht 21 sich auf dem Substrat 20 zu bilden anfängt, Al-Atome an der Substratoberfläche "hängen bleiben", was für eine höhere Zusammensetzung von Al grenzend an das Substrat verursacht. So können beispielsweise die ersten 50 Å in einer 1200 Å dicken Schicht eine höhere Al- Zusammensetzung haben als die restlichen 1150 Å.
Die Tabelle 1 zeigt die Brechzahl einiger Al_xGa_1-xN-Schichten. Bei einigen Ausführungsformen hat die Keimschicht 21 eine Brechzahl größer als etwa 2,3. Tabelle 1
Die geeignete Dicke der Keimschicht 21 hat eine Beziehung zu der Al-Zusammensetzung, wie in Fig. 3 dargestellt. Eine Keimschicht mit einer hohen Zusammensetzung von Al soll sehr dünn sein, beispielsweise weniger als 200 Å dick, damit wenigstens 90% des auf die Keimschicht treffenden Lichtes extrahiert wird. Für reduzierte Al-Zusammensetzungen nimmt die gestattete Dicke zu. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Keimschicht 21 zwischen etwa 600 und etwa 2000 Å liegen und beträgt meistens etwa 1000 bis etwa 1200 Å. Die Dicke der Keimschicht ist ebenfalls relatiert an der LED-Leistung und an den Oberflächeneigenschaften von Schichten, die über der Keimschicht 21 aufgewachsen worden sind. Wenn die Dicke der Keimschicht 21 abnimmt, nimmt die Fähigkeit der Keimschicht 21, für die Schichten, die auf der Keimschicht 21 aufgewachsen worden sind, eine günstige Oberflächenmorphologie und eine günstige LED- Leistung zu schaffen, ebenfalls ab. Auf diese Weise schaffen die optischen Eigenschaften der Keimschicht eine obere Grenze für die Al-Zusammensetzung, während die LED-Leistung und die Oberflächeneigenschaften der auf der Keimschicht aufgewachsenen Schichten eine untere Grenze für die Dicke der Keimschicht und eine untere Grenze für die Al- Zusammensetzung schaffen.
Die Keimschicht 21 kann mit einem n-leitenden Dotierungsmittel, wie Si oder einem p-leitenden Dotierungsmittel, wie Mg, dotiert sein. Die Konzentration des Dotierungsmittels in der Keimschicht 21 hat keinen großen Effekt auf die Brechzahl der Keimschicht 21, aber eine zu große Dotierungskonzentration kann die Kristallstruktur der Keimschicht 21 filtern, was die Qualität der auf der Keimschicht 21 aufgewachsenen Schichten beeinträchtigen kann. Meistens wird die Keimschicht 21 mit Si zu einer nominal konstanten Konzentration von 3e18 cm^-3 bis 5e19 cm^-3 dotiert. Die Keimschicht 21 kann auch eine gestaffelte Dotierungskonzentration aufweisen.
Die Temperatur, bei der die Keimschicht 21 aufgewachsen wird, kann die Oberflächenmorphologie der Anordnungsschichten über der Keimschicht beeinflussen. Die Keimschicht 21 wird bei einer hohen Temperatur, beispielsweise zwischen 900°C und 1200°C, aufgewachsen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Keimschicht 21 zwischen 1080°C und 1165°C aufgewachsen. Zur Vereinfachung der Herstellung kann die Keimschicht 21 bei derselben Temperatur wie die auf der Keimschicht 21 gebildeten GaN- Schicht aufwachsen. Das GaN kann beispielsweise bei 1080°C aufwachsen.
Die Tabelle 2 zeigt drei Beispiele von Keimschichten auf einem SiC-Substrat. Tabelle 2
Nachdem die Keimschicht 21 für jedes Beispiel gebildet worden war, wurden Anordnungsschichten, wie diejenigen aus Fig. 2, über jeder Keimschicht hergestellt. Die Beispiele 1 und 2 ergaben beide Anordnungsschichten mit einer guten Oberflächenmorphologie. Das Beispiel 3 ergab Anordnungsschichten mit einer schlechten Oberflächenmorphologie und mit einer schlechten Anordnungsleistung. Die Beispiele 1 und 2 sind in Fig. 3 durch Rauten dargestellt. Das Beispiel 3 ist in Fig. 3 durch X dargestellt.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Keimschichten auf Substraten aufgewachsen, die gegenüber den kristallographischen Hauptflächen, auf denen Licht emittierende Anordnungen meistens aufwachsen, fehlgeschnitten sind. Fig. 4 zeigt eine Wurtzit-Kristallstruktur 10. III-Nitrid Licht emittierende Anordnungen werden oft auf der c-Fläche der Wurtzir-Kristallsubstrate, wie Saphir und SiC, aufgewachsen. Es hat sich herausgestellt, dass das Aufwachsen von III- Nitridschichten auf Substraten, die gegenüber der c-Fläche in der Richtung der m-Fläche oder der a-Fläche fehlgeschnitten sind, Licht emittierende Anordnungen ergibt, die mehr effizient Licht erzeugen. Das Wachstum von III-Nitridanordnungen auf einigermaßen fehlgeschnittenen Substraten ist detailliert beschrieben worden in der Patentanmeldung mit der Nummer 09/797.770 mit dem Titel "Increasing The Brightness Of III-Ntride Light Emitting Devices", eingereicht am 1. März 2001 als Erfindung von Khare u. a. und durch Bezeichnung als hierin aufgenommen betrachtet. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Keimschicht 21 auf einem Substrat aufgewachsen, das aus der C-Fläche fehlgeschnitten ist um zwischen 0° und etwa 5°, meistens zwischen 0° und etwa 1°.
Normale GaN-basierte Kristallschichten haben typischerweise große Polarisationsfelder, verursacht durch die verschiedenen Elektronegativitäten der Atome in dem Kristall und durch die asymmetrische Art des Wurtzits. Polarisationsfelder in den Anordnungsschichten einer Licht emittierenden Anordnung können unerwünschterweise die Energiebänder der Schichten in der Anordnung kippen, was die Effizienz der Anordnung beeinträchtigen kann. Im Allgemeinen wird, je nachdem die Polarisationsfelder in einer Quantentopfschicht einer Anordnung zunehmen, die Effizienz abnehmen. Das Polarisationsfeld in einer Schicht hat wenigstens zwei Komponenten, ein piezoelektrisches Feld und ein spontanes elektrisches Feld.
Das in einem Kristall mit einer Flächenorientierung längs des Bogens 11 in Fig. 4 erzeugte piezoelektrische Feld ist in Fig. 5 dargestellt als eine Funktion des Winkels θ zwischen der {0001} Richtung und der Flächenorientierung. Die in Fig. 5 dargestellten Daten sind für Ga_0,9In_0,1N gefilterte Quantentopfschichten. Das piezoelektrische Feld erreicht seine Maxima in der {0001} Richtung oder in der {000-1} Richtung und hat drei Orientierungen, bei denen das piezoelektrische Feld Null ist. Dasselbe Ergebnis wird für andere Bögen, beispielsweise den Bogen 12, erhalten. Das heißt, das piezoelektrische Feld wird einzigartig durch die Differenz in dem Winkel zwischen der {0001} Richtung und der Flächenrichtung der betreffenden Fläche bestimmt, d. h. das piezoelektrische Feld ist unabhängig von φ.
Aus Fig. 5 dürfte hervorgehen, dass es verschiedene Sätze von Flächen gibt, für die es kein piezoelektrisches Feld gibt: die Flächen von 90° gegenüber der c-Achse, wie beispielsweise die a-Achse, {2-1-10} und die m-Achse {0-110}; und die Flächen um 40° und 140° zu der c-Achse, beispielsweise die Flächen {2-1-14} und {01-12}.
Die Stärke des piezoelektrischen Feldes ist abhängig von der Filterung in und der Zusammensetzung der InGaN gefilterten Quantentopfschicht. Die 90° Flächenorientierung, gemessen aus der {0001} Richtung, wobei das piezoelektrische Feld Null wird, ist nicht stark abhängig von dem Verhältnis von Ga zu In. Außerdem ändern sich für typische InGaN Quantentopfschicht-LEDs die Flächenorientierungen entsprechend den oben beschriebenen 40° und den 140° Orientierungen typischerweise um nicht mehr als etwa 5° gegenüber den 40° und 140° Werten, die für die Zusammensetzung aus Fig. 5 bestimmt wurden.
Wie das Polarisationsfeld ist die Stärke des spontanen elektrischen Feldes in der Wurtzit-Kristallstruktur III-Nitrid-Quantentopfschicht ebenfalls abhängig von der Flächenorientierung der Quantentopfschicht und folglich kann das spontane elektrische Feld auch durch Steuerung der Flächenorientierung minimiert werden. So nähert beispielsweise das spontane elektrische Feld dem Wert Null für eine III-Nitrid-Quantentopfschicht mit nahezu einer a-Flächenorientierung oder einer nahezu m-Flächenorientierung. Solche Flächenorientierungen werden in Winkeln von beispielsweise etwa 80° bis etwa 90° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur gekippt.
Die Stärke des spontanen elektrischen Feldes ist ebenfalls abhängig von der Zusammensetzung der Quantentopfschicht und von der Zusammensetzung der angrenzenden Schichten. Für den Fall von Ga_0,9In_0,1N Quantentopfschichten zwischen GaN Schichten (wie beispielsweise in Fig. 5 betrachtet) ist das piezoelektrische Feld typischerweise viel größer als das spontane elektrische Feld. Folglich wird die Kombination des piezoelektrischen und des spontanen elektrischen Feldes durch das piezoelektrische Feld überherrscht und es kann vorteilhaft sein, eine Flächenorientierung zu wählen, die das piezoelektrische Feld minimiert. Für Quantentopfschichten oder angrenzende Schichten, die aus anderen III-Nitridzusammensetzungen gebildet sind, wie aus Materialien beispielsweise mit Aluminium, kann das spontane elektrische Feld vergleichbar sein mit dem piezoelektrischen Feld oder sogar dieses Feld überherrschen. Wenn das spontane elektrische Feld das piezoelektrische Feld überherrscht, kann es vorteilhaft sein, eine Flächenorientierung zu wählen, die das spontane elektrische Feld minimiert. Wenn das piezoelektrische und das spontane elektrische Feld miteinander vergleichbar sind, kann es vorteilhaft sein, eine Flächenorientierung zu wählen, die das kombinierte Feld minimiert aber nicht unbedingt das spontane oder das piezoelektrische Feld einzeln minimiert.
Auf entsprechende Art und Weise werden in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Keimschichten auf Substraten aufgewachsen, die gewählt worden sind, Polarisationsfelder zu reduzieren. Meistens sind diese Substrate gegenüber der c-Fläche um etwa 40°, 90° oder 140° fehlgeschnitten. Bei Ausführungsformen, die weitgehend fehlgeschnittene Substrate benutzen, muss die Keimschicht 21 bei einer Temperatur aufgewachsen werden, die hoch genug ist, damit die Kristallstruktur der Schicht 21 der Struktur der Oberfläche des Substrats 20, auf dem die Schicht 21 aufgewachsen wird, im Wesentlichen entspricht. Die Herstellung der Licht emittierenden Anordnungen, die auf den Substraten aufgewachsen sind, die gegenüber der c-Ebene um 40°, 90° und 140° fehlgeschnitten sind, damit die Polarisationsfelder in der Anordnung reduziert wird, ist detailliert beschrieben worden in der Patentanmeldung Nr. [Aktenzeichen der Anmelderin: 11040-3PUS] mit dem Titel: "Nitride Semiconductor Device With Reduced Piezoelectric Field", eingereicht an demselben Tag wie die vorliegende Patentanmeldung von Kramers u. a. und durch Bezeichnung als hierin aufgenommen betrachtet.
Dem Fachmann dürften aus der obenstehenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung mehrere Abwandlungen der vorliegenden Erfindung einfallen. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung nur durch den Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche begrenzt werden.

Claims

1. Licht emittierende Anordnung, welche die nachfolgenden Elemente umfasst:
ein Substrat;
eine Keimschicht mit Aluminium, die über dem Substrat liegt; und
eine Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten mit wenigstens einer Licht emittierenden Schicht, wobei die Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten über der Keimschicht liegen;
wobei eine Aluminiumzusammensetzung und eine Dicke der Keimschicht derart gewählt werden, dass wenigstens 90% des Lichtes von den Anordnungsschichten, das auf die Keimschicht trifft, in das Substrat extrahiert wird.

2. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine effektive Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und einer der Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten weniger ist als 5%.

3. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine der Anzahl Anordnungsschichten eine RMS-Rauhigkeit von weniger als 5 nm hat.

4. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Substrat SiC ist.

5. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat und eine Keimschicht über eine Fläche des Substrats mit einer Orientierung zwischen 0° und 5° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur liegt.

6. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat und eine Keimschicht über eine Fläche des Substrats liegt mit einer Orientierung, die gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur in einem Winkel, gewählt aus der Gruppe mit etwa 30° bis etwa 50°, etwa 80° bis etwa 100° und etwa 130° bis etwa 150° gekippt ist.

7. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht AIGaN ist mit einer Al-Zusammensetzung zwischen etwa 2% und etwa 8%.

8. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht AIGaN ist mit einer Al-Zusammensetzung zwischen etwa 4% und etwa 6%.

9. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht eine Dicke zwischen etwa 1000 Å und etwa 1200 Å hat.

10. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht eine Dicke zwischen etwa 600 Å und etwa 2000 Å hat.

11. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht mit Si bis zu einer Konzentration von etwa 3e18 cm 3 bis etwa Sel9 cm³ dotiert ist.

12. Licht emittierende Anordnung, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst:
ein Substrat mit einer Brechzahl über 2;
eine AlGaN-Keimschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, wobei die AlGaN- Keimschicht eine Al-Zusammensetzung zwischen 3% und 8% und eine Dicke zwischen 600 Å und 2000 Å hat; und
eine Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten mit einem aktiven Gebiet, das über der Keimschicht liegt.

13. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei die Keimschicht eine Brechzahl über 2,3 hat.

14. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und einer der Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten kleiner ist als 5%.

15. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Substrat SiC ist.

16. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei die Keimschicht mit Si bis zu einer Konzentration von etwa 3e18 cm^-3 bis etwa 5e19 cm^-3 dotiert ist.

17. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei die Keimschicht AIGaN ist mit einer Al-Zusammensetzung zwischen 4% und etwa 6%.

18. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei die Keimschicht eine Dicke zwischen etwa 1000 Å und 1200 Å hat.

19. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat und die Keimschicht über einer Fläche des Substrats mit einer Orientierung zwischen 0° und 5° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur liegt.

20. Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat und die Keimschicht über einer Fläche des Substrats mit einer Orientierung liegt, die gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur in einem Winkel gewählt aus der Gruppe bestehend aus etwa 30° bis etwa 50°, etwa 80° bis etwa 100°, und etwa 130° bis etwa 150° gekippt ist.

21. Verfahren zum Bilden einer Licht emittierenden Anordnung, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
das Schaffen eines Substrats,
das Bilden einer Keimschicht mit Aluminium, die über das Substrat liegt; und
das Bilden einer Anzahl III-Nitrid-Anordnungsschichten mit einem aktiven Gebiet, das über die Keimschicht liegt;
wobei eine Dicke und eine Aluminiumzusammensetzung der Keimschicht derart gewählt werden, dass 90 des Lichtes von den Anordnungsschichten, das auf die Keimschicht trifft, in das Substrat extrahiert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bildung einer Keimschicht den folgenden Verfahrensschritt umfasst: das Bilden einer AlGaN-Schicht durch metallorganisch chemische Ablagerung aus der Dampfphase bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1200°C.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bilden einer Keimschicht den folgenden Verfahrensschritt umfasst: das Bilden einer AlGaN-Schicht durch metallorganisch chemische Ablagerung aus der Dampfphase bei einer Temperatur zwischen etwa 1080°C und etwa 1165°C.

24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Keimschicht und eine der Anzahl Anordnungsschichten bei derselben Temperatur gebildet werden.

25. Verfahren nach Anspruch 21, wobei:
das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat;
ein Substrat gebildet wird, wobei eine Fläche des Substrats derart bearbeitet wird, dass diese eine Orientierung hat, die zwischen 0° und 5° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur gekippt ist; und
das Bilden einer Keimschicht das Bilden der Keimschicht auf der genannten Fläche des Substrats umfasst.

26. Verfahren nach Anspruch 21, wobei:
das Substrat eine Wurtzit-Kristallstruktur hat;
das Bilden eines Substrats das Bearbeiten einer Fläche des Substrats mit einer Orientierung, die gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur in einem Winkel, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus etwa 30° bis etwa 50°, etwa 80° bis etwa 100° und etwa 130° bis etwa 150° umfasst; und
das Bilden einer Keimschicht das Bilden der Keimschicht auf der genannten Fläche des Substrats umfasst.