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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Nitridhalbleiterlichtemissionselement mit
einer verbesserten Lichtentnahmeeffizienz.
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Stand der Technik
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Nitridhalbleiter
werden verwendet für: beispielsweise blaue LED, die als
Lichtquellen zur Beleuchtung, für Hintergrundlicht oder
dergleichen verwendet werden; mehrfarbige LED; Laserdioden; und dergleichen.
Volumeneinkristalle für Nitridhalbleiter sind jedoch in
der Herstellung schwierig. Stattdessen wird GaN auf einem Aufwachssubstrat
wie etwa einem Saphirsubstrat oder einem SiC-Substrat durch das
MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung)
aufgewachsen.
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Allen
voran werden insbesondere Saphirsubstrate als Aufwachssubstrate
verwendet, welche eine ausgezeichnete Stabilität in der
Hochtemperaturammoniakatmosphäre des epitaktischen Wachstumsvorgangs
zeigen. Die Saphirsubstrate sind jedoch isolierende Substrate und
nicht elektrisch leitend. Demzufolge ist die sandwichartige Ausbildung von
zwei Elektroden auf einem Saphirsubstrat unmöglich. Aus
diesem Grund wird bei der Ausbildung eines Nitridhalbleiters auf
einem Saphirsubstrat das Epitaxiewachstum im Allgemeinen gefolgt
durch ein Ätzen des Substrates zum Freilegen der n-Galliumnitridschicht
und durch das Ausbilden eines n-Kontakts auf der geätzten
Oberfläche. Somit wird eine Struktur ausgebildet, bei der
sich je zwei Elektroden für die p-Seite und die n-Seite
auf derselben Seite einer Oberfläche befinden.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Konfiguration, das heißt einer
Konfiguration, bei der die beiden Elektroden für die p-Seite
und die n-Seite auf derselben Oberfläche ausgebildet sind,
neigen jedoch die elektrischen Ströme dazu, sich auf einen Mesa-Abschnitt
zu konzentrieren, der sich nahe bei der n-Elektrode befindet. Die
Konzentration verhindert eine höhere ESD-Spannung (elektrostatische Entladungsspannung)
des auf dem Saphirsubstrat ausgebildeten Nitridhalbleiters. Zudem
ist eine homogene Strominjektion in die aktive Schicht schwierig.
Diese Schwierigkeit bringt wiederum eine andere Schwierigkeit mit
sich, dass die aktive Schicht Licht gleichmäßig
emittiert. Darüber hinaus benötigt der auf einem
Saphirsubstrat ausgebildete Nitridhalbleiter drahtgebondete Elektroden
auf derselben Oberfläche, sowohl für die p-Elektrode
als auch für die n-Elektrode. Bei einem auf einem leitenden
Substrat ausgebildeten Nitridhalbleiter muss andererseits lediglich
eine drahtgebondete Elektrode entweder für die p-Elektrode
oder die n-Elektrode auf einer einzelnen Oberfläche ausgebildet
werden. Demzufolge weist der auf einem Saphirsubstrat ausgebildete
Nitridhalbleiter eine schmalere effektive Lichtemissionsfläche
als der auf einem leitenden Substrat ausgebildete Nitridhalbleiter
auf.
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Ein
zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems verwendetes
Verfahren bezieht ein Entfernen des Saphirsubstrates zum Freilegen
der n-Galliumnitridschicht und ein Ausbilden einer n-Elektrode darauf
mit ein. Es gibt beispielsweise ein als Laserabhebeverfahren (Laser
Lift Off: nachstehend mit LLO abgekürzt) bekanntes Verfahren.
Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Verbindungskristallschicht
als Nitridhalbleiter auf einer GaN-Pufferschicht ausgebildet, die
auf einem Saphirsubstrat ausgebildet ist. Dann wird ein Excimer-Laser
mit einer Wellenlänge von im Allgemeinen nicht länger
als ungefähr 300 nm mit mehreren hundert mJ/cm2 auf die
Seite des Saphirsubstrates gestrahlt. Die GaN-Pufferschicht wird
somit zersetzt und das Saphirsubstrat sodann entfernt (vergleiche
beispielsweise Patentdruckschrift 1). Der bei diesem Verfahren ausgebildete
Chip ist identisch zu dem unter Verwendung eines GaN-Substrates
ausgebildeten Chip. Demzufolge können die Elektroden auf
entgegen gesetzten Seiten des Substrates ausgebildet werden.
- Patentdruckschrift
1: JP-A-2003-168820
- Patentdruckschrift 2: JP-A-2004-153271
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Erfindungsoffenbarung
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Durch die Erfindung zu lösende
Probleme
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Es
sei ein Fall angenommen, bei dem eine p-Elektrode und eine n-Elektrode
einander gegenüberliegend ausgebildet sind, und bei dem
Licht von der Seite der n-Elektrode herausgeführt wird,
wie bei der vorstehend beschriebenen bekannten Technik. Ein dabei
auftretendes Phänomen, das bereits bekannt ist, ist, dass
der kritische Winkel der Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht
der n-Seite und Luft so klein ist, dass eine Verringerung bei der
Lichtentnahmeeffizienz verursacht wird. Eine Möglichkeit
zur Lösung dieses Problems, das heißt zur Erhöhung
der Lichtentnahmeeffizienz, ist, die Reflexion der Oberfläche
der Elektrode der p-Seite aus Metall zu verwenden. Selbst diese
verwendete Reflexion weist ihre eigenen Probleme auf. Zwischen der
Elektrode auf der p-Seite und der GaN-Schicht der p-Seite muss ein
ohmscher Kontakt erzielt werden. Demzufolge ist das für
die Elektrode verwendbare Metall so eingeschränkt, dass
ein Metall mit hohem Reflexionsvermögen nicht zu diesem
Zweck verwendet werden kann.
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Es
gibt eine bekannte Konfiguration, die auf einen Anstieg der Lichtintensität
abzielt. Bei dieser Konfiguration werden Bragg-Reflexionsschichten (Schichten
mit hohem Reflexionsvermögen) sowohl auf der p-Seite als
auch auf der n-Seite ausgebildet, so dass eine Resonatorstruktur
ausgebildet wird, und Licht aus der Seite der Elektrode auf der
p-Seite entnommenen wird (vergleiche beispielsweise Patentdruckschrift
2). 5 zeigt diese Konfiguration. Gemäß 5 werden
Bragg-Reflexionsschichten (DBR), die jeweils aus einer Mehrfachschicht
ausgebildet sind, sowohl auf der p-Seite als auch auf der n-Seite
innerhalb der Schichten eines auf einem Saphirsubstrat ausgebildeten
Nitridhalbleiters ausgebildet, so dass eine Resonatorstruktur ausgebildet
wird.
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Oben
auf einem Saphirsubstrat 31 werden eine GaN-Schicht 32,
eine DBR-Struktur 33 aus n-AlGaN/GaN, eine zweite aktive
Schicht 34 aus InGaN/GaN, eine n-GaN-Schicht 35,
eine erste aktive Schicht 36 aus InGaN/GaN, eine DBR-Struktur 37 aus
p-AlGaN/GaN und eine p-GaN-Schicht 38 ausgebildet. Die
Bragg-Reflexionsschicht 33 der n-Seite und die Bragg-Reflexionsschicht 37 der
p-Seite bilden zusammen eine Resonatorstruktur aus. Die Bragg-Reflexionsschichten 33 und 37 erhöhen
die Intensität des reflektierten Lichtes, indem die von
den beiden Grenzflächen kommenden Lichtphasen einander
stärken. Mit dieser Struktur kann ein größerer Abschnitt
des von den aktiven Schichten abgestrahlten Lichts innerhalb der
Resonatorstruktur eingeschlossen werden.
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Diese
Resonatorstruktur erzeugt stark gerichtetes Licht und bildet dessen
Strahlen schärfer aus, und ist somit für einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. Diese Struktur ist jedoch
nicht für ein Lichtemissionselement zur Beleuchtung geeignet, das
Licht auf eine große Fläche abstrahlen muss. Das
Umschließen der aktiven Schichten mit den Schichten mit
hohem Reflexionsvermögen verringert zudem die Lichtentnahmeeffizienz.
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Die
Erfindung erfolgte zur Lösung der vorstehend beschriebenen
Probleme und zielt auf die Bereitstellung eines Nitridhalbleiterlichtemissionselementes
ab, das zum Erzielen einer höheren Lichtentnahmeeffizienz
und eines breiteren Beleuchtungswinkels des Ausgangslichtes ungeachtet
des Reflexionsvermögens des für die Elektroden
verwendeten Metalls befähigt ist.
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Maßnahmen zur Lösung
der Probleme
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß nach
Anspruch 1 ein Nitridhalbleiterlichtemissionselement bereitgestellt,
das zumindest mit einer Elektrode für die n-Seite, einer
n-Nitridhalbleiterschicht, einem Lichtemissionsbereich, einer p-Nitridhalbleiterschicht
und einer Elektrode für die p-Seite versehen ist, die in
dieser Reihenfolge ausgebildet sind. Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass die n-Nitridhalbleiterschicht als
Antireflexionsschicht ausgebildet ist, und dass die p-Nitridhalbleiterschicht als
Bragg-Reflexionsschicht ausgebildet ist.
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Ferner
ist erfindungsgemäß nach Patentanspruch 2 ein
Nitridhalbleiterlichtemissionselement bereitgestellt, das zumindest
mit einer Elektrode für die n-Seite, einer n-Nitridhalbleiterschicht,
einem Lichtemissionsbereich, einer p-Nitridhalbleiterschicht und
einer Elektrode für die p-Seite versehen ist, die in dieser
Reihenfolge ausgebildet sind. Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass die n-Nitridhalbleiterschicht als
Bragg-Reflexionsschicht ausgebildet ist, und dass die p-Nitridhalbleiterschicht
als Antireflexionsschicht ausgebildet ist.
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Ferner
wird erfindungsgemäß nach Anspruch 3 das Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach
Anspruch 1 bereitgestellt. Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht aus einer
Mehrfachschicht ausgebildet ist, bei der InGaN-Halbleiterschichten
und GaN-Halbleiterschichten abwechselnd in dieser Reihenfolge ausgehend von
der Seite des Lichtemissionsbereichs ausgebildet sind, und dass
die Bragg-Reflexionsschicht aus einer Mehrfachschicht ausgebildet
ist, bei der AlGaN-Halbleiterschichten und GaN-Halbleiterschichten
abwechselnd in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Lichtemissionsbereiches
ausgebildet sind.
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Ferner
wird erfindungsgemäß nach Patentanspruch 4 das
Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 2 bereitgestellt.
Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht aus einer Mehrfachschicht
ausgebildet ist, bei der AlGaN-Halbleiterschichten und GaN-Halbleiterschichten
abwechselnd in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Lichtemissionsbereiches
ausgebildet sind, und dass die Bragg-Reflexionsschicht aus einer
Mehrfachschicht ausgebildet ist, bei der InGaN-Halbleiterschichten
und GaN-Halbleiterschichten abwechselnd in dieser Reihenfolge ausgehend von
der Seite des Lichtemissionsbereiches ausgebildet sind.
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Ferner
wird erfindungsgemäß nach Anspruch 5 das Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach
Anspruch 3 bereitgestellt. Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der InGaN-Halbleiterschichten
und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem
ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des
emittierten Lichts ausgebildet ist, und dass jede der AlGaN-Halbleiterschichten
und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem
ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λ des
emittierten Lichts ausgebildet ist.
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Ferner
wird erfindungsgemäß nach Anspruch 6 das Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach
Anspruch 4 bereitgestellt. Das bereitgestellte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der AlGaN-Halbleiterschichten
und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem
ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des
emittierten Lichtes ausgebildet ist, und dass jede der InGaN-Halbleiterschichten
und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem
ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λ des
emittierten Lichtes ausgebildet ist.
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Wirkungen der Erfindung
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer n-Nitridhalbleiterschicht
als Antireflexionsschicht durch die Verwendung einer p-Nitridhalbleiterschicht
als Bragg-Reflexionsschicht begleitet, oder die Verwendung einer
n-Nitridhalbleiterschicht als der Bragg-Reflexionsschicht wird begleitet
durch die Verwendung einer p-Nitridhalbleiterschicht als der Antireflexionsschicht.
Demzufolge kann eine höhere Lichtentnahmeeffizienz für
das entweder aus der p-Seite oder aus der n-Seite entnommene Licht
ungeachtet der für die Elektroden verwendeten Metallarten
erzielt werden. Zudem kann das Ausgangslicht einen breiteren Bestrahlungswinkel
aufweisen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Darstellung einer Querschnittsstruktur eines erfindungsgemäßen
Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
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2 zeigt
eine Darstellung einer Schichtstruktur einer Antireflexionsschicht
der n-Seite und einer Bragg-Reflexionsschicht der p-Seite.
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3 zeigt
eine Darstellung von einer weiteren Querschnittsstruktur eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
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4 zeigt
eine Darstellung einer weiteren Schichtstruktur einer Bragg-Reflexionsschicht
von einer n-Seite und einer Antireflexionsschicht von einer p-Seite.
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5 zeigt
eine Darstellung eines Konfigurationsbeispiels von einem bekannten
Nitridhalbleiterlichtemissionselement.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben. 1 zeigt
eine Struktur eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
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Das
Nitridhalbleiterlichtemissionselement weist eine Doppelheterostruktur
auf, bei der eine Antireflexionsschicht 2 der n-Seite und
eine Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite so ausgebildet
sind, dass sie eine aktive MQW-Schicht 3 sandwichartig umgeben,
die als Lichtemissionsbereich dient. Die aktive MQW-Schicht 3 weist
eine mit InGaN/GaN und dergleichen ausgebildete Mehrfachquantentopfstruktur
auf. Eine geschichtete Struktur ist beispielsweise mit Schichten
aus 30 Å dickem In0,17GaN als Topfschichten
und Schichten aus 100 Å dickem undotierten GaN als Barriereschichten
(blockierende Schichten) ausgebildet, die achtmal abgewechselt sind.
Es sei angemerkt, dass die Schichten aus InGaN mit einer In Zusammensetzung
in einem Bereich von 0,5% bis 2% als die Barrierenschichten verwendet
werden können.
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Üblicherweise
wird eine n-Nitridkontaktschicht auf einer n-Nitridhalbleiterschicht
ausgebildet, aber die Antireflexionsschicht 2 der n-Seite
dient auch als diese n-Nitridkontaktschicht. Zudem wird üblicherweise
eine p-Nitridkontaktschicht auf einer p-Nitridhalbleiterschicht
ausgebildet, aber die Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite
dient auch als diese p-Nitridkontaktschicht.
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2 zeigt
im Einzelnen eine geschichtete Struktur der Antireflexionsschicht 2 der
n-Seite und der Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite.
Die n-Antireflexionsschicht 2 ist mit einer geschichteten
Struktur ausgebildet, die mit n-Dotierstoffen aus Si dotierte InGaN-Schichten 2a und
mit n-Dotierstoffen aus Si dotierte GaN-Schichten 2b beinhaltet.
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Alternativ
ist ebenso eine modulierte Dotierung erlaubt. Im Einzelnen sind
nicht beide Schichtarten – die InGaN-Schichten 2a und
die GaN-Schichten 2b – mit den n-Dotierstoffen
dotiert, sondern nur eine der beiden Schichtarten ist mit den Dotierstoffen
dotiert. Zudem ist die vorstehend beschriebene geschichtete Struktur
außerdem eine Übergitterstruktur. Während
es einen großen Unterschied zwischen der Gitterkonstante
von InGaN und der von GaN gibt, weist die Übergitterstruktur
den Effekt auf, dass die Verspannung zwischen InGaN und GaN reduziert wird,
und dass schließlich ein einfacheres Wachstum von InGaN
in der aktiven Schicht ermöglicht wird.
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Die
Schichtreihenfolge in der geschichteten Struktur ist wie folgt.
Zunächst ist auf der aktiven MQW-Schicht 3 eine
der n-InGaN-Schichten 2a ausgebildet, und auf dieser einen
der n-InGaN-Schichten 2a ist eine der n-GaN-Schichten 2b ausgebildet. Dann
ist der Rest der n-InGaN-Schichten 2a und der Rest der
n-GaN-Schichten 2b abwechselnd ausgebildet. Schließlich
ist eine n-Elektrode 1 in Kontakt mit einer der n-GaN-Schichten 2b ausgebildet.
Im Übrigen weist ein AlGaInN-Mischkristallsystem einen größeren
Brechungsindex mit steigendem In-Anteil auf, so dass der Brechungsindex
eines InGaN-Kristalls größer als der eines GaN-Kristalls
ist. Falls demzufolge der Brechungsindex von jeder der n-InGaN-Schichten 2a durch
n1 repräsentiert wird und der Brechungsindex jeder der
n-GaN-Schichten 2b durch n2 repräsentiert ist,
gilt der Zusammenhang n1 > n2.
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Zudem
ist die Antireflexionsschicht 2 der n-Seite das, was als
eine AR-coat-Schicht (Antireflexionsbeschichtung) bezeichnet wird,
und verwendet das Interferenzphänomen zwischen im Wesentlichen mehrfach
reflektierten Lichtstrahlen, die von ihren jeweiligen Grenzflächen
reflektiert sind und von dort kommen. Genauer wird die Intensität
des reflektierten Lichtes durch Verschieben der Phasen von Lichtstrahlen
um 180° reduziert, die von verschiedenen Grenzflächen
reflektiert sind und von dort kommen, so dass sie einander auslöschen.
Aus diesem Grund ist jede der n-InGaN-Schichten 2a und
der n-GaN-Schichten 2b mit einer Schichtdicke H1 ausgebildet,
die durch die folgende Gleichung gegeben ist: H1 = (1/4) × λ × N
(wobei N eine positive ganze Zahl bezeichnet), wobei λ die
Wellenlänge des von der aktiven MQW-Schicht 3 emittierte
Licht bezeichnet.
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Unter
den von einer der n-InGaN-Schichten 2a zu der entsprechenden
der n-GaN-Schichten wandernden Lichtstrahlen weist das Licht, das
senkrecht zu der Grenzfläche eindringt, ein Reflexionsvermögen
R und einen Durchlässigkeitsgrad T auf, die jeweils als
R = {(n1 – n2)/(n1 + n2)}2 und
T = 2 × n1 × n2/(n1 + n2)2 ausgedrückt
werden. Dabei vergrößert ein größeres
n1 den Durchlässigkeitsgrad T.
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Andererseits
wird die Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite als die
p-Nitridhalbleiterschicht ausgebildet. Die Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite
ist mit einer geschichteten Struktur mit AlGaN-Schichten 4a,
die mit p-Dotierstoffen aus Mg dotiert sind, und GaN-Schichten 4b ausgebildet,
die mit p-Dotierstoffen aus Mg dotiert sind, und ist ebenfalls mit
einer Übergitterstruktur ausgebildet.
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Die
Reihenfolge der Schichten in der geschichteten Struktur ist wie
folgt. Zunächst ist unmittelbar unter der aktiven MQW-Schicht 3 eine
der p-AlGaN-Schichten 4a ausgebildet, und unmittelbar unter dieser
einen der p-AlGaN-Schichten 4a ist eine der p-GaN-Schichten 4b ausgebildet.
Dann sind der Rest der p-AlGaN-Schichten 4a und der Rest
der p-GaN-Schichten 4b abwechselnd ausgebildet. Schließlich
ist eine p-Elektrode 5 so ausgebildet, dass sie in Kontakt
mit einer der p-GaN-Schichten 4b steht. Im Übrigen
weist ein AlGaInN-Mischkristallsystem einen sinkenden Brechungsindex mit
steigendem Al-Anteil auf, so dass der Brechungsindex eines AlGaN-Kristalls
kleiner als der eines GaN-Kristalls ist. Falls demzufolge der Brechungsindex
jeder der p-AlGaN-Schichten 4a durch m1 repräsentiert
ist, und der Brechungsindex jede der p-GaN-Schichten 4b durch m2
repräsentiert ist, gilt der Zusammenhang m2 > m1.
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Zudem
verwendet die Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite wie
im Falle der Antireflexionsschicht 2 der n-Seite das Interferenzphänomen
zwischen im Wesentlichen mehrfach reflektierten Lichtstrahlen, die
von ihren jeweiligen Grenzflächen reflektiert sind und
von diesen kommen. Genauer steigt die Intensität des reflektierten
Lichtes durch Verschieben der Phasen der Lichtstrahlen um 360°,
die von verschiedenen Grenzflächen reflektiert sind und von
dort kommen, so dass sie einander verstärken. Aus diesem
Grund ist jede der p-AlGaN-Schichten 4a und der p-GaN-Schichten 4b mit
einer Schichtdicke L1 ausgebildet, die durch die folgende Gleichung
gegeben ist: L1 = (1/2) × λ × M (wobei
M eine positive ganze Zahl bezeichnet), wobei λ die Wellenlänge
des von der aktiven MQW-Schicht 3 emittierte Licht bezeichnet.
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Die
n-Elektrode 1 ist auf der oberen Oberfläche der
Antireflexionsschicht 2 der n-Seite ausgebildet. Die n-Elektrode 1 ist
beispielsweise entweder aus einem Mehrschichtkörper aus
Ti und Al oder aus Al ausgebildet. Zwischen der n-Elektrode 1 und
der Antireflexionsschicht 2 der n-Seite wird ein ohmscher Kontakt
erzielt. Andererseits kann die p-Elektrode 5 aus einer
Mehrfachschicht aus einem Pd/Au-Metall ausgebildet sein. Alternativ
kann die p-Elektrode 5 als eine transparente Elektrode
ausgebildet sein. Dabei wird die p-Elektrode 5 beispielsweise
als eine Elektrode ausgebildet, die einen ohmschen Kontakt unter
Verwendung von mit Ga dotiertem ZnO erzielt. Wenn die p-Elektrode
aus mit Ga dotiertem ZnO ausgebildet ist, welches eine Gitterkonstante
aufweist, die ungefähr gleich zu der von GaN ist, kann
ein günstiger ohmscher Kontakt zwischen der p-Elektrode 5 und
einer der p-GaN-Schichten 4b innerhalb der Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite ohne einen Ausheilvorgang ausgebildet werden, der ansonsten später
durchgeführt würde.
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Eine
Reflexionsschicht 7 ist zur Reflexion des Lichtes ausgebildet,
dass zu der Seite der p-Elektrode 5 herauskommt, und um
das Licht zu der n-Elektrode 1 umzulenken. Das umgelenkte
Licht ist zu entnehmen. Es sei angemerkt, dass die Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite auf der p-Seite ausgebildet ist. Demzufolge wird das meiste
des von der aktiven MQW-Schicht 3 emittierten Lichts zu
der Seite der n-Elektrode 1 reflektiert und umgelenkt, aber
es ist nicht unrealistisch, anzunehmen, dass ein 100%-Anteil des
von der aktiven MQW-Schicht 3 emittierten Lichts von der
Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite reflektiert wird.
Die Reflexionsschicht 7 ist daher ausgebildet, um selbst
den kleinsten Teil des Lichts, der durch die Bragg-Reflexionsschicht 4 passieren
kann, zu reflektieren und Gebrauch davon zu machen. Ein silberweißes
Metall wie etwa Al und Ag, was als Reflektorspiegel dienen kann,
wird als das Material für die Reflexionsschicht 7 verwendet.
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Eine
isolierende Schicht 6 wird in Ringform auf den Kanten des
Chips ausgebildet. Im Falle eines Halbleiterlasers wird die isolierende
Schicht 6 in den beiden Seitenoberflächen des
Chips ausgebildet, so dass eine Resonatorstruktur erhalten wird.
SiN, SOG (Spin On Glass), oder dergleichen wird als Material für
die isolierende Schicht 6 verwendet.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die Reflexionsschicht 7 nicht
unmittelbar auf dem gesamten Teil einer Oberfläche der
p-Elektrode 5 verbunden ist. Stattdessen ist die Reflexionsschicht 7 so
ausgebildet, dass Teile der Reflexionsschicht 7 durch kleine Kontaktlöcher 6a in
unmittelbarem Kontakt mit der p-Elektrode 5 sein können.
Für den Rest der Fläche ist die Reflexionsschicht 7 so
ausgebildet, dass die isolierende Schicht 6 zwischen dem
Teil der Reflexionsschicht 7 und dem entsprechenden Teil
der p-Elektrode 5 angeordnet sein kann. Der Grund für eine
derartige Art der Ausbildung der Reflexionsschicht 7 ist,
dass für den Fall, wenn die p-Elektrode 5 eine
transparente Elektrode ist, das Ausbilden nahezu eines gesamten
Teils einer Oberfläche der p-Elektrode 5 in Kontakt
mit der Reflexionsschicht 7 eine Lichtabsorption verursacht,
die zwischen der p-Elektrode 5 und der Reflexionsschicht 7 stattfindet. Eine
derartige Lichtabsorption führt zu einer Abnahme beim Reflexionsvermögen.
Indem die p-Elektrode 5 nur durch die Kontaktlöcher 6a in
Kontakt mit der Reflexionsschicht 7 steht, wie in dem Fall
von 1, findet demzufolge die Lichtabsorption nur in
dem Abschnitt statt, der den Kontaktlöchern 6a entspricht, und
das Reflexionsvermögen kann hochgehalten werden.
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Eine
Kontaktflächenelektrode 8 aus Au oder dergleichen
ist auf der p-Seite ausgebildet. Die p-Elektrode 5, die
Reflexionsschicht 7 und die Kontaktflächenelektrode 8 sind
miteinander elektrisch verbunden. Eine leitende Verbindungsschicht 9 ist zur
Verbindung der Kontaktflächenelektrode 8 und eines
Trägersubstrats 10 miteinander ausgebildet. Die leitende
Verbindungsschicht 9 kann aus einem Hartlötschichtmaterial
wie etwa einem Lötmittel ausgebildet sein. Im Falle einer
Thermokompressionsverbindung kann die leitende Verbindungsschicht 9 aus
einer vielschichtigen Metallschicht aus Ti und Au, Au alleine, einer
vielschichtigen Metallschicht aus Ti und einer Legierung aus Au
und Sn oder dergleichen ausgebildet sein. Die leitende Verbindungsschicht 9 verbindet
die Kontaktflächenelektrode 8 elektrisch mit dem
Trägersubstrat 10.
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Das
Trägersubstrat 10 ist aus einem leitenden Substrat
mit einer ausgezeichneten Wärmeabstrahlungsbefähigung
ausgebildet. Als leitendes Substrat können Materialien
wie etwa GaN, Si, oder SiC verwendet werden. Alternativ kann Cu
oder dergleichen als Material für einen hoch wärmeleitenden Unterträger
verwendet werden.
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Das
in 1 gezeigte Nitridhalbleiterlichtemissionselement
wird auf eine nachstehend beschriebene Weise ausgebildet. Die Kurzfassung
seiner Herstellungsvorgänge ist wie folgt. Zunächst
wird ein vielschichtiger Halbleiterkörper aus Nitrid oben auf
einem Aufwachssubstrat ausgebildet. Dann wird der vielschichtige
Halbleiterkörper mit einem Trägersubstrat verbunden,
und danach wird das Aufwachssubstrat entweder durch LLO oder durch
einen Poliervorgang entfernt. Dann wird eine n-Elektrode zum Abschluss
der Ausbildung des Nitridhalbleiterlichtemissionselementes ausgebildet.
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Zunächst
wird ein Saphirsubstrat als Aufwachssubstrat verwendet, und das
Saphirsubstrat wird in ein MOCVD-Gerät eingesetzt. Das
Saphirsubstrat wird thermisch gereinigt, indem es einem Wasserstoffgasfluss
ausgesetzt wird, und indem die Temperatur auf etwa 1050°C
erhöht wird. Dann wird die Temperatur auf etwa 600°C
abgesenkt, und eine (nicht dargestellte) GaN-Pufferschicht wird
aufgewachsen. Sodann wird die Temperatur erneut auf etwa 1000°C
angehoben, und Schichten einschließlich der Antireflexionsschicht 2 der
n-Seite und der aktiven MQW-Schicht 3 werden ausgebildet.
Danach wird die Temperatur noch weiter angehoben, und eine Schicht
der Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite wird ausgebildet.
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Wenn
die p-Elektrode 5 als transparente Elektrode ausgebildet
wird, wird eine Schicht einer Elektrode aus mit Ga dotiertem ZnO
durch ein Molekularstrahlepitaxieverfahren ausgebildet, und die
somit ausgebildete Elektrode weist einen spezifischen Widerstand
von ungefähr 2e–4 Ωcm
auf. Dann wird eine Maske mit einem Resistlack oder einer dielektrischen
Schicht wie etwa aus SiO2 ausgebildet, und
ein Mesaätzvorgang wird durch das ICP-Verfahren oder dergleichen
ausgeführt, um eine Chipform auszubilden. Dabei wird der
Mesaätzvorgang so ausgeführt, dass durch die aktive
MQW-Schicht 3 geätzt wird, bis die GaN-Pufferschicht
freigelegt ist. Dann wird der Ätzvorgang gestoppt.
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Danach
wird die isolierende Schicht 6 durch ein P-CVD-Verfahren
oder ein Zerstäubungsverfahren roh ausgebildet. Danach
werden die Kontaktlöcher 6a, welche die ZnO-Elektrode
erreichen, durch ein CF4-Trockenätzverfahren ausgebildet.
Das CF4-Trockenätzverfahren weist eine langsame Ätzrate
für ZnO auf, so dass die ZnO-Elektrode selbst als Ätzstopper
wirkt. Sobald die Kontaktlöcher 6a ausgebildet
worden sind, wird zunächst die Reflexionsschicht 7 ausgebildet,
und dann werden die Kontaktflächenelektrode 8 und
die leitende Verbindungsschicht 9 aufeinander folgend ausgebildet.
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Danach
wird der gestoppte Ätzvorgang unter ähnlichen
Bedingungen wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ätzvorgang
wieder aufgenommen. Dieses Mal fährt der Ätzvorgang
fort, bis das Saphirsubstrat freigelegt ist. Dann wird das Trägersubstrat
eingebracht, und der Wafer wird mit der oberen Oberfläche
des Trägersubstrates 1 durch einen Thermokompressionsverbindungsvorgang
oder dergleichen unter Verwendung der leitenden Verbindungsschicht 9 verbunden.
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Danach
wird ein bei 248 nm oszillierender KrF-Laser von der Seite des Saphirsubstrats
auf die GaN-Pufferschicht gerichtet. Im Falle eines KrF-Lasers liegt
die benötigte Bestrahlungsenergie in einem Bereich von
300 mJ/cm2 bis 400 mJ/cm2.
Nahezu das gesamte 248 nm-Licht kann den Saphir passieren, aber
GaN absorbiert nahezu 100% des Lichtes. Folglich steigt die Temperatur
an der Grenzfläche Saphir/GaN rapide an und das GaN wird
zersetzt, so dass das Saphirsubstrat entfernt werden kann. Nach der
Entfernung des Saphirsubstrates wird das restliche Ga durch eine
Säureätztechnik oder dergleichen eliminiert, und
die n-Elektrode 1 wird ausgebildet. Auf diese Weise wird
die Ausbildung des Nitridhalbleiterlichtemissionselementes gemäß 1 vervollständigt.
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3 zeigt
eine Konfiguration eines Nitridhalbleiterlichtemissionselementes,
das das Licht aus der p-Seite herausführt. Zur Ausbildung
des in 3 gezeigten Nitridhalbleiterlichtemissionselementes
werden oben auf einem leitenden GaN-Substrat 21 in der
angegebenen Reihenfolge eine Bragg-Reflexionsschicht 22 der
n-Seite, eine aktive MQW-Schicht 23, eine Antireflexionsschicht 24 der p-Seite
und eine p-Elektrode 25 ausgebildet. Zuletzt werden die
p-Elektrode 25 und eine n-Elektrode 26 durch ein
Gasphasenabscheideverfahren oder durch Zerstäuben ausgebildet.
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Eine
n-Nitridkontaktschicht und eine p-Nitridkontaktschicht werden üblicherweise
ausgebildet, so dass sie die aktive MQW-Schicht 23 sandwichartig umgeben.
Bei dem in 3 gezeigten Nitridhalbleiterlichtemissionselement
dient jedoch die Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite
ebenfalls als diese n-Nitridkontaktschicht. Zudem dient die Antireflexionsschicht 24 der
p-Seite ebenfalls als die p-Nitridkontaktschicht.
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4 zeigt
im Detail eine geschichtete Struktur der Antireflexionsschicht 24 der
p-Seite und der Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite.
Die Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite ist mit einer geschichteten
Struktur ausgebildet, die mit n-Dotierstoffen aus Si dotierte InGaN-Schichten 22a und
mit n-Dotierstoffen aus Si dotierte GaN-Schichten 22b beinhaltet.
Alternativ ist auch eine modulierte Dotierung erlaubt. Im Einzelnen
sind nicht die beiden Schichtarten – die InGaN-Schichten 2a und
die GaN-Schichten 2b – mit den n-Dotierstoffen
dotiert, sondern nur eine der beiden Schichtarten ist mit den Dotierstoffen
dotiert. Wie bei dem Fall von 2 weist
zudem die Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite ebenfalls
eine Übergitterstruktur auf. Während es eine große
Differenz zwischen der Gitterkonstante von InGaN und der von GaN
gibt, weist die Übergitterstruktur den Effekt der Reduzierung
der Verspannung zwischen InGaN und GaN und schließlich
das Ermöglichen eines erleichterten Wachstums von InGaN
in der aktiven Schicht auf.
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Die
als Lichtemissionsbereich dienende aktive MQW-Schicht 23 weist
eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, bei der InGaN-Topfschichten
und entweder GaN- oder InGaN-Barriereschichten abwechselnd ausgebildet
sind. Beispiele für die Zusammensetzungen jeder Schicht
und der Anzahl von Zyklen, um die Sätze aus zwei Schichtarten
ausgebildet werden, sind dieselben wie die im Falle von 1 angegebenen
jeweiligen Beispiele dafür. Die n-Elektrode 1 wirkt
außerdem zur Reflektion des Lichts, das durch die Bragg-Reflexionsschicht 22 der
n-Seite passieren kann. Die n-Elektrode 1 ist beispielsweise entweder
aus einem vielschichtigen Körper aus Ti und Al oder aus
Al ausgebildet. Zwischen der n-Elektrode 1 und der Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite
wird ein ohmscher Kontakt erzielt. Zur Entnahme des Lichts aus der
Seite der p-Elektrode 5 ist zudem die p-Elektrode als transparente
Elektrode ausgebildet. Eine Elektrode aus mit Ga dotiertem ZnO und
eine ITO-Elektrode sind einige der Beispiele für die p-Elektrode 5.
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Die
Schichtreihenfolge in der Bragg-Reflexionsschicht 22 der
n-Seite ist ähnlich zu der Reihenfolge in der Antireflexionsschicht 2 der
n-Seite gemäß 2. Falls
dabei der Brechungsindex jeder der n-InGaN-Schichten 22a durch
M1 repräsentiert ist, und der Brechungsindex jeder der
n-GaN-Schichten 22b durch M2 repräsentiert ist,
gilt der Zusammenhang M1 > M2.
Die Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite unterscheidet
sich jedoch von der Antireflexionsschicht 2 der n-Seite
in dem nachstehend beschriebenen Punkt. Die Bragg-Reflexionsschicht 22 der n-Seite
ist zur Erhöhung der Intensität des reflektierten
Lichtes durch Verschieben der Phasen von Lichtstrahlen um 360° konfiguriert,
die von verschiedenen Grenzflächen reflektiert werden und
von diesen kommen, so dass sie einander verstärken. Aus
diesem Grund ist jede der n-InGaN-Schichten 22a und der n-GaN-Schichten 22b mit
einer Schichtdicke L2 ausgebildet, die durch die folgende Gleichung
gegeben ist: L2 = (1/2) × λ × K (wobei
K eine positive ganze Zahl bezeichnet), wobei λ die Wellenlänge
des von der aktiven MQW-Schicht 23 emittierten Lichts bezeichnet.
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Die
Antireflexionsschicht 24 der n-Seite ist zudem das, was
eine AR-coat-Schicht (Antireflexionsbeschichtung) genannt wird.
Die Reihenfolge der Schichten in der Antireflexionsschicht 24 der
n-Seite ist ähnlich zu der Reihenfolge der Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite gemäß 2. Falls
dabei der Brechungsindex jeder der p-AlGaN-Schichten 24a durch
N1 bezeichnet ist, und der Brechungsindex jeder der p-GaN-Schichten 24b durch
N2 bezeichnet ist, gilt der Zusammenhang N2 > N1. Die Antireflexionsschicht 24 der
p-Seite unterscheidet sich jedoch von der Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite in dem nachstehend beschriebenen Punkt. Die Antireflexionsschicht 24 der
p-Seite ist zur Verringerung der Intensität der reflektierten
Lichtstrahlen durch Verschieben der Phasen der Lichtstrahlen um
180° konfiguriert, die von verschiedenen Grenzflächen
reflektiert werden und von diesen kommen, so dass sie einander auslöschen.
Aus diesem Grund ist jede der p-AlGaN-Schichten 24a und
der p-GaN-Schichten 24b mit einer Schichtdicke H2 ausgebildet,
die durch die nachstehende Gleichung gegeben ist: H2 = (1/4) × λ × K
(wobei K eine positive ganze Zahl bezeichnet), wobei λ die
Wellenlänge des von der aktiven MQW-Schicht 23 emittierten
Lichts bezeichnet.
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Wie
soweit beschrieben ist, wird eine Antireflexionsschicht (AR-coat-Schicht)
aus einer Mehrfachschicht auf der Seite der Lichtentnahmerichtung des
Lichtemissionsbereichs angeordnet, und eine Bragg-Reflexionsschicht
wird auf der zu der Seite der Lichtentnahmerichtung gegenüberliegenden
Seite des Lichtemissionsbereiches angeordnet. Unter den von dem
Lichtemissionsbereich emittierten Lichtstrahlen erfährt
demzufolge das in Lichtentnahmerichtung fortschreitende Licht einen
reduzierten Reflexionseinfluss. Das in entgegen gesetzter Richtung zu
der Lichtentnahmerichtung fortschreitende Licht wird andererseits
an der Bragg-Reflexionsschicht reflektiert und in die Lichtentnahmerichtung
umgeleitet, so dass die Lichtentnahmeeffizienz verbessert werden
kann.
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Zusammenfassung
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Ein
Nitridhalbleiterlichtemissionselement weist eine verbesserte Lichtentnahmeeffizienz
und einen breiteren Bestrahlungswinkel des ausgehenden Lichts ungeachtet
des Reflexionsvermögens eines für die Elektrode
verwendeten Metalls auf. Eine Antireflexionsschicht 2 der
n-Seite und eine Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite
sind eine aktive MQW-Schicht 3 umfassend ausgebildet, die
als Lichtemissionsbereich dient, und das Nitridhalbleiterlichtemissionselement
weist eine Doppelheterostruktur auf. Oben auf der Antireflexionsschicht 2 der n-Seite
ist eine n-Elektrode 1 ausgebildet. Im Übrigen sind
auf der unteren Seite der Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite eine p-Elektrode 5, eine Reflexionsschicht 7 und
eine Kontaktflächenelektrode 8 ausgebildet, und
die Kontaktflächenelektrode ist mit einem Trägersubstrat 10 mit
einer dazwischen angeordneten leitenden Verbindungsschicht 9 verbunden. Sowohl
die Antireflexionsschicht 2 der n-Seite als auch die Bragg-Reflexionsschicht 4 der
p-Seite dienen außerdem als Kontaktschichten. Die Antireflexionsschicht 2 der
n-Seite ist auf der Seite der Lichtentnahmerichtung angeordnet, während
die Bragg-Reflexionsschicht 4 der p-Seite auf der entgegen
gesetzten Seite zu der Seite der Lichtentnahmeseite angeordnet ist.
Folglich wird die Lichtentnahmeeffizienz verbessert.
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- 1
- n-Elektrode
- 2
- Antireflexionsschicht
der n-Seite
- 3
- aktive
MQW-Schicht
- 4
- Bragg-Reflexionsschicht
der p-Seite
- 5
- p-Elektrode
- 6
- isolierende
Schicht
- 6a
- Kontaktloch
- 7
- Reflexionsschicht
- 8
- Kontaktflächenelektrode
- 9
- leitende
Verbindungsschicht
- 10
- Trägersubstrat
- 21
- GaN-Substrat
- 22
- Bragg-Reflexionsschicht
der n-Seite
- 23
- aktive
MQW-Schicht
- 24
- Antireflexionsschicht
der p-Seite
- 25
- p-Elektrode
- 26
- n-Elektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-168820
A [0005]
- - JP 2004-153271 A [0005]