DE10393949T5

DE10393949T5 - Lichtemittierende Vorrichtung, Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung und LED-Lampe, bei der die Vorrichtung verwendet wird

Info

Publication number: DE10393949T5
Application number: DE10393949T
Authority: DE
Inventors: Takaki Yasuda
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2011-12-01
Also published as: WO2004057682A1; AU2003292584A1; JP4201079B2; CN1742381A; JP2004200523A; TW200418207A; CN100361322C; KR20050091736A; TWI241032B; KR100802452B1

Abstract

Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung weist ein Substrat (1), eine Halbleiterschicht (3) und eine lichtemittierende Schicht (5) auf, und das Substrat ist an einer seiner Flächen unter der Halbleiterschicht mit einer unregelmäßigen Konstruktion versehen, die geneigte laterale Flächen aufweist, welche einen im Bereich von 30° < θ < 60° liegenden Winkel θ zum Substrat bilden, um eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, deren Lichtabstrahlungsfähigkeit erhöht ist.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine nach 35 U.S.C. §111(a) eingereichte Anmeldung, die nach 35 U.S.C. §119(e)(1) das Einreichungsdatum der vorläufigen Anmeldung 60/436471 in Anspruch nimmt, die am 27. Dezember 2002 nach 35 U.S.C. §111(b) eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiode (LED), deren Lichtabstrahlungsgrad erhöht ist, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und eine LED-Lampe, bei der die LED verwendet wird.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine lichtemittierende Vorrichtung, die mit einer verbesserten Effizienz des Energieverbrauchs (externe Quanteneffizienz) versehen ist, war zur Förderung von Energieeinsparungen erstrebenswert. Bei der einem Saphirsubstrat überlagerten GaN-Leuchtdiode betrug die externe Quanteneffizienz der in, der Nähe von 382 nm arbeitenden herkömmlichen Leuchtdiode (LED) nach JP-A 2002-164296 24%. Die externe Quanteneffizienz, das Produkt von ”(interne Quanteneffizienz) × (Spannungseffizienz) × (Lichtabstrahlungsgrad)” lässt sich in die drei Elemente zerlegen. Die zwei Elemente mit Ausnahme der tatsächlich messbaren Spannungseffizienz (etwa 90 bis 95%) können nicht wirklich gemessen werden. Dennoch bleiben die Niveaus dieser Elemente noch zu klären, und die Verbesserung der internen Quanteneffizienz, die sich hauptsächlich auf die Qualität des Kristalls bezog, und die Optimierung der Konstruktion wurden hauptsächlich untersucht. Andererseits wurde als ein Beispiel der hinsichtlich des Lichtabstrahlungsgrads erzielten Verbesserung seit langem ein Verfahren weit verbreitet eingesetzt, bei dem die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Harz und Luft durch Beschichten eines LED-Chips mit einem Harz, dessen Brechungsvermögen nahe bei demjenigen eines Halbleiters liegt, unterdrückt, wodurch ermöglicht wurde, dass das emittierte Licht das Harz wirksam durchdringt, und die Harzoberfläche wurde weiter mit einer sphärischen Form versehen. Als ein Beispiel zur Verwirklichung der Erhöhung des Lichtabstrahlungsgrads auf etwa das Zweifache des gewöhnlichen Niveaus durch Schleifen eines Substrats in Form einer inversen Mesa sei bemerkt, dass Cree Corp., USA, das diese Erhöhung aufweisende Produkt unter der Bezeichnung ”X-Bright series” vertrieben hat.
Zum Implementieren einer Maßnahme, die dazu dient, die Neigung eines Halbleiterkristalls zu Versetzungen zu vermindern, ist ein Verfahren allgemein bekannt geworden, bei dem die Oberfläche eines Halbleiterkristallsubstrats unregelmäßig gemacht wird und dann ermöglicht wird, dass eine Halbleiterschicht aufwächst. Im Fall eines Halbleiters des Nitrids eines Elements der Gruppe III wurde beispielsweise gezeigt, dass die Versetzungsdichte vermindert werden kann, indem Rillen in dem Streifenmuster an der Oberfläche eines Saphirsubstrats gebildet werden und dann darauf ein epitaxiales Wachstum einer GaN-Pufferschicht eingeleitet wird, die leicht bei einer niedrigen Temperatur aufwächst und indem darauf weiter der Halbleiterkristall des Nitrids eines Elements der Gruppe III aufwachsen gelassen wird, der leicht bei einer hohen Temperatur aufwächst. Es wird ausgesagt, dass die Rillen für diese Verringerung der Versetzungsdichte vorzugsweise unter einem Winkel von 60° oder mehr geneigt sind. Es wird jedoch nichts über den Lichtabstrahlungsgrad ausgesagt (siehe beispielsweise JP-A 2002-164296 und K. Tadamoto, u. a., Japanese Journal of Applied Physics, 2001, Band 40, S. L583–L585). Diese Entgegenhaltungen beziehen sich jedoch nicht auf den Lichtabstrahlungsgrad.
Im Allgemeinen war die lichtemittierende Vorrichtung (LED) nicht in der Lage, einen Lichtstrahl mit einem Einfallswinkel, der größer als der Winkel der Totalreflexion ist, von einer lichtemittierenden Schicht nach außen abzustrahlen, weil der Brechungsindex der lichtemittierenden Schicht größer ist als der Brechungsindex des externen Mediums.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem verbesserten Lichtabstrahlungsgrad, indem Unregelmäßigkeiten mit einer zur Grenzfläche zwischen zwei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsvermögen geneigten lateralen Fläche herbeigeführt werden, wodurch ermöglicht wird, dass der totalreflektierte Lichtstrahl nach außen abgestrahlt wird, ein Verfahren zur Herstellung von dieser und eine LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung verwendet wird, bereitzustellen.
Zunächst werden die Umstände, die zur Vervollkommnung der vorliegenden Erfindung geführt haben, nachstehend anhand einer Simulation beschrieben.
Mit dem Ziel, den Lichtabstrahlungsgrad und die interne Quanteneffizienz, die tatsächlich unmessbar sind, zu schätzen, hat der Erfinder den Lichtabstrahlungsgrad einer LED durch optische Simulation geschätzt. Als ein vereinfachtes LED-Modell wurde eine Konstruktion verwendet, die gebildet wurde, indem eine GaN-Schicht mit einer Fläche von 300 μm im Quadrat und einer Dicke von 6,1 μm einem Saphirsubstrat mit einer Fläche von 300 μm im Quadrat und einer Dicke von 100 μm überlagert wurde. Eine Punktlichtquelle, die in der Lage war, Licht isotrop zu emittieren, wurde an einem Punkt in der Mitte des 300 μm aufweisenden Quadrats gebildet, der bis zu einer Tiefe von 0,1 μm von der GaN-Fläche in die GaN-Schicht eindrang. Der Brechungsindex von Saphir betrug n = 1,8, und derjenige von GaN betrug n = 2,7 (wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts 380 nm betrug) oder n = 2,4 (wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts 400 nm betrug), und es wurde angenommen, dass der äußere Teil der beiden Substanzen mit Silikonharz mit einem Brechungsindex von n = 1,4 gefüllt war. Die Brechungsindizes von GaN bei den verschiedenen Wellenlängen wurden bestimmt, indem die im Handel erhältlichen GaN-Volumensubstrate tatsächlichen Messungen unterzogen wurden. Von der Punktlichtquelle wurden zahlreiche Lichtstrahlen in zufällige. Richtungen emittiert (Monte-Carlo-Verfahren). Die Lichtstrahlen wurden an den einzelnen Grenzflächen mit unterschiedlichem Brechungsvermögen in die Lichtstrahlen, die nach der Fresnelschen Formel gebrochen werden, und die reflektierten Lichtstrahlen bei berechneten Verhältnissen verzweigt. Die Anzahl der emittierten Lichtstrahlen betrug 500000, und die Grenze der Verzweigungszyklen war auf 10 gelegt. Die Lichtsammelflächen wurden hypothetisch leicht auf die Harzseiten von den Grenzflächen zwischen dem Harz und jeder der hinteren Fläche des Substrats, der vorderen Fläche der Halbleiterschicht und der lateralen Fläche gelegt, und die Lichtabstrahlungsgrade der einzelnen Lichtsammelflächen wurden berechnet.
Tabelle 1 zeigt die durch Simulation erhaltenen berechneten Ergebnisse der Lichtabstrahlungsgrade von der Oberfläche des Substrats, der Oberfläche des Halbleiters und den lateralen Flächen jeweils in dem Fall, in dem auf dem Substrat
keine unregelmäßige Konstruktion gebildet ist, und in dem Fall, in dem eine in 1 dargestellte unregelmäßige Konstruktion an der Oberfläche des Substrats
gebildet ist. [Tabelle 1]
Aus den Ergebnissen lässt sich entnehmen, dass, wenn das Substrat nicht mit der unregelmäßigen Konstruktion versehen war, der Gesamtwert der Lichtabstrahlungsgrade etwa 55% betrug, wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts 400 nm betrug, und dass er etwa 40% betrug, wenn seine Wellenlänge 382 nm betrug.
Diese Ergebnisse werden auf die im vorstehend erwähnten Journal of Applied Physics offenbarte LED angewendet. In dieser Entgegenhaltung, die sich auf die LED des Halbleiters des Nitrids eines Elements der Gruppe. III bei Verwendung eines Saphirsubstrats bezieht, ist erwähnt, dass die externe Quanteneffizienz 24% beträgt, wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts 382 nm beträgt, und dass sie 30% beträgt, wenn seine Wellenlänge 400 nm beträgt. Unter der Annahme, dass die externe Quanteneffizienz 24% beträgt (24% = interne Quanteneffizienz von 60% × Spannungseffizienz von 95% × Lichtabstrahlungsgrad von 40%) und dass die externe Quanteneffizienz 30% beträgt (30% = interne Quanteneffizienz von 60% × Spannungseffizienz von 90% × Lichtabstrahlungsgrad von 55%), kann die interne Quanteneffizienz, die nicht von der Wellenlänge des emittierten Lichts abhängt, eindeutig als 6% angegeben werden, und die Simulationsergebnisse scheinen im Wesentlichen angemessen zu sein.
Nach dieser Simulation beträgt der Lichtabstrahlungsgrad bei einer Wellenlänge von 400 nm etwa 55% und bei einer Wellenlänge von 382 nm etwa 40%, wodurch angegeben wird, dass er Raum für eine Verbesserung auf das 1,8Fache bzw. das 2,5Fache des gewöhnlichen Niveaus hat. Weiterhin hat die interne Quanteneffizienz Raum zur Verbesserung auf etwa das 1,6Fache des gewöhnlichen Niveaus. Diese Erfindung betrifft den Lichtabstrahlungsgrad unter anderen hier betroffenen Elementen.
Eine detaillierte Analyse der Simulationsergebnisse hat gezeigt, dass, wenn die GaN-Schicht und das Saphirsubstrat mit einem Harz mit einem Brechungsindex n = 1,4 abgedichtet werden, der Lichtstrahl, der die GaN-Schicht und das Saphirsubstrat durchdrungen hat, von dem Harz zu 100% nach außen abgestrahlt wird, und dass eine Antwort auf die Frage, wie die Gruppe der in der GaN-Schicht eingefangenen Lichtstrahlen zu dem Saphirsubstrat und dem Harz abgestrahlt wird, einen wichtigen Schlüssel für die Verbesserung des Lichtabstrahlungsgrads bildet.
Um zu ermöglichen, dass die Lichtstrahlen in der GaN-Schicht das Saphirsubstrat und das Harz durchdringen, ist es nur erforderlich, dass die Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht und dem Substrat geneigt wird und dass verhindert wird, dass die Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf die Grenzfläche den Winkel der Totalreflexion übersteigen. Der optimale Neigungswinkel beträgt 45°. Die Ergebnisse der in dem Fall ausgeführten Berechnung, dass die in 1 dargestellte Konstruktion von Streifen ähnelnden Unregelmäßigkeiten mit einem Neigungswinkel von 45° zur Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht 3 und dem Saphirsubstrat 1 des in Tabelle 1 angegebenen Falls
erzeugt wurde, werden nachstehend dargestellt. Es sei bemerkt, dass der Lichtabstrahlungsgrad von der hinteren und den lateralen Flächen des Saphirs nach außen verbessert wurde, während sich der Lichtabstrahlungsgrad von der Halbleiteroberfläche durch das Harz nach außen nicht stark änderte. Wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts insgesamt 382 nm betrug (Brechungsindex von GaN: 2,7), kann daher erwartet werden, dass der Lichtabstrahlungsgrad auf mindestens das Doppelte des Abstrahlungsgrads im Fall
verbessert wird. In Bezug auf das Verhältnis zwischen der oberen Fläche, der unteren Fläche und den geneigten Flächen der unregelmäßigen Konstruktion sei bemerkt, dass sich die Konstruktion, die die obere Fläche und die untere Fläche nicht aufweist und ausschließlich aus den geneigten Flächen besteht, als vorteilhaft erweist, weil sie den höchsten Lichtabstrahlungsgrad aufweist.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Simulationsergebnisse vervollkommnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung sieht eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht vor, wobei das Substrat und die diesem. überlagerte Halbleiterschicht voneinander im Brechungsvermögen abweichen, das Substrat an einer Fläche, die unter der Halbleiterschicht liegt, mit Unregelmäßigkeiten versehen ist, die geneigte laterale Flächen aufweisen, und die geneigten lateralen Flächen einen im Bereich von 30° < θ < 60° liegenden Winkel θ zum Substrat bilden.
Diese Erfindung sieht auch eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht vor, wobei die überlagerten Halbleiterschichten voneinander verschiedene Brechungsvermögen aufweisen und an einer Grenzfläche mit Unregelmäßigkeiten versehen sind, die geneigte laterale Flächen aufweisen.
Bei der gerade erwähnten lichtemittierenden Vorrichtung bilden die geneigten lateralen Flächen der Unregelmäßigkeiten einen im Bereich von 30° < θ < 60° liegenden Winkel θ zum Substrat.
Bei einer der vorstehend erwähnten lichtemittierenden Vorrichtungen sind die Unregelmäßigkeiten V-förmige Rillen in einem Streifenmuster, lateral geneigte Vorsprünge in einem Streifenmuster oder lateral geneigte Gruben.
Bei einer der vorstehend erwähnten lichtemittierenden Vorrichtungen besteht das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1).
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht vor, bei dem eines der Verfahren der Hochtemperaturbehandlung, des selektiven Ätzens und des Schleifens verwendet wird, um das Substrat auf einer Fläche auf einer Seite, die unter der Halbleiterschicht liegt, mit Unregelmäßigkeiten zu versehen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht vor, bei dem eine Maske zum selektiven Aufwachsenlassen auf einer Fläche des Substrats gebildet wird und auf dem Substrat Halbleitervorsprünge mit geneigten lateralen Flächen gebildet werden, um Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen an einer Grenzfläche der überlagerten Halbleiterschichten zu bilden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht vor, bei dem eines der Verfahren der Hochtemperaturbehandlung, des selektiven Ätzens und des Schleifens verwendet wird, um die Halbleiterschichten auf Flächen von ihnen mit Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen zu versehen, um dadurch Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen an einer Grenzfläche der überlagerten Halbleiter zu bilden.
Die vorliegende Erfindung sieht weiter ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht vor, bei dem eine Maske zum selektiven Aufwachsenlassen auf einer Fläche der Halbleiterschicht gebildet wird und auf der Halbleiterschicht Halbleitervorsprünge mit geneigten lateralen Flächen bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht weiter eine LED-Lampe vor, bei der eine der vorstehend erwähnten lichtemittierenden Vorrichtungen verwendet wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ermöglicht es die vorliegende Erfindung durch Bilden einer unregelmäßigen Konstruktion an der Oberfläche des Substrats der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung oder durch Bilden einer unregelmäßigen Konstruktion mit geneigten lateralen Flächen an der Grenzfläche der Halbleiterschichten, den Lichtabstrahlungsgrad zu erhöhen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein typisches Diagramm, in dem der Zustand dargestellt ist, in dem auf einem Saphirsubstrat, auf dem eine zur optischen Simulation verwendete GaN-Schicht bereitgestellt ist, eine unregelmäßige Konstruktion ausgebildet ist, die laterale Flächen aufweist, die unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die Oberfläche des Substrats geneigt sind.
2 ist ein typisches Diagramm, in dem ein Beispiel der Konstruktion einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß dieser Erfindung dargestellt ist.
3(a) ist ein typisches Diagramm, in dem ein Beispiel der unregelmäßigen Konstruktion dargestellt ist, die auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, welche V-förmige Rillen aufweist.
3(b) ist ein typisches Diagramm, in dem ein Beispiel der unregelmäßigen Konstruktion dargestellt ist, die auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, welche Gruben eines hexagonalen Kegels mit einem trapezförmigen Querschnitt aufweist.
3(c) ist ein typisches Diagramm, in dem ein Beispiel der unregelmäßigen Konstruktion dargestellt ist, die auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, welche dreieckige Vorsprünge in dem Streifenmuster aufweist.
4 ist ein typisches Diagramm, in dem eine LED-Lampe dargestellt ist, bei der die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen auf, die an der Oberfläche eines Substrats oder an der Grenzfläche benachbarter überlagerter Halbleiterschichten ausgebildet sind. Die Reflexion von Licht an der Grenzfläche zwischen einem Substrat und einer diesem überlagerten Halbleiterschicht oder an der Grenzfläche benachbarter überlagerter Halbleiterschichten tritt auf, wenn die überlagerten Schichten eine Änderung des Brechungsvermögens über ihre Grenzfläche zeigen. Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, es zu ermöglichen, dass das Licht so weit wie möglich von der LED nach außen abgestrahlt wird, wenn die beiden Schichten ein unterschiedliches Brechungsvermögen aufweisen.
Der Mechanismus zur Verbesserung des Lichtabstrahlungsgrads, die durch Bereitstellen der vorstehend erwähnten Unregelmäßigkeiten erzielt wird, wird in der detaillierten Beschreibung nicht erklärt. Qualitativ sei bemerkt, dass das an der Überlagerungsgrenzfläche reflektierte Licht, wenn die Grenzfläche flach ist, daraus nicht häufig nach außen austritt, weil dieselbe Bedingung entsprechend der wiederholten Reflexion wiederholt wird. Wenn die Grenzfläche mit den Unregelmäßigkeiten versehen ist, bildet das Licht, sobald es reflektiert wurde und dann auf die Grenzfläche einfallen gelassen wurde, möglicherweise, wenn nicht unweigerlich, einen Winkel, der kleiner ist als der Winkel der Totalreflexion. Es lässt sich daraus ableiten, dass das nach außen austretende Licht schließlich verstärkt wird, wenn diese Situation wiederholt wird.
Bei der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist die Oberfläche des Substrats (die Seite zum Tragen der Halbleiterschicht, die gleiche Bemerkung gilt nachstehend) gemäß dem ersten Aspekt mit Unregelmäßigkeiten versehen, die geneigte laterale Flächen aufweisen, und sind die benachbarten Halbleiterschichten an der Überlagerungsgrenzfläche gemäß dem zweiten Aspekt mit den vorstehend erwähnten Unregelmäßigkeiten versehen. Die in 2 dargestellte LED weist Halbleiterschichten 3, wie Pufferschichten, eine n-leitende Halbleiterschicht 4, eine lichtemittierende Schicht 5, eine p-leitende Halbleiterschicht 6 und dergleichen auf, die einem Substrat 1 überlagert sind. Die Fläche des Substrats 1, auf der die Unregelmäßigkeiten 2 gebildet werden sollen, braucht nicht besonders hervorgehoben zu werden, sondern es ist nur erforderlich, dass es sich dabei um eine der Überlagerungsgrenzflächen zweier benachbarter Halbleiterschichten mit unterschiedlichem Brechungsvermögen handelt. Sie wird vorzugsweise aus den Grenzflächen ausgewählt, die große Wirkungen hervorrufen. Der Ausdruck ”Überlagerungsgrenzfläche von Halbleiterschichten” umfasst die Grenzfläche zwischen einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht.
Typische Konstruktionen von auf dem Substrat ausgebildeten Unregelmäßigkeiten gemäß dieser Erfindung sind in den 3(a) bis 3(c) dargestellt. 3(a) zeigt die Bildung V-förmiger Rillen in dem Streifenmuster an der Oberfläche eines Substrats, 3(b) zeigt die Bildung von Gruben mit einem trapezförmigen Querschnitt, die hexagonalen Kegeln an der Oberfläche eines Substrats ähneln, und 3(c) zeigt die Bildung dreieckiger Vorsprünge aus einem Halbleiter in dem Streifenmuster an der Oberfläche eines Substrats. Das in den Diagrammen dargestellte Symbol θ bezeichnet den von den geneigten lateralen Flächen der Unregelmäßigkeiten in Bezug auf die Oberfläche des Substrats gebildeten Winkel. Der Winkel θ der geneigten lateralen Flächen der an dem Substrat ausgebildeten Unregelmäßigkeiten beträgt am bevorzugtesten 45°. Die geneigten Flächen sind vollständig wirksam, solange dieser Winkel im Bereich 30° < θ < 60° liegt.
Wenngleich der Winkel der geneigten lateralen Flächen der an der Grenzfläche zwischen benachbarten Halbleiterschichten gebildeten Unregelmäßigkeiten nicht besonders eingeschränkt zu werden braucht, ist es bevorzugt, dass er, ähnlich demjenigen beim Substrat, im Bereich 30° < θ < 60° liegt.
Die an dem Substrat gebildeten Unregelmäßigkeiten können so eingerichtet werden, dass sie mit der Ebenenrichtung des Substrats oder der Halbleiterschicht übereinstimmen oder dass sie absichtlich davon abweichen. Die Größe und die Tiefe der Unregelmäßigkeiten können beliebig ausgewählt werden. Weil es vorteilhaft ist, die Oberfläche des Halbleiterkristalls aus dem Nitrid eines Elements der Gruppe III, der an der Grenzfläche zu züchten ist, an der die Unregelmäßigkeiten gebildet werden, abzuflachen, beträgt der Durchmesser der Einsenkungen vorzugsweise 3 μm oder weniger und beträgt die Tiefe der Einsenkungen vorzugsweise 2 μm oder weniger. Das Abflachen kann leicht verwirklicht werden, indem die Bedingungen für das Wachstum der Halbleiterschicht geeignet ausgewählt werden, wie im Nicht-Patentdokument 1 gezeigt ist.
Als konkrete Beispiele des Verfahrens zur Bildung von Unregelmäßigkeiten auf dem Substrat gemäß dieser Erfindung können die Bildung von Gruben durch eine Hochtemperaturbehandlung, die Bildung von Rillen oder Gruben in dem Streifenmuster durch selektives Ätzen und die Bildung von V-förmigen Rillen durch die Verwendung eines Schleifmittels angeführt werden. Der hier verwendete Begriff ”V-förmige Rillen” soll jene, die einen abgeflachten Bodenteil aufweisen, und jene, die mehr oder weniger abgerundete laterale Flächen aufweisen, einschließen. Abgesehen von dieser eingesenkten Form können Vorsprünge mit einem dreieckigen Querschnitt in dem Streifenmuster wie auf dem Substrat gebildet werden, indem das Substrat maskiert wird und der Halbleiter selektiv aufwachsen gelassen wird.
In Bezug auf den Winkel der geneigten Flächen der durch das vorstehende Verfahren gebildeten Unregelmäßigkeiten sei bemerkt, dass die durch das Schleifverfahren gebildeten V-förmigen Rillen einen Winkel aufweisen, der größtenteils in den Bereich von 30° bis 60° fällt, und dass die durch die Hochtemperaturbehandlung erzeugten Gruben einen Winkel aufweisen, der durch die Kristallebene im Wesentlichen auf 58° oder 43° festgelegt ist. Wenn das SiN-Substrat mit einer gegebenen Maske bedeckt wird und der AlN- oder GaN-Halbleiter darauf aufwachsen gelassen wird, haben die dreieckigen Vorsprünge, die danach gebildet werden, einen Neigungswinkel von 58° oder 43°.
Diese Erfindung gestattet die Verwendung von Glas, Si, GaAs und GaP, abgesehen von Saphir, GaN, AlN und SiC für das Substrat. Unter diesen Substanzen erweist sich die Verwendung von Saphir (Al₂O₃) für das Substrat und den Halbleiter des Nitrids eines Elements der Gruppe III für die Halbleiterschicht als besonders vorteilhaft.
Als Ebenenrichtung des Saphirsubstrats können die m-Ebene, die a-Ebene, die c-Ebene usw. verwendet werden. Unter diesen Ebenen erweist sich die c-Ebene (die (0001)-Ebene) als besonders vorteilhaft. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die vertikale Achse der Oberfläche des Substrats in einer spezifischen Richtung gegenüber der <0001>-Richtung geneigt ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das gemäß dieser Erfindung zu verwendende Substrat mit einem organischen Reinigungsmittel oder durch Ätzen vorbehandelt wird, bevor es dem ersten Herstellungsschritt unterzogen wird, weil es dadurch möglich ist, seine Oberfläche in einem festen Zustand zu halten.
Bei der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können das Züchten der n-leitenden Schicht, der p-leitenden Schicht und der lichtemittierenden Schicht, die Bildung der Elektroden und die Harzversiegelung unter Verwendung beliebiger der bereits bekannten Verfahren erreicht werden. Für das Züchten eines Halbleiters durch die Dampfzüchtungstechnik können das Verfahren der metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (MOCVD-Verfahren) und das Verfahren der Dampfphasenepitaxie (VPE-Verfahren) verwendet werden. Bei diesen Verfahren erweist sich das MOCVD-Verfahren als besonders vorteilhaft, weil es in der Lage ist, die unnötige Konstruktion von Unregelmäßigkeiten abzuflachen.
Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf einen Unter-Montageträger 34 gebondet, durch Verdrahtung mit einem Leiterrahmen verbunden und mit Herz gedichtet, um vorteilhafterweise eine LED-Lampe herzustellen, die einer Kanonenkugel ähnelt, wie in 4 dargestellt ist.
Nun wird diese Erfindung nachstehend spezifisch mit Bezug auf Beispiele beschrieben. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
In Beispiel 1 wurde ein Saphirsubstrat mit einer (0001)-Ebene als Oberfläche verwendet. Sandpapier, auf das ein diamantartiges Schleifmittel aufgebracht war, wurde mit gereinigtem Wasser überzogen und gegen das Saphirsubstrat gerieben, das in der <1-100>-Richtung des Saphirsubstrats bewegt wurde, um eine unregelmäßige Konstruktion zu bilden, die linear in etwa in <1-100>-Richtung verlief. Es wurde herausgefunden, dass die Einsenkungen der unregelmäßigen Konstruktion bei Betrachtung unter einem SEM einen dreieckigen Querschnitt (V-förmige Nut) mit einer Breite von 1 μm und einer Tiefe von 0,5 μm aufwiesen. Die zwischen den vorderen Rändern der geneigten Flächen der V-förmigen Rillen und der ebenen Fläche des Substrats gebildeten Winkel θ lagen in. etwa im Bereich von 30° bis 60° bei einer Zentrierung um 45°. Wenn sie unter einem optischen Mikroskop bei einer Vergrößerung von 600 beobachtet wurden, wurde herausgefunden, dass die Verhältnisse der Flächen der ebenen Teile und der Flächen der angekratzten Teile im Durchschnitt 2:1 betrugen.
Das Saphirsubstrat, das so hergestellt war, dass es die vorstehend beschriebenen V-förmigen Rillen aufwies, wurde gründlich gewaschen und in eine MOCVD-Vorrichtung eingebracht. Im ersten Schritt wurde das Saphirsubstrat einer Behandlung unterzogen, bei der das Substrat einem Gas, das eine Gasmischung enthielt, welche aus dem Dampf von Trimethylaluminium (TMAl) und dem Dampf von Trimethylgallium (TMGa) bei einem Molverhältnis von 1:2 bestand, und einem Ammoniak (NH₃) enthaltenden Gas ausgesetzt wurde. Das V/III-Verhältnis unter den im ersten Schritt verwendeten Bedingungen betrug etwa 85. Anschließend wurde das Substrat im zweiten Schritt TMGa und Ammoniak ausgesetzt, um das Wachstum von Galliumnitrid und die schließliche Bildung einer GaN-Schicht aus Galliumnitridkristallen auf dem Saphirsubstrat in einer unregelmäßigen Form zu induzieren.
Der erste und der zweite Schritt zur Herstellung der die GaN-Schicht enthaltenden Probe wurden nach der folgenden Prozedur unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens ausgeführt.
Zuerst wurde, bevor das Saphirsubstrat, dessen Oberfläche in einer unregelmäßigen Form hergestellt war, in die Vorrichtung eingebracht wurde, die während der vorausgehenden Züchtung in derselben Vorrichtung fest am Inneren des Reaktionsofens angebrachte Abscheidung in einem Ammoniak und Wasserstoff enthaltenden Gas erwärmt und nitriert, um die Abscheidung für eine weitere Zersetzung weniger anfällig zu machen. Nachdem der Reaktionsofen auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde das an einem Aufnehmer aus Kohlenstoff, der zum Erwärmen in einem Handschuhkasten verwendet wurde, bei dem die eingeschlossene Luft durch Stickstoffgas ersetzt wurde, angebrachte Saphirsubstrat in einen Reaktionsofen aus Quarz, der innerhalb einer HF-Spule einer Induktionsheizung installiert war, eingebracht. Nach dem Einbringen der Probe wurde das Innere des Reaktionsofens durch Einbringen von Stickstoffgas gereinigt. Nachdem der Stickstoffgasstrom 10 Minuten einwirken gelassen wurde, wurde die Induktionsheizung in Betrieb gesetzt und verwendet, um die Temperatur des Substrats über einen Zeitraum von 10 Minuten auf 1170°C zu erhöhen. Das bei der Temperatur von 1170°C gehaltene Substrat, das Wasserstoff- und Stickstoffgas ausgesetzt wurde, wurde neun Minutenlang stehen. gelassen, um ein thermisches Reinigen der Oberfläche des Substrats zu bewirken.
Während die thermische Reinigung ablief, wurde ein Wasserstoff-Trägergas den Rohrleitungen eines Behälters (Gasspülers), der Trimethylgallium (TMGa) als Rohmaterial enthielt, und eines Behälters (Gasspülers), der Trimethylaluminium (TMAl) enthielt, die beide mit dem Reaktionsofen verbunden waren, zugeführt, um eine Gasspülbehandlung einzuleiten. Die Temperatur von jedem der Gasspüler wurde durch die Verwendung eines Konstanttemperaturbads, das dafür vorgesehen war, die Temperatur einzustellen, auf ein festes Niveau eingestellt. Die durch die Gasspülbehandlung erzeugten TMGa- und TMAl-Dämpfe wurden zusammen mit dem Trägergas den Rohrleitungen einer Entfernungsvorrichtung zugeführt, bis der Züchtungsschritt begann, und sie wurden über eine Entfernungsvorrichtung aus dem System ausgelassen. Nach Beendigung der thermischen Reinigung wurde das Ventil für das Stickstoffträgergas geschlossen, um die Gaszufuhr in das Innere des Reaktionsofens auf zu begrenzen.
Nach dem Umschalten des Trägergases wurde die Temperatur des Substrats auf 1150°C verringert. Nachdem die Stabilisierung dieser Temperatur bei 1150°C bestätigt wurde, wurde das Ventil der Ammoniak-Rohrleitung geöffnet, um das Einfließen von Ammoniak in den Ofen einzuleiten. Anschließend wurden die Ventile der Rohrleitungen für TMGa und der Rohrleitungen für TMAl gleichzeitig geschaltet, um das die TMGa-und TMAl-Dämpfe enthaltende Gas in den Reaktionsofen einzuführen und den ersten Schritt des Aufbringens des Halbleiters des Nitrids eines Elements der Gruppe III auf das Saphirsubstrat einzuleiten. Die zuzuführenden TMGa- und TMAl-Mengen wurden durch eine Flussvolumen-Einstelleinrichtung, die in die für die Gasspülbehandlung verwendeten Rohrleitungen eingebracht war, auf ein Molverhältnis von 2:1 eingestellt, und die Ammoniakmenge wurde so eingestellt, dass das V/III-Verhältnis auf 85 eingestellt wurde.
Nachdem diese Behandlung sechs Minuten lang ausgeführt worden war, wurden die Ventile in den Rohrleitungen für TMGa und die Rohrleitungen für TMAl gleichzeitig umgeschaltet, um die Zufuhr des die TMGa- und TMAl-Dämpfe enthaltenden Gases in den Reaktionsofen zu unterbrechen. Anschließend wurde die Ammoniakzufuhr auch unterbrochen, und der Ofen wurde in dem sich ergebenden Zustand drei Minuten lang stehen gelassen.
Nachdem die Wärmebehandlung drei Minuten lang ausgeführt worden war, wurde das Ventil in den Rohrleitungen für Ammoniakgas umgeschaltet, um die Zufuhr von Ammoniakgas in den Ofen wieder einzuleiten. Es wurde zugelassen, dass der Ammoniakfluss ohne jede Änderung vier Minuten lang fortdauerte. Währenddessen wurde das Flussvolumen von TMGa durch dessen Rohrleitungen mit der relevanten Flussvolumen-Einstelleinrichtung eingestellt. Nach dem Verstreichen von vier Minuten wurde das Ventil für TMGa umgeschaltet, um die Zufuhr von TMGa in den Ofen auszulösen und das Wachstum von GaN einzuleiten. Das Wachstum der GaN-Schicht wurde über einen Zeitraum von etwa drei Stunden fortgesetzt.
Anschließend wurden eine n-leitende Schicht, eine lichtemittierende Schicht und eine p-leitende Schicht nacheinander in der im nächsten Schritt erwähnten Reihenfolge überlagert, um einen epitaxialen Wafer für eine LED zu erzeugen.
Zunächst wurde, während die Zufuhr von TMGa fortgesetzt wurde, die Zufuhr von SiH₄ eingeleitet und die sich ergebende Züchtung einer niedrig Si-dotierten n-leitenden GaN-Schicht etwa eine Stunde und 15 Minuten lang fortgesetzt. Die zuzuführende SiH₄-Menge wurde so eingestellt, dass die Elektronenkonzentration in der niedrig Si-dotierten GaN-Schicht 1 × 10¹⁷ cm^–3 erreichte. Die Dicke der niedrig Si-dotierten GaN-Schicht betrug 2 μm.
Weiterhin wurde auf dieser niedrig Si-dotierten GaN-Schicht eine hoch Si-dotierte n-leitende GaN-Schicht aufwachsen gelassen. Nach dem Aufwachsen der niedrig Si-dotierten GaN-Schicht wurde die Zufuhr von TMGa und SiH₄ in das Innere des Ofens über einen Zeitraum von einer Minute unterbrochen. Während dieser Unterbrechung wurde das Flussvolumen von SiH₄ geändert. Die zuzüführende SiH₄-Menge wurde vorab untersucht und so. eingestellt, dass die Elektronenkonzentration in der hoch Si-dotierten GaN-Schicht 1 × 10¹⁹ cm^–3 erreichte. Die Zufuhr von Ammoniak in den Ofen wurde bei dem unveränderten Flussvolumen fortgesetzt.
Nach der Unterbrechung von einer Minute wurde die Zufuhr von TMGa und SiH₄ wieder aufgenommen, und die sich ergebende Züchtung wurde über den Zeitraum von einer Stunde fortgesetzt. Durch diese Prozedur wurde die hoch Si-dotierte n-leitende GaN-Schicht mit einer Dicke von 1,8 μm gebildet.
Nach dem Aufwachsen der hoch Si-dotierten GaN-Schicht wurden die Ventile für TMGa und SiH₄ umgeschaltet, um die Zufuhr dieser Rohmaterialien in den Ofen zu unterbrechen. Während die Zufuhr von Ammoniak bei dem unveränderten Flussvolumen fortgesetzt wurde, wurden die Ventile umgeschaltet, um das Trägergas von Wasserstoff zu Stickstoff zu wechseln. Anschließend wurde die Temperatur des Substrats von 1160°C auf 830°C abgesenkt.
Während die Temperatur des Inneren des Ofens geändert wurde, wurde die zuzuführende SiH₄-Menge geändert. Die zuzuführende Menge wurde vorab untersucht und so eingestellt, dass die Elektronenkonzentration in der Si-dotierten InGaN-Abdeckungsschicht 1 × 10¹⁷ cm^–3 erreichte. Die Zufuhr von Ammoniak in den Ofen wurde beim unveränderten Flussvolumen fortgesetzt. Die Zufuhr eines Trägergases in die Trimethylindium-(TMIn)- und Triethylgallium-(TEGa)-Gasspüler wurde vorab eingeleitet. Das SiH₄-Gas und die durch das Gasspülen erzeugten TMIn- und TEGa-Dämpfe wurden zusammen mit dem Trägergas in die Rohrleitungen der Entfernungsvorrichtung eingeführt, bis der Schritt zur Züchtung einer Abdeckungsschicht begann, und sie wurden über die Entfernungsvorrichtung in das Äußere des Systems abgegeben.
Anschließend wurden die Ventile für TMIn, TEGa und SiR₄, während der Zustand des Inneren des Ofens stabilisiert wurde, gleichzeitig umgeschaltet, um die Zufuhr dieser Rohmaterialien in das Innere des Ofens einzuleiten. Die Zufuhr wurde über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten fortgesetzt, um eine aus Si-dotiertem In_0,03Ga_0,97N gebildete n-leitende Abdeckungsschicht mit einer Dicke von 100 Å zu bilden.
Anschließend wurden die Ventile für TMIn, TEGa und SiH₄ umgeschaltet, um die Zufuhr dieser Rohmaterialien zu unterbrechen.
Als nächstes wurde eine lichtemittierende Schicht mit einer Mehrfachquantenmuldenkonstruktion aus einer Barrieren Schicht aus GaN und einer Muldenschicht aus In_0,06Ga_0,94N hergestellt. Bei der Herstellung der Mehrfachquantenmuldenkonstruktion wurde zuerst eine Barrierenschicht aus GaN auf einer aus Si-dotiertem In_0,03Ga_0,97N gebildeten n-leitenden Abdeckungsschicht gebildet, und es wurde dann eine Muldenschicht aus In_0,06Ga_0,94N auf der GaN-Barrierenschicht gebildet. Die Bildung dieser Konstruktion wurde bis zu fünf Mal wiederholt, und es wurde dann eine sechste GaN-Barrierenschicht auf der fünften In_0,06Ga_0,94N-Muldenschicht gebildet, um eine Konstruktion zu erzielen, bei der zwei GaN-Barrierenschichten an jede der entgegengesetzten Seiten der Mehrfachquantenmuldenkonstruktion angrenzen.
Insbesondere wurde die Operation nach Beendigung des Aufwachsens der n-leitenden Abdeckungsschicht über einen Zeitraum von 30 Sekunden unterbrochen. Anschließend wurde, während die Temperatur des Substrats, der Druck innerhalb des Ofens und das Flussvolumen und die Art eines Trägergases unverändert gehalten wurden, das Ventil für TEGa umgeschaltet, um TEGa in das Innere des Ofens einzuführen. Nachdem die Zufuhr von TEGa über einen Zeitraum von sieben Minuten fortgesetzt wurde, wurde das Ventil wieder umgeschaltet, um die Zufuhr von TEGa zu unterbrechen und das Wachstum der GaN-Barrierenschicht zu beenden. Anschließend wurde die GaN-Barrierenschicht mit einer Dicke von 70 Å gebildet.
Während das Aufwachsenlassen der GaN-Barrierenschicht fortgesetzt wurde, wurde das Flussvolumen von TMIn in die Rohrleitungen für die Entfernungsvorrichtung im Molverhältnis auf das Doppelte des während des Wachstums der Abdeckungsschicht vorhandenen Flussvolumens eingestellt.
Nachdem das Aufwachsenlassen der GaN-Barrierenschicht abgeschlossen war, wurde die Zufuhr des Rohmaterials der Gruppe III über einen Zeitraum von 30 Sekunden unterbrochen, und während die Temperatur des Substrats, der Druck im Ofen und das Flussvolumen und die Art eines Trägergases unverändert. gehalten wurden, wurden die Ventile für TEGa und TMIn umgeschaltet, um die Zufuhr von TEGa und TMIn in den Ofen zu bewirken. Nachdem die Zufuhr von TEGa und TMIn über einen Zeitraum von zwei Minuten fortgesetzt worden war, wurden die Ventile wieder umgeschaltet, um die Zufuhr von TEGa und TMIn zu unterbrechen und das Aufwachsenlassen der Muldenschicht aus In_0,06Ga_0,94N zu beenden. Folglich wurde die In_0,06Ga_0,94N-Muldenschicht mit einer Dicke von 20 Å gebildet.
Nachdem das Aufwachsenlassen der In_0,06Ga_0,94N-Muldenschicht abgeschlossen worden war, wurde die Zufuhr des Rohmaterials der Gruppe III über einen Zeitraum von 30 Minuten unterbrochen, und während die Temperatur des Substrats, der Druck in dem Ofen und das Flussvolumen und die Art des Trägergases unverändert gehalten wurden, wurde die Zufuhr von TEGa in den Ofen eingeleitet, um das Zuchten der GaN-Barrierenschicht wieder aufzunehmen.
Durch fünfmaliges Wiederholen dieser Prozedur wurden fünf GaN-Barrierenschichten und fünf In_0,06Ga_0,94N-Muldenschichten hergestellt. Weiterhin wurde eine GaN-Barrierenschicht auf der letzten In_0,06Ga_0,94N-Muldenschicht gebildet.
Auf der durch diese GaN-Barrierenschicht fertig gestellten Mehrfachquantenmuldenkonstruktion wurde eine nicht dotierte Al_0,2Ga_0,8N-Diffusionsverhinderungsschicht hergestellt.
Die Zufuhr des Trägergases in den Gasspüler für Trimethylaluminium (TMAl) wurde vorab eingeleitet. Der durch das Gasspülen erzeugte TMAl-Dampf und das Trägergas wurden gemeinsam zur Rohrleitung der Entfernungsvorrichtung vorbewegt, bis der Schritt zum Züchten der Diffusions-Verhinderungsschicht begann, und sie wurden durch die Entfernungsvorrichtung aus dem System ausgestoßen.
Während der Druck in dem Ofen stabilisiert wurde, wurden die Ventile für TEGa und TMAl umgeschaltet, um die Zufuhr dieser Rohmaterialien in den Ofen einzuleiten. Nachdem das sich ergebende Aufwachsenlassen über einen Zeitraum von etwa drei Minuten fortgesetzt worden war, wurde die Zufuhr von TEGa und TMAl unterbrochen, um das Aufwachsenlassen der nicht dotierten Al_0,2Ga_0,8N-Diffusionsverhinderungsschicht zu beenden. Dadurch wurde die nicht dotierte Al_0,2Ga_0,8N-Diffusionsverhinderungsschicht mit einer Dicke von 30 Å gebildet.
Eine aus Mg-dotiertem GaN gebildete p-leitende Abdeckungsschicht wurde auf dieser nicht dotierten Al_0,2Ga_0,8N-Diffusionsverhinderungsschicht hergestellt.
Nachdem das Aufwachsenlassen der nicht dotierten Al_0,2Ga_0,8N-Diffusionsverhinderungsschicht durch Unterbrechen der Zufuhr von TEGa und TMAl beendet worden war, wurde die Temperatur des Substrats über einen Zeitraum von zwei Minuten auf 1100°C erhöht. Weiterhin wurde das Trägergas zu Wasserstoff geändert. Auch die Zufuhr des Trägergases in den Gasspüler für Biscyclopentadienylmagnesium (Cp₂Mg) wurde vorab eingeleitet. Der durch das Gasspülen erzeugte Cp₂Mg-Dampf und das Trägergas wurden zusammen in die Rohrleitungen für die Entfernungsvorrichtung vorbewegt, bis der Schritt des Aufwachsenlassens der Mg-dotierten GaN-Schicht begann, und sie wurden durch die Entfernungsvorrichtung aus dem System ausgestoßen.
Während der Druck in dem Ofen durch die Änderung der Temperatur und des Drucks stabilisiert war, wurden die Ventile für TMGa und Cp₂Mg umgeschaltet, um mit der Zufuhr dieser Rohmaterialien in den Ofen zu beginnen. Die zuzuführende Cp₂Mg-Menge wurde vorab untersucht und so eingestellt, dass die Löcherkonzentration in der aus Mg-dotiertem GaN gebildeten p-leitenden Abdeckungsschicht 8 × 10¹⁷ cm^–3 erreichte. Nachdem das sich ergebende Aufwachsenlassen über einen Zeitraum von etwa sechs Minuten fortgesetzt worden war, wurde das Aufwachsenlassen der Mg-dotierten GaN-Schicht durch Unterbrechen der Zufuhr von TMGa und Cp₂Mg beendet. Dadurch wurde die Mg-dotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 0,15 μm gebildet.
Nach Abschluss des Aufwachsenlassens der Mg-dotierten GaN-Schicht wurde die Zufuhr von Elektrizität zur Induktionsheizung beendet, und die Temperatur des Substrats wurde über einen Zeitraum von zwanzig Minuten auf die normale Zimmertemperatur abfallen gelassen. Während des Abfalls der Aufwachstemperatur auf 300°C bestand das Trägergas in dem Ofen ausschließlich aus Stickstoff, um NH₃ bis zu 1 Volumenprozent zuzuführen. Anschließend wurde die NH₃-Zufuhr unterbrochen, und die Verwendung des ausschließlich aus Stickstoff bestehenden Trägergases in dem Reaktionsofen wurde zu der Zeit eingeleitet, zu der bestätigt wurde, dass die Temperatur des Substrats bei 300°C angekommen war. Der Wafer wurde aus dem Ofen entfernt und in die Umgebungsluft eingebracht, nachdem bestätigt wurde, dass die Temperatur des Substrats auf Zimmertemperatur abgefallen war.
Durch die vorstehend beschriebene Prozedur wurde der mit der Epitaxieschichtkonstruktion versehene epitaxiale Wafer zur Verwendung in einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung hergestellt. Bei diesem Wafer wies die Mg-dotierte GaN-Schicht das p-leitende Verhalten auf, ohne eine zum Aktivieren eines p-Trägers erforderliche Wärmebehandlung durchzumachen.
Anschließend wurde eine Leuchtdiode, welche eine Art einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ist, durch die Verwendung des epitaxialen Wafers mit der dem Saphirsubstrat überlagerten Epitaxieschichtkonstruktion hergestellt. An der Oberfläche der Mg-dotierten GaN-Schicht des hergestellten Wafers wurden eine p-Elektroden-Bondkontaktstelle aus Titan, Aluminium und Gold, die in der vorstehend erwähnten Reihenfolge von der Oberflächenseite nacheinander überlagert waren, und eine transparente p-Elektrode, die ausschließlich aus Au bestand und damit verbunden war, durch die wohlbekannte Photolithographietechnik gebildet, um eine p-seitige Elektrode zu erzeugen.
Weiterhin wurde der Wafer anschließend einem Trockenätzen unterzogen, um den Teil der hoch Si-dotierten GaN-Schicht freizulegen, der die n-seitige Elektrode bildete. Am freigelegten Teil wurde eine aus vier Schichten aus Ni, Al, Ti und Au gebildete n-Elektrode hergestellt.
Bei dem Wafer, bei dem die p-seitige und die n-seitige Elektrode gebildet waren, wie vorstehend beschrieben wurde, wurde eine LED-Lampe mit einer in 4 dargestellten Konstruktion durch die folgende Prozedur hergestellt. Die rückseitige Fläche des Saphirsubstrats wurde auf eine Dicke von 100 μm abgeschliffen, um eine spiegelartige Oberfläche zu bilden. Anschließend wurde der Wafer in Chips in der Form eines Quadrats mit 350 μm zerlegt. Der Chip wurde an einen Unterträger 34 in einer Trägerschale 35 gebondet, wobei der Halbleiter 33 und die Elektrode auf der Unterseite lagen, und mit einem Leiterrahmen vom Elektrodenanschluss am Unterträger 34 verbunden, um eine lichtemittierende Vorrichtung vom Typ einer Flip-Spitze zu erzeugen. Weiterhin wurde die lichtemittierende Vorrichtung mit Silikonharz 31 in einer im Wesentlichen halbkugeligen Form gedichtet, um eine LED-Lampe herzustellen, die einer Kanonenkugel ähnelte, wie in 4 dargestellt ist.
Wenn ein elektrischer Strom von 20 mA in Durchlassrichtung zwischen der p-seitigen und der n-seitigen Elektrode der so hergestellten LED-Lampe fließen gelassen wurde, wurde herausgefunden, dass die Wellenlänge des emittierten Lichts 380 nm betrug, dass die Ausgangsleistung 14,0 mW betrug und dass die Spannung in Durchlassrichtung 3,4 V betrug.
Der noch nicht mit dem Harz abgedichtete LED-Chip wurde einem elektrischen Stromfluss ausgesetzt. Wenn die Oberfläche dieses mit Elektrizität versorgten Chips unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, wurde herausgefunden, dass er über seine gesamte Oberfläche einen Strahl wahrnehmbaren gelben Lichts aussendete, der eine Lichtemission zwischen den tiefen Niveaus von GaN zu sein schien. Bei dieser Lichtemission wurde das Vorhandensein eines linearen Abschnitts mit einer starken Emissionsintensität in der <1-100>-Richtung des Saphirs bestätigt.
Vergleichsbeispiel
In dem vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde eine LED hergestellt, indem im Wesentlichen vollständig der Prozedur aus Beispiel 1 gefolgt wurde, während zugelassen wurde, dass die Saphiroberfläche in einem ebenen Zustand verblieb.
Eine in der Art einer Kanonenkugel geformte LED-Lampe wurde, ähnlich der LED-Lampe aus Beispiel 1, unter Verwendung eines Saphirsubstrats mit einer ebenen Fläche und eines durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 1 gezüchteten epitaxialen Wafers mit LED-Qualität hergestellt. Es wurde herausgefunden, dass diese LED-Lampe, wenn sie einem elektrischen Strom von 20 mA ausgesetzt wurde, Licht mit einer Wellenlänge von 380 nm und einer Ausgangsleistung von 7,8 mW emittierte. Es wurde bestätigt, dass die LED-Lampe aus Beispiel 1 das 1,8Fache der Ausgangsleistung der LED-Lampe dieses Vergleichsbeispiels aufwies.
Beispiel 2
In Beispiel 2 wurde ein Saphirsubstrat, das mit einem AlN-Film mit einer (0001)-Ebene als Oberfläche versehen war und eine Dicke von 1 μm aufwies, verwendet. Indem dieses Substrat einer Hochtemperaturverarbeitung in einer reduzierenden Atmosphäre bei 1400°C unterzogen wurde, wurden in der Art hexagonaler Kegel geformte Gruben und unbestimmte Unregelmäßigkeiten an der AlN-Oberfläche gebildet. Die Gruben wiesen einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 2 μm auf, und bei einem Teil von ihnen mit höheren Größen erreichten die Bodenflächen das Saphirsubstrat, und manche, wenn nicht alle von ihnen, nahmen die Form eines hexagonalen Trapezoids an. Das Verhältnis zwischen der von den Gruben und den unbestimmten Unregelmäßigkeiten belegten Fläche und der von dem ebenen Teil belegten Fläche lag in etwa im Bereich von 1:0,2 bis 1:4. Die geneigten Flächen der hexagonalen Kegel wurden in zwei Arten eingeteilt, wobei die eine Art (11–22) AlN-Ebenen aufwies und die andere Art (1–102) Ebenen davon aufwies. Die zwischen den geneigten Flächen der hexagonalen Kegel und der ebenen Fläche des Substrats gebildeten Winkel θ betrugen 58° bzw. 43°.
Das Saphirsubstrat, das mit dem AlN-Film mit den darauf ausgebildeten Gruben versehen war, wie vorstehend beschrieben wurde, wurde gründlich gewaschen, in eine MOCVD-Vorrichtung eingebracht und darin in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 verarbeitet, um einen epitaxialen Wafer zur Verwendung in einer LED herzustellen.
Eine in der Art einer Kanonenkugel geformte LED-Lampe wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 unter Verwendung des durch das vorstehend beschriebene Verfahren gezüchteten epitaxialen Wafers mit LED-Qualität hergestellt. Wenn diese LED-Lampe einem Stromfluss von 20 mA ausgesetzt wurde, emittierte sie Licht mit einer Wellenlänge von 380 nm und einer Ausgangsleistung von 12,6 mW. Diese Ausgangsleistung stellte eine Erhöhung um das 1,6Fache gegenüber derjenigen aus dem Vergleichsbeispiel dar.
Wenn die Oberfläche der LED unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, während die LED dem Stromfluss ausgesetzt war, wurde herausgefunden, dass sie über ihre gesamte Oberfläche einen Strahl wahrnehmbaren gelben Lichts aussendete, der eine Lichtemission zwischen den tiefen Niveaus von GaN zu sein schien. Im Bereich dieser Lichtemission wurde das Vorhandensein hexagonaler heller Flecke mit einer hohen Emissionsintensität beobachtet.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wurde ein Saphirsubstrat mit einer (0001)-Ebene als Oberfläche verwendet. Auf diesem Substrat wurde eine Maske zum selektiven Aufwachsen gebildet, die aus einem SiN-Film in Form parallel zur <1-100>-Richtung des Saphirs verlaufender Streifen gebildet wurde und eine Linienbreite von 2 μm und eine Zwischenraumbreite von 2 μm aufwies. Das mit der Maske bedeckte Substrat wurde gründlich gewaschen und dann in eine MOCVD-Vorrichtung eingebracht. Anschließend wurde im ersten Schritt ein den Dampf von Trimethylaluminium (TMAl) enthaltendes Gas bei einer erhöhten Temperatur durch die Vorrichtung geleitet und im zweiten Schritt TMAl und Ammoniak durch die Vorrichtung geleitet, um das Aufwachsen von Streifen aus Aluminiumnitrid mit einem dreieckigen Querschnitt herbeizuführen. Die auf diese Weise auf dem Substrat gebildeten Unregelmäßigkeiten wurden mit einer Galliumnitridschicht abgeflacht. Das Substrat wurde dann verarbeitet, um eine LED-Konstruktion herzustellen.
Die Herstellung einer die vorstehend erwähnte AlN-Schicht aufweisenden Probe wurde durch die folgende Prozedur unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens ausgeführt. Zuerst wurde ein Saphirsubstrat in einen Reaktionsofen aus Quarz eingebracht und in einer HF-Spule einer Induktionsheizung installiert. Das Saphirsubstrat wurde an einer Aufnahme aus Kohlenstoff montiert, die für ein Erhitzen in einem Handschuhkasten vorgesehen war, welcher einem Austausch mit Stickstoffgas unterzogen worden war. Nach dem Einbringen der Probe wurde das Innere des Reaktionsofens durch Hindurchführen von Stickstoffgas gereinigt.
Nachdem der Stickstoffgasfluss über einen Zeitraum von zehn Minuten fortgesetzt worden war, wurde die Induktionsheizung in Betrieb gesetzt, um die Temperatur des Substrats über einen Zeitraum von zehn Minuten auf 600°C zu erhöhen. Das Substrat, dessen Temperatur bei 600°C unverändert gehalten wurde, wurde neun Minuten lang stehen gelassen, während der Wasserstoffgasfluss fortgesetzt wurde. Inzwischen wurde das Wasserstoff-Trägergas den Rohrleitungen für den Behälter (Gasspüler), der Trimethylgallium (TMGa) als Rohmaterial enthielt, und den Rohrleitungen für den Behälter (Gasspüler), der Trimethylaluminium (TMAl) als Rohmaterial enthielt, zugeführt, welche beide mit dem Reaktionsofen verbunden wurden, um mit der Gasspülung zu beginnen. Die Temperaturen der Gasspüler wurden unter Verwendung eines Konstanttemperaturbads, das dafür vorgesehen war, die Temperatur einzustellen, vorab auf jeweilige feste Werte gelegt. Die durch die Gasspülung erzeugten TMGa- und TMAl-Dämpfe und das Trägergas wurden zusammen den Rohrleitungen für die Entfernungsvorrichtung zugeführt, bis der Aufwachsschritt begann, und sie wurden durch die Entfernungsvorrichtung aus dem System ausgestoßen. Anschließend wurde das Ventil für das Stickstoff-Trägergas geschlossen, und es wurde die Zufuhr von Wasserstoffgas in das Innere des Reaktionsofens eingeleitet.
Nachdem das Trägergas umgeschaltet worden war, wurde die Temperatur des Substrats auf 1150°C erhöht. Nachdem die Stabilisierung der Temperatur bei 1150°C bestätigt worden war, wurde das Ventil in den Rohrleitungen für TMAl umgeschaltet, um das den TMAl-Dampf enthaltende Gas in den Reaktionsofen einzuleiten. Es wird angenommen, dass zu dieser Zeit infolge der Zersetzung der an der Wand und der Decke des Reaktionsofens haftenden Abscheidung eine kleine Menge Stickstoff zusammen mit TMAl zugeführt wurde. Nach der neun Minuten ausgeführten Behandlung wurde das Ventil in den Rohrleitungen für TMAl umgeschaltet, um die Zufuhr des den TMAl-Dampf enthaltenden Gases in den Reaktionsofen zu unterbrechen. Der Reaktionsofen in dem sich ergebenden Zustand wurde drei Minuten lang unverändert gehalten.
Nach der Wärmebehandlung, die drei Minuten lang fortgesetzt wurde, wurde das Ventil in den Rohrleitungen für Ammoniakgas umgeschaltet, um die Zufuhr von Ammoniakgas in den Ofen einzuleiten. Der Ammoniakfluss wurde vier Minuten lang unverändert gehalten. Inzwischen wurde das Flussvolumen durch die Rohrleitungen für TMAl mit einer Flussvolumen-Einstelleinrichtung eingestellt. Nach Ablauf von vier Minuten wurde das Ventil für TMAl umgeschaltet, um mit der Zufuhr von TMAl in den Ofen zu beginnen und das Aufwachsen von AlN herbeizuführen.
Das Aufwachsenlassen der AlN-Schicht wurde über einen Zeitraum von etwa drei Stunden fortgesetzt. Wenn die an dieser Stufe aus dem Ofen herausgezogene Probe visuell untersucht wurde, wurde herausgefunden, dass AlN-Unregelmäßigkeiten mit einem dreieckigen Querschnitt, deren Scheitelpunkt die in dem Streifenmuster freigelegte Saphiroberfläche erreichte, gebildet worden waren. An dieser Stufe wurde die SiN-Maske mit dem AlN eingebettet. Die geneigten Flächen der Unregelmäßigkeiten waren (1-102)-Ebenen von AlN, die einen Winkel von 43° mit der flachen Fläche des Substrats bildeten. Anschließend wurde das Ventil in den Rohrleitungen für TMAl umgeschaltet, um die Zufuhr von Rohmaterial in den Reaktionsofen zu beenden und das Aufwachsen zu unterbrechen.
Nachdem das Aufwachsenlassen der AlN-Schicht beendet worden war, wurde das Aufwachsenlassen der GaN-Schicht fortgesetzt. Das Aufwachsenlassen wurde drei Stunden lang fortgesetzt, um die aufgewachsene Oberfläche der GaN-Schicht abzuflachen. Anschließend wurden eine n-leitende Schicht, eine lichtemittierende Schicht und eine p-leitende Schicht in der erwähnten Reihenfolge nacheinander darauf überlagert, um einen epitaxialen Wafer zur Verwendung in einer LED zu erzielen.
Eine in der Art einer Kanonenkugel geformte LED-Lampe wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 unter Verwendung des durch das vorstehend beschriebene Verfahren gezüchteten epitaxialen Wafers mit LED-Qualität hergestellt. Wenn diese LED-Lampe einem Stromfluss von 20 mA ausgesetzt wurde, emittierte sie Licht mit einer Wellenlänge von 380 nm und einer Ausgangsleistung von 14,8 mW. Diese Ausgangsleistung stellte eine Erhöhung um das 1,9Fache gegenüber derjenigen aus dem Vergleichsbeispiel dar.
Wenn die Oberfläche der LED (die Saphiroberfläche) unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, während die LED dem Stromfluss ausgesetzt war, wurde herausgefunden, dass sie über ihre gesamte Oberfläche einen Strahl wahrnehmbaren gelben Lichts aussendete, der eine Lichtemission zwischen den tiefen Niveaus von GaN zu sein schien. Im Bereich dieser Lichtemission wurden ein Abschnitt dicker heller Linien mit einer hohen Emissionsintensität in Form von Streifen und ein Abschnitt schwacher, dünner, dunkler Linien beobachtet.
Weil die Verwendung der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung im Höchstfall zur Erhöhung des Lichtabstrahlungsgrads auf etwa das Zweifache des gewöhnlichen Niveaus führt, kann diese lichtemittierende Vorrichtung auch die Lichtemissionsausgabe und den Umwandlungsgrad von Elektrizität in Licht der LED im Höchstfall auf etwa das Zweifache der gewöhnlichen Niveaus erhöhen. Dies trägt nicht nur zur Energieeinsparung bei sondern unterdrückt auch die Wärmeemission der Vorrichtung infolge der Reabsorption von Licht und verbessert die Stabilität des Betriebs und die Nutzungsdauer der LED.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002-164296 A [0003, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Tadamoto, u. a., Japanese Journal of Applied Physics, 2001, Band 40, S. L583–L585 [0004]

Claims

Lichtemittierende Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht, wobei das Substrat und die diesem überlagerte Halbleiterschicht unterschiedliche Brechungsvermögen aufweisen, das Substrat an einer Fläche, die unter der Halbleiterschicht liegt, mit Unregelmäßigkeiten versehen ist, die geneigte laterale Flächen aufweisen, und die geneigten lateralen Flächen einen im Bereich von 30° < θ < 60° liegenden Winkel θ zum Substrat bilden.
Lichtemittierende Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht, wobei die überlagerten Halbleiterschichten unterschiedliche Brechungsvermögen aufweisen und an einer Grenzfläche mit Unregelmäßigkeiten versehen sind, die geneigte laterale Flächen aufweisen.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die geneigten lateralen Flächen der Unregelmäßigkeiten einen im Bereich von 30° < θ < 60° liegenden Winkel θ zum Substrat bilden.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Unregelmäßigkeiten V-förmige Rillen in einem Streifenmuster, lateral geneigte Vorsprünge in einem Streifenmuster oder lateral geneigte Gruben sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Unregelmäßigkeiten V-förmige Rillen in einem Streifenmuster, lateral geneigte Vorsprünge in einem Streifenmuster oder lateral geneigte Gruben sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unregelmäßigkeiten V-förmige Rillen in einem Streifenmuster, lateral geneigte Vorsprünge in einem Streifenmuster oder lateral geneigte Gruben sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5 wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Substrat aus Saphir (Al₂O₃) besteht und die Halbleiterschicht aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht.
Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht, bei dem eines der Verfahren der Hochtemperaturbehandlung, des selektiven Ätzens und des Schleifens verwendet wird, um das Substrat auf einer Fläche auf einer Seite, die unter der Halbleiterschicht liegt, mit Unregelmäßigkeiten zu versehen.
Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht, bei dem eine Maske zum selektiven Aufwachsenlassen auf einer Fläche des Substrats gebildet wird und auf dem Substrat Halbleitervorsprünge mit geneigten lateralen Flächen gebildet werden, um Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen an einer Grenzfläche der überlagerten Halbleiterschichten zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, überlagerten Halbleiterschichten und einer lichtemittierenden Schicht nach Anspruch 2, bei dem eines der Verfahren der Hochtemperaturbehandlung, des selektiven Ätzens und des Schleifens verwendet wird, um die Halbleiterschichten auf Flächen von ihnen mit Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen zu versehen, um dadurch Unregelmäßigkeiten mit geneigten lateralen Flächen an einer Grenzfläche der überlagerten Halbleiter zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Substrat, einer Halbleiterschicht und einer lichtemittierenden Schicht nach Anspruch 2, bei dem eine Maske zum selektiven Aufwachsenlassen auf einer Fläche der Halbleiterschicht gebildet wird und auf der Halbleiterschicht Halbleitervorsprünge mit geneigten lateralen Flächen bereitgestellt werden.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 3 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 4 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 6 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 7 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 9 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 10 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 11 verwendet wird.
LED-Lampe, bei der die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 12 verwendet wird.