DE112007000223T5

DE112007000223T5 - Nitridhalbleiterlichtemissionselement mit einer verbesserten Lichtentnahmeeffizienz

Info

Publication number: DE112007000223T5
Application number: DE112007000223T
Authority: DE
Inventors: Ken Nakahara
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-12-11
Also published as: US8049235B2; TW200742128A; JP5189734B2; CN101375419A; US20100224892A1; JP2007200995A; KR20080087135A; WO2007086366A1

Abstract

Nitridhalbleiterlichtemissionselement, 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, wobei bei dem Nitridhalbleiterlichtemissionselement
die n-Nitridhalbleiterschicht als eine Antireflexionsschicht ausgebildet ist, und
die p-Nitridhalbleiterschicht als eine Bragg-Reflexionsschicht ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Nitridhalbleiterlichtemissionselement mit einer verbesserten Lichtentnahmeeffizienz.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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

Erfindungsoffenbarung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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.
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.
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.
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.
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.
Maßnahmen zur Lösung der Probleme
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wirkungen der Erfindung
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.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Darstellung einer Querschnittsstruktur eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
2 zeigt eine Darstellung einer Schichtstruktur einer Antireflexionsschicht der n-Seite und einer Bragg-Reflexionsschicht der p-Seite.
3 zeigt eine Darstellung von einer weiteren Querschnittsstruktur eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
4 zeigt eine Darstellung einer weiteren Schichtstruktur einer Bragg-Reflexionsschicht von einer n-Seite und einer Antireflexionsschicht von einer p-Seite.
5 zeigt eine Darstellung eines Konfigurationsbeispiels von einem bekannten Nitridhalbleiterlichtemissionselement.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. 1 zeigt eine Struktur eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterlichtemissionselementes.
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 In_0,17GaN 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung
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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-168820 A [0005]
- JP 2004-153271 A [0005]

Claims

Nitridhalbleiterlichtemissionselement, 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, wobei bei dem Nitridhalbleiterlichtemissionselement die n-Nitridhalbleiterschicht als eine Antireflexionsschicht ausgebildet ist, und die p-Nitridhalbleiterschicht als eine Bragg-Reflexionsschicht ausgebildet ist.
Nitridhalbleiterlichtemissionselement, 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, wobei bei dem Nitridhalbleiterlichtemissionselement die n-Nitridhalbleiterschicht als eine Bragg-Reflexionsschicht ausgebildet ist, und die p-Nitridhalbleiterschicht als eine Antireflexionsschicht ausgebildet ist.
Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 1, wobei die Antireflexionsschicht aus einer Mehrfachschicht ausgebildet ist, bei der InGaN-Halbleiterschichten und GaN-Halbleiterschichten abwechselnd in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Lichtemissionsbereiches ausgebildet sind, und 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.
Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 2, wobei 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 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.
Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 3, wobei jede der InGaN-Halbleiterschichten und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des emittierten Lichtes ausgebildet ist, und jede der AlGaN-Halbleiterschichten und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λ des emittierten Lichtes ausgebildet ist.
Nitridhalbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 4, wobei jede der AlGaN-Halbleiterschichten und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des emittierten Lichts ausgebildet ist, und jede der InGaN-Halbleiterschichten und der GaN-Halbleiterschichten mit einer Schichtdicke von einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λ des emittierten Lichts ausgebildet ist.