DE112014001385T5 - Halbleiterlichtemitterstruktur mit einem aktiven Gebiet, das InGaN enthält, und Verfahren für seine Herstellung - Google Patents

Halbleiterlichtemitterstruktur mit einem aktiven Gebiet, das InGaN enthält, und Verfahren für seine Herstellung Download PDF

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Chantal Arena
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Ding Ding
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Abstract

Halbleiterstrukturen enthalten ein aktives Gebiet zwischen mehreren Schichten aus InGaN. Das aktive Gebiet kann wenigstens im Wesentlichen durch InGaN gebildet sein. Die mehreren Schichten aus InGaN enthalten wenigstens eine Topfschicht, die InwGa1-wN umfasst, und wenigstens eine Barriereschicht, die InbGa1-bN umfasst, in der Nähe der wenigstens einen Topfschicht. In einigen Ausführungsformen kann der Wert von w in dem InwGa1-wN der Topfschicht größer oder gleich etwa 0,10 und in einigen Ausführungsformen kleiner oder gleich etwa 0,40 sein und kann der Wert von b in dem InbGa1- bN der wenigstens einen Barriereschicht größer oder gleich etwa 0,01 sein und kleiner oder gleich 0,10 sein. Verfahren zum Bilden von Halbleiterstrukturen enthalten das Wachsen solcher Schichten aus InGaN zum Bilden eines aktiven Gebiets einer Lichtemittervorrichtung wie etwa einer LED. Leuchtvorrichtungen enthalten solche LEDs.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Halbleiterstrukturen und auf Lichtemittervorrichtungen, die aus Halbleiterstrukturen hergestellt sind, die ein aktives Gebiet aufweisen, das InGaN enthält, auf Verfahren zur Herstellung solcher Lichtemittervorrichtungen und auf Vorrichtungen, die solche Lichtemittervorrichtungen enthalten.
  • HINTERGRUND
  • Lichtemittervorrichtungen wie etwa Lichtemitterdioden (LEDs) sind elektrische Vorrichtungen, die elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht emittieren, wenn über ein aktives Gebiet der LED zwischen einer Anode und einer Katode eine Spannung angelegt ist. Üblicherweise umfassen LEDs eine oder mehrere Schichten aus Halbleitermaterial, innerhalb deren Elektronen, die von der Anode zugeführt werden, und Löcher, die von der Katode zugeführt werden, rekombinieren. Während die Elektronen und die Löcher innerhalb des aktiven Gebiets der LED rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt, die von dem aktiven Gebiet der LED emittiert werden.
  • LEDs können so hergestellt werden, dass sie einen weiten Bereich verschiedener Typen von Halbleitermaterialien einschließlich z. B. III-V-Halbleitermaterialien und II-V-Halbleitermaterialien enthalten. Die Wellenlänge des von irgendeiner bestimmten LED emittierten Lichts ist eine Funktion der Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn ein Elektron und ein Loch rekombinieren. Somit ist die Wellenlänge des von der LED emittierten Lichts eine Funktion der relativen Energiedifferenz zwischen dem Energieniveau des Elektrons und dem Energieniveau des Lochs. Die Energieniveaus der Elektronen und die Energieniveaus der Löcher sind wenigstens teilweise eine Funktion der Zusammensetzung der Halbleitermaterialien, des Dotierungstyps und der Dotierungsmittelkonzentration, der Konfiguration (d. h. der Kristallstruktur und der Kristallorientierung) der Halbleitermaterialien und der Qualität der Halbleitermaterialien, innerhalb denen die Rekombination der Elektronen und Löcher stattfindet. Somit kann die Wellenlänge des von einer LED emittierten Lichts durch wahlweises Anpassen der Zusammensetzungen der Konfiguration der Halbleitermaterialien innerhalb der LED wahlweise angepasst werden.
  • Im Gebiet ist es bekannt LEDs herzustellen, die III-V-Halbleitermaterialien wie etwa Gruppe-III-Nitridmaterialien umfassen. Es ist bekannt, dass solche Gruppe-III-Nitrid-LEDs Strahlung in dem blauen und in dem grünen sichtbaren Gebiet des elektromagnetischen Strahlungsspektrums emittieren können, und es ist bekannt, dass sie mit verhältnismäßig hoher Leistung und Helligkeit arbeiten können.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese Zusammenfassung wird gegeben, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen. Diese Konzepte sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Offenbarung ausführlicher beschrieben. Diese Zusammenfassung soll weder Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, noch soll sie verwendet werden, um den Schutzumfang des beanspruchten Gegenstands einzuschränken.
  • In einigen Ausführungsformen enthält die vorliegende Offenbarung eine Halbleiterstruktur, die eine InnGa1-nN-Grundschicht mit einer polaren Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström umfasst. Über der Grundschicht ist ein aktives Gebiet angeordnet und das aktive Gebiet umfasst mehrere Schichten aus InGaN. Die mehreren Schichten aus InGaN enthalten wenigstens eine InwGa1-wN-Topfschicht, wobei 0,01 ≤ w ≤ 0,40 ist, und wenigstens eine InbGa1-bN-Barriereschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist. Ferner enthält die Halbleiterstruktur eine Elektronensperrschicht, die auf einer Seite des aktiven Gebiets, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, angeordnet ist, eine p-Bulk-Schicht, die auf der Elektronensperrschicht angeordnet ist, und eine p-Kontaktschicht, die auf der p-Bulk-Schicht angeordnet ist. Die p-Bulk-Schicht umfasst InpGa1-pN, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist, und die p-Kontaktschicht umfasst IncGa1-cN, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  • In zusätzlichen Ausführungsformen enthält die Offenbarung Lichtemittervorrichtungen, die aus solchen Halbleiterstrukturen hergestellt sind.
  • Zum Beispiel enthält die vorliegende Offenbarung in zusätzlichen Ausführungsformen eine Lichtemittervorrichtung, die eine InnGa1-nN-Grundschicht umfasst, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström aufweist. Über der Grundschicht ist ein aktives Gebiet angeordnet und das aktive Gebiet umfasst mehrere Schichten aus InGaN. Die mehreren Schichten aus InGaN enthalten wenigstens eine Topfschicht und wenigstens eine Barriereschicht. Ferner enthält die Vorrichtung eine Elektronensperrschicht, die über dem aktiven Gebiet angeordnet ist, eine p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht, die über der Elektronensperrschicht angeordnet ist; und eine p-IncGa1-cN-Kontaktschicht, die über der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht angeordnet ist. Darüber hinaus kann eine kritische Formänderungsenergie der Lichtemittervorrichtung etwa 4500 oder weniger sein.
  • In abermals weiteren Ausführungsformen enthält die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Bilden solcher Halbleiterstrukturen und Lichtemittervorrichtungen. Zum Beispiel enthält die vorliegende Offenbarung in einigen Ausführungsformen ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, in der eine InnGa1-nN-Grundschicht vorgesehen ist, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Å aufweist. Es werden mehrere Schichten aus InGaN wachsen gelassen, um über der Grundschicht ein aktives Gebiet zu bilden. Das Wachsen der mehreren Schichten aus InGaN umfasst das Wachsen wenigstens einer InwGa1-w-Topfschicht, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und das Wachsen wenigstens einer InbGa1-bN-Barriereschicht auf der wenigstens einen Topfschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist. Ferner enthält das Verfahren das Wachsen einer Elektronensperrschicht über dem aktiven Gebiet, das Wachsen einer p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht über der Elektronensperrschicht, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist, und das Wachsen einer p-IncGa1-cN-Kontaktschicht über der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer Halbleiterstruktur, die in einem aktiven Gebiet der Halbleiterstruktur in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere InGaN-Topfschichten und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten enthält.
  • 1B ist ein vereinfachtes Diagramm, das die relativen Differenzen der Energieniveaus des Leitungsbands in einem Energiebanddiagramm für die unterschiedlichen Materialien in den verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur aus 1A darstellt.
  • 2A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer anderen Halbleiterstruktur ähnlich der Halbleiterstruktur aus 1A, die aber ferner eine Elektronenstoppschicht zwischen einem aktiven Gebiet und einer Grundschicht der Halbleiterstruktur enthält.
  • 2B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm für die Halbleiterstruktur aus 2A.
  • 3A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer anderen Halbleiterstruktur ähnlich der Halbleiterstruktur aus 1A, die aber ferner zwischen einem aktiven Gebiet und einer Grundschicht der Halbleiterstruktur eine Zugentlastungsschicht enthält.
  • 3B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm für die Halbleiterstruktur aus 3A.
  • 4A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer anderen Halbleiterstruktur ähnlich der Halbleiterstruktur aus 1A, die aber ferner zusätzliche dünne GaN-Barriereschichten innerhalb des aktiven Gebiets der Halbleiterstruktur enthält.
  • 4B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm für die Halbleiterstruktur aus 4A.
  • 5A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer anderen Halbleiterstruktur ähnlich der Halbleiterstruktur aus 1A, die aber ferner eine Topfüberlaufstruktur innerhalb des aktiven Gebiets der Halbleiterstruktur enthält.
  • 5B ist ein vereinfachtes Banddiagramm für die Halbleiterstruktur aus 5A.
  • 6A ist eine vereinfachte Draufsicht einer Zwischenhalbleiterstruktur, die zur Herstellung einer Wachstumsschablone genutzt werden kann, die für die Herstellung von Halbleiterstrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung genutzt wird.
  • 6B ist eine Teilquerschnitts-Seitenansicht der Zwischenhalbleiterstruktur aus 6A.
  • 6C ist eine Teilquerschnitts-Seitenansicht einer Wachstumsschablone, die zur Herstellung von Halbleiterstrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung genutzt werden kann.
  • 6D veranschaulicht Schichten eines Wachstumsstapels, der auf einer Wachstumsschablone wie der aus 6C epitaktisch abgelagert worden ist.
  • 7 ist eine Teilquerschnitts-Seitenansicht einer Lichtemittervorrichtung, die aus Halbleiterstrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellt worden ist.
  • 8 ist eine Teilquerschnitts-Seitenansicht einer zusätzlichen aus Halbleiterstrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellten Lichtemittervorrichtung.
  • 9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der internen Quanteneffizienz und der Gesamtformänderungsenergie von in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung gebildeten Halbleiterstrukturen darstellt.
  • 10A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer zuvor bekannten LED, die InGaN-Topfschichten und GaN-Barriereschichten in einem aktiven Gebiet der LED enthält.
  • 10B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm für die LED aus 10A.
  • 11A ist ein Graph, der berechnete Bandkanten für das Leitungsband und für das Valenzband bei der angelegten Spannung null über das aktive Gebiet der LED aus 10A darstellt, wobei die Berechnungen unter Verwendung eines Computermodells der LED erhalten wurden.
  • 11B ist ein Graph ähnlich dem aus 11A, der aber die berechneten Bandkanten für das Leitungsband und für das Valenzband mit einer wegen einer über das aktive Gebiet angelegten Spannung über das aktive Gebiet der LED fließenden Stromdichte von 125 A/cm2 darstellt.
  • 11C ist ein Graph, der die berechnete Intensität der emittierten Strahlung als Funktion der Wellenlänge für jede InGaN-Quantentopfschicht in der LED aus 11A darstellt.
  • 11D ist ein Graph, der die berechnete Ladungsträgerinjektionseffizienz als Funktion der angelegten Stromdichte über das aktive Gebiet der LED aus 11A darstellt.
  • 11E ist ein Graph, der die berechnete interne Quanteneffizienz als Funktion der angelegten Stromdichte über das aktive Gebiet der LED aus 11A darstellt.
  • 12A ist eine vereinfachte Seitenansicht einer LED der vorliegenden Offenbarung, die ähnlich der aus 1A ist und in einem aktiven Gebiet der LED InGaN-Topfschichten und InGaN-Barriereschichten enthält.
  • 12B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm für die LED aus 12A.
  • 13A ist ein Graph, der berechnete Bandkanten für das Leitungsband und für das Valenzband bei angelegter Spannung null über das aktive Gebiet der LED aus 12A darstellt, wobei die Berechnungen unter Verwendung eines Computermodells der LED erhalten wurden.
  • 13B ist ein Graph ähnlich dem aus 13A, der aber die berechneten Bandkanten für das Leitungsband und für das Valenzband mit einer wegen einer über das aktive Gebiet angelegten Spannung über das aktive Gebiet der LED fließenden Stromdichte von 125 A/cm2 darstellt.
  • 13C ist ein Graph, der die berechnete Intensität emittierter Strahlung als Funktion der Wellenlänge für jede InGaN-Quantentopfschicht in der LED aus 13A darstellt.
  • 13D ist ein Graph, der die berechnete Ladungsträgerinjektionseffizienz als Funktion der angelegten Stromdichte über das aktive Gebiet der LED aus 13A darstellt.
  • 13E ist ein Graph, der die berechnete interne Quanteneffizienz als Funktion der angelegten Stromdichte über das aktive Gebiet der LED aus 13A darstellt.
  • 14 veranschaulicht ein Beispiel einer Leuchtvorrichtung, die eine LED der vorliegenden Offenbarung enthält.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die hier gegebenen Darstellungen sind nicht als tatsächliche Ansichten irgendeines bestimmten Halbleitermaterials, irgendeiner bestimmten Halbleiterstruktur oder irgendeiner bestimmten Halbleitervorrichtung gedacht, sondern lediglich idealisierte Darstellungen, die zur Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden.
  • 1A veranschaulicht eine Ausführungsform eines Halbleitersubstrats 100. Das Halbleitersubstrat 100 umfasst mehrere Gruppe-III-Nitridschichten (z. B. Indiumnitrid, Galliumnitrid, Aluminiumnitrid und ihre Legierungen) und enthält eine Grundschicht 102, eine p-Kontaktschicht 104 und ein aktives Gebiet 106, das zwischen der Grundschicht 102 und der p-Kontaktschicht 104 angeordnet ist, wobei das aktive Gebiet 106 mehrere Schichten aus InGaN umfasst. Außerdem umfasst das aktive Gebiet 106 wenigstens eine InGaN-Topfschicht und wenigstens eine InGaN-Barriereschicht. In einigen Ausführungsformen kann das aktive Gebiet 106 wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch InGaN gebildet sein. Ferner umfasst die Halbleiterstruktur 100 eine Elektronensperrschicht 108, die über dem aktiven Gebiet 106 angeordnet ist, eine p-Bulk-Schicht 110, die über der Elektronensperrschicht 108 angeordnet ist, und eine p-Kontaktschicht 104, die über der p-Bulk-Schicht 110 angeordnet ist.
  • Die Grundschicht 102 kann eine InnGa1-nN-Grundschicht 112 umfassen, wobei eine Wachstumsebene der InnGa1-nN-Grundschicht [engl.: ”baser layer”] 112 eine polare Ebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer etwa 3,2 Angström ist. Wie im Folgenden ausführlich beschrieben ist, kann aus der Halbleiterstruktur 100 eine Lichtemittervorrichtung wie etwa eine Lichtemitterdiode hergestellt werden. Allerdings kann kurz gesagt ein erster Elektrodenkontakt über einem Abschnitt der InnGa1-nN-Grundschicht 112 gebildet sein und ein zweiter Elektrodenkontakt über einem Abschnitt der p-Kontaktschicht 104 gebildet sein, so dass zwischen den Elektrodenkontakten über das aktive Gebiet 106 eine elektrische Spannung zugeführt werden kann, wodurch veranlasst wird, dass von einer aus der Halbleiterstruktur 100 hergestellten Lichtemittervorrichtung elektromagnetische Strahlung (z. B. sichtbares Licht) emittiert wird.
  • Ausführungsformen von Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung, die ein aktives Gebiet enthalten, das wenigstens eine InGaN-Topfschicht und wenigstens eine InGaN-Barriereschicht enthält, können unter Verwendung verschiedener Typen von Verfahren für das Wachsen oder auf andere Weise zum Bilden von Gruppe-III-Nitridschichten wie etwa InGaN hergestellt werden. Als nichteinschränkende Beispiele können die verschiedenen Gruppe-III-Nitridschichten unter Verwendung eines chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses (CVD-Prozesses) und/oder eines metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses (MOCVD) und/oder eines Gasphasenepitaxieprozesses (VPE-Prozesses) und/oder eines Atomlagenabscheidungsprozesses (ALD-Prozesses) und/oder eines Hybridgasphasenepitaxieprozesses (HVPE-Prozesses) und/oder eines Molekularstrahlepitaxieprozesses (MPE-Prozesses) und/oder eines Atomlagenabscheidungsprozesses (ALD-Prozesses) und/oder eines chemischen Strahlepitaxieprozesses (CBE-Prozesses) usw. wachsen gelassen oder auf andere Weise abgelagert werden.
  • In einigen Ausführungsformen können für das Wachsen oder Ablagern der verschiedenen Schichten eines Gruppe-III-Nitrids auf andere Weise Verfahren verwendet werden, wie sie in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2010/0176490 A1, veröffentlicht am 15. Juli 2010 im Namen von Letertre u. a., und/oder in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2010/0109126, veröffentlicht am 6. Mai 2010 im Namen von Arena, und/oder in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2012/0211870, veröffentlicht am 23. August 2012 im Namen von Figuet, und/oder in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2012/0225539, veröffentlicht am 6. September 2012 im Namen von Figuet, offenbart sind. Diese Verfahren können die Herstellung von Gruppe-III-Nitridschichten wie etwa InGaN-Schichten (und anderen optionalen Gruppe-III-Nitridschichten) mit Zusammensetzungen und Dicken, wie sie im Folgenden beschrieben sind, ermöglichen. Diese Verfahren können genutzt werden, um eine Wachstumsschablone 113 zu bilden, auf der nachfolgende Gruppe-III-Nitridschichten gebildet werden können.
  • Anhand von 6A bis 6C wird im Folgenden kurz ein Beispiel eines solchen Verfahrens beschrieben, das zur Herstellung der Wachstumsschablone 113 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden kann.
  • 6A ist eine Draufsicht einer Zwischenhalbleiterstruktur 650, die bei der Bildung der Wachstumsschablone 113 (aus 1A) genutzt wird, auf der eine oder mehrere Halbleiterstrukturen und nachfolgende Lichtemittervorrichtungen der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden können, und 6B ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Abschnitts der Zwischenhalbleiterstruktur 650, die bei der Bildung der Wachstumsschablone 113 genutzt wird. Die Wachstumsschablone 113 kann wie in der obenerwähnten US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2010/0176490 A1 und/oder in der obenerwähnten US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2010/0109126 offenbart hergestellt werden. Wie darin offenbart ist, kann die Zwischenhalbleiterstruktur 650 ein Opfersubstrat 652, eine Schicht aus elastischem Material 654, die auf dem Opfersubstrat 652 angeordnet ist, und eine oder mehrere InsGa1-sN-Keimschichten 656, die jeweils eine Schicht eines Gruppe-III-Nitridmaterials umfassen, die über dem elastischen Material 654 angeordnet ist, enthalten. Die eine oder die mehreren InsGa1-sN-Keimschichten 656 können als ein ”Keim” verwendet werden, auf dem die verschiedenen hier beschriebenen nachfolgenden Schichten der Halbleiterstruktur 100 gebildet werden können.
  • Die Anfangs-InsGa1-sN-Keimschicht kann auf einem Anfangswachstumssubstrat gebildet werden und nachfolgend unter Nutzung von Verfahren wie etwa Ionenimplantation, Bonden und nachfolgende Trennung eines Abschnitts der Anfangs-InsGa1-sN-Keimschicht (nicht gezeigt) auf das Opfersubstrat 652 übertragen werden. Das Anfangswachstumssubstrat kann ein Wachstumssubstrat umfassen, das dadurch charakterisiert ist, dass es mit der Anfangs-InsGa1-sN-Keimschicht eine Wachstumsebenen-Gitterfehlanpassung aufweist, so dass die InsGa1-sN-Keimschicht auf gespannte [engl.: ”stained”] Weise gebildet wird. Zum Beispiel kann das Anfangswachstumssubstrat ein Saphirsubstrat umfassen, das eine polare Gallium-GaN-Keimschicht enthält, so dass die gebildete InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Gallium-InsGa1-sN-Keimschicht umfasst, die einer Zugspannung ausgesetzt ist.
  • Die Anfangs-InsGa1-sN-Keimschicht kann in der Weise gebildet werden oder wachsen, dass die InsGa1-sN-Keimschicht eine Wachstumsebene umfasst, die eine polare Ebene der Gruppe-III-Nitride umfasst. Zum Beispiel kann die Wachstumsebene in der Weise gebildet werden, dass die InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Galliumebene umfasst. Außerdem kann die Anfangs-InsGa1-sN-Keimschicht in der Weise wachsen gelassen oder auf andere Weise gebildet werden, dass die Zusammensetzung der InsGa1-sN-Keimschicht derart ist, dass 0,05 ≤ s ≤ 0,10 gilt. Die InsGa1-sN-Keimschicht kann ebenfalls auf eine Dicke von mehr als etwa zweihundert Nanometern (200 nm) wachsen gelassen oder auf andere Weise gebildet werden. Allerdings wird die InsGa1-sN-Keimschicht in der Weise gebildet, dass die InsGa1-sN-Keimschicht die kritische Dicke der InsGa1-sN-Keimschicht, die diejenige Dicke ist, bei der sich die Spannung in der InsGa1-sN-Keimschicht durch die Bildung zusätzlicher Fehlstellen entspannt, nicht übersteigt. Diese Erscheinung wird im Gebiet üblicherweise als Phasentrennung bezeichnet. Somit kann die InsGa1-sN-Keimschicht ein gespanntes hochwertiges Keimmaterial umfassen.
  • Als Beispiel und nicht als Beschränkung kann zur Übertragung der InsGa1-sN-Keimschicht 656 auf das Opfersubstrat 652 unter Nutzung der Schicht aus elastischem Material 654 als eine Bondschicht der Prozess verwendet werden, der in der Industrie als der SMART-CUT-Prozess bekannt ist. Solche Prozesse sind z. B. im US-Patent Nr. RE39.484 an Bruel, im US-Patent Nr. 6.303.468 an Aspar u. a., im US-Patent Nr. 6.335.258 an Aspar u. a., in 6.756.286 an Moriceau u. a., in 6.809.044 an Aspar u. a. und in 6.946.365 an Aspar u. a. ausführlich beschrieben.
  • Das Opfersubstrat 652 kann ein homogenes Material oder ein heterogenes Material (d. h. ein Verbundmaterial) umfassen. Als nichteinschränkende Beispiele kann das Stützsubstrat 652 Saphir, Silicium, Gruppe-III-Arsenide, Quarz (SiO2), Quarzglas (SiO2-Glas), ein Glaskeramikverbundmaterial (wie etwa z. B. das von Schott North America, Inc., aus Duryea, PA, unter dem Warenzeichen ZERODUR® vertriebene), ein Quarzglasverbundmaterial (wie etwa z. B. SiO2-TiO2 oder Cu2-Al2O3-SiO2), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliciumcarbid (SiC) umfassen.
  • Die Schicht aus elastischem Material 654 kann z. B. ein Material umfassen, das eine Glasübergangstemperatur (Tg) kleiner oder gleich etwa 800°C aufweist. Die Schicht aus elastischem Material 654 kann eine Dicke in einem Bereich, der sich von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm und insbesondere von etwa 1 μm bis etwa 5 μm erstreckt, aufweisen. Als nichteinschränkendes Beispiel kann die Schicht aus einem elastischen Material 100 ein Oxid und/oder ein Phosphorsilikatglas (PSG), Borsilikat (BSG), ein Borphosphorsilikatglas (BPSG), ein Polyimid, ein dotiertes oder undotiertes quasi-anorganisches Siloxan-Aufschleuderglas (SOG), ein anorganisches Aufschleuderglas (d. h. Methyl-, Ethyl-, Phenyl- oder Butyl) und ein dotiertes oder undotiertes Silikat umfassen.
  • Die Schicht aus elastischem Material 654 kann z. B. unter Verwendung eines Ofens, eines Schmelzofens oder eines Ablagerungsreaktors auf eine Temperatur erwärmt werden, die ausreicht, eine Viskosität der Schicht aus elastischem Material 654 zu verringern, damit die Schicht aus elastischem Material 654 aufgeschmolzen wird, was veranlasst, dass die eine oder die mehreren InsGa1-sN-Keimschichten 656 die Kristallgitterspannung wenigstens teilweise entspannen. Durch Verringern der Viskosität der Schicht aus elastischem Material 654 kann die Zugspannung in der InsGa1-sN-Keimschicht 656 wenigstens teilweise entspannt oder sogar beseitigt werden, wodurch eine InsGa1-sN-Keimschicht 656 gebildet wird, die einen Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström umfasst.
  • Bei der wenigstens teilweisen Relaxation der einen oder mehreren InsGa1-sN-Keimschichten 656 können die InsGa1-sN-Keimschichten 656 auf ein Stützsubstrat übertragen werden und können nachfolgend das elastische Material 654 und das Opfersubstrat 652 entfernt werden, um die wie in 1A und 6C dargestellte Wachstumsschablone 113 zu bilden. Ausführlicher und anhand von 6B und 6C kann die wenigstens teilweise entspannte InsGa1-sN-Keimschicht 656 an einem Stützsubstrat 658 befestigt werden und können das Opfersubstrat 652 und das elastische Material 654 unter Nutzung von Verfahren wie etwa Laserablösen und/oder Nassätzen und/oder Trockenätzen und/oder chemisch-mechanisches Polieren entfernt werden.
  • Das Stützsubstrat 658 kann ein homogenes Material oder ein heterogenes Material (d. h. ein Verbundmaterial) umfassen. Als nichteinschränkende Beispiele kann das Stützsubstrat 658 Saphir, Silicium, Gruppe-III-Arsenide, Quarz (SiO2), Quarzglas (SiO2-Glas), ein Glaskeramikverbundmaterial (wie etwa z. B. das von Schott North America, Inc., aus Duryea, PA, unter dem Warenzeichen ZERODUR® vertriebene), ein Quarzglasverbundmaterial (wie etwa z. B. SiO2-TiO2 oder Cu2-Al2O3-SiO2), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliciumcarbid (SiC) umfassen.
  • Wie in 6C gezeigt ist, kann die Wachstumsschablone 113 in einigen Ausführungsformen optional eine Schicht eines dielektrischen Materials 660 enthalten, die über dem Stützsubstrat 100 liegt. Die Schicht eines dielektrischen Materials 660 kann optional über einer Hauptoberfläche des Stützsubstrats 658 oder über der einen oder den mehreren InsGa1-sN-Keimschichten 656 gebildet werden, wobei das dielektrische Material 660 als eine Bondschicht genutzt wird, um das Bonden der InsGa1-sN-Keimschicht 656 an das Stützsubstrat 658 zu ermöglichen. Die Schicht aus dielektrischem Material 660 kann z. B. Siliciumoxynitrid (SiON), Siliciumnitrid (Si3N4) oder Siliciumdioxid (SiO2) enthalten und kann z. B. unter Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) gebildet werden. Somit umfasst die wie in 1A und 6C gezeigte Wachstumsschablone 113 ein Stützsubstrat 658 und eine InsGa1-sN-Keimschicht 656, die auf dem Stützsubstrat 658 angeordnet ist.
  • Außerdem kann die InsGa1-sN-Keimschicht 656 über dem Stützsubstrat 658 in der Weise gebildet werden, dass die Zusammensetzung der InsGa1-sN-Keimschicht 656 in dem Bereich von 0,05 ≤ s ≤ 0,10 liegen kann. Darüber hinaus kann die InsGa1-s-Keimschicht 656 eine polare Wachstumsebene 662 aufweisen, die einen Wachstumsebenen-Gitterparameter größer etwa 3,2 Angström umfasst. Außerdem kann die InsGa1-sN-Keimschicht mit einer Gesamtschichtdicke Ts größer als etwa einhundert Nanometer (100 nm) gebildet sein.
  • Die Wachstumsschablone 113 bildet einen Abschnitt der Grundschicht 102 aus 1A. In einigen Ausführungsformen kann die Grundschicht außerdem eine InsGa1-nN-Grundschicht 112 enthalten, wobei die InnGa1-nN-Grundschicht die Kristalleigenschaften der angrenzenden InsGa1-sN-Keimschicht 656 erbt. Somit kann die InnGa1-nN-Grundschicht 112 ebenfalls eine polare Wachstumsebene, z. B. eine polare Galliumwachstumsebene, mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer etwa 3,2 Angström umfassen.
  • Die InnGa1-nN-Grundschicht 112 kann eine Schicht aus InnGa1-nN umfassen, wobei 0,00 ≤ n ≤ 0,10 ist oder wobei in einigen Ausführungsformen 0,02 ≤ n ≤ 0,08 ist. Als eine bestimmte nichteinschränkende Ausführungsform kann n gleich etwa 0,05 sein. Die InnGa1nN-Grundschicht 112 kann eine durchschnittliche Schichtdicke Tn zwischen etwa zehn Nanometern (10 nm) und etwa dreitausend Nanometern (3000 nm) oder in einigen Ausführungsformen zwischen etwa zehn Nanometern (10 nm) und etwa eintausend Nanometern (1000 nm) aufweisen. Optional kann die InnGa1-nN-Grundschicht 112 dotiert sein. Zum Beispiel kann die InnGa1-nN-Grundschicht 112 durch Dotieren mit Elementen, die Elektronendonatoren sind, wie etwa Silicium oder Germanium n-dotiert sein. Die Konzentration der Dotierungsmittel in der InnGa1-nnN-Grundschicht 112 kann in dem Bereich von etwa 3·1017 cm–3 bis etwa 1·1020 cm–3 liegen, oder in einigen Ausführungsformen kann die Konzentration der Dotierungsmittel in der InnGa1-nN-Grundschicht 112 in dem Bereich von etwa 5·1017 cm–3 bis etwa 1·1019 cm–3 liegen.
  • Nach Ausbilden einer oder mehrerer der anderen verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur 100, die InGaN umfassen, kann auf einem Abschnitt der InnGa1-nN-Grundschicht 112 ein erster Elektrodenkontakt gebildet werden, um aus der Halbleiterstruktur 100 eine Lichtemittervorrichtung herzustellen.
  • Die wie in 1A gezeigte fertige Grundschicht 102 umfasst die wie oben beschriebene Wachstumsschablone 113 und die InnGa1-nN-Grundschicht 112. Die verschiedenen Gruppe-III-Nitridschichten der Halbleiterstruktur 100 können in einem wie im Folgenden ausführlich beschriebenen Prozess Schicht für Schicht wachsen gelassen oder auf andere Weise gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Grundschicht 102 eine Basis umfassen, auf der die anderen Schichten der Halbleiterstruktur 100 wachsen gelassen oder auf andere Weise gebildet werden können. Somit können die verschiedenen Gruppe-III-Nitridschichten der Halbleiterstruktur 100 aufeinander folgend beginnend mit der Grundschicht 102 und fortschreitend in der Richtung von links nach rechts aus Sicht von 1A wachsen gelassen oder auf andere Weise gebildet werden, obwohl die Struktur tatsächlich so orientiert sein kann, dass die Grundschicht 102 während der Herstellung unten angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Struktur kann während der Herstellung gegenüber der Orientierung aus 1A um neunzig Grad entgegen der Uhrzeigerrichtung orientiert sein.
  • Wie im Folgenden ausführlicher diskutiert ist, ist zwischen der Grundschicht 102 und der p-Kontaktschicht 104 das aktive Gebiet 106 angeordnet. Das aktive Gebiet 106 umfasst wenigstens eine InGaN-Topfschicht 114 und wenigstens eine InGaN-Barriereschicht 116. In einigen Ausführungsformen kann das aktive Gebiet 106 wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch InGaN gebildet sein, wobei der Indiumgehalt der InGaN-Topfschicht 114 streng größer als der Indiumgehalt der InGaN-Barriereschicht 116 ist. Insbesondere kann das aktive Gebiet 106 wenigstens eine Topfschicht 114 umfassen, die InwGa1-wN umfasst, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist oder wobei in einigen Ausführungsformen 0,12 ≤ w ≤ 0,25 ist oder wobei in weiteren Ausführungsformen w gleich etwa 0,14 ist. Außerdem umfasst das aktive Gebiet 106 wenigstens eine Barriereschicht 116, die InbGa1-bN umfasst, wobei b < w ist und wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist oder wobei in einigen Ausführungsformen 0,03 ≤ b ≤ 0,08 ist oder wobei in weiteren Ausführungsformen b gleich etwa 0,05 ist. In einigen Ausführungsformen kann die InGaN-Barriereschicht 116 nahe der wenigstens eine InGaN-Topfschicht 114 sein (z. B. direkt an sie angrenzen).
  • Das aktive Gebiet 106 der Halbleiterstruktur ist das Gebiet der Halbleiterstruktur, in dem, wenn sie zu einer Lichtemittervorrichtung wie einer Lichtemitterdiode (LED) hergestellt ist, Elektronen und Löcher miteinander rekombinieren, um Photonen zu erzeugen, die von der LED emittiert werden. In einigen Ausführungsformen werden die Photonen in Form von sichtbarem Licht emittiert. Wenigstens ein Teil des sichtbaren Lichts kann eine Wellenlänge oder Wellenlängen innerhalb des Bereichs des elektromagnetischen Strahlungsspektrums aufweisen, der sich von etwa dreihundertachtzig Nanometern (380 nm) bis etwa fünfhundertsechzig Nanometer (560 nm) erstreckt.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, umfasst das aktive Gebiet 106 der Halbleiterstruktur 100 eine oder mehrere InGaN-Topfschichten 114 und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten 116 und kann es in einigen Ausführungsformen wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch InGaN gebildet sein. Somit kann das aktive Gebiet 106 in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen aus InGaN bestehen. Das aktive Gebiet 106 umfasst eines oder mehrere Paare angrenzender Schichten, die eine Topfschicht 114 und eine Barriereschicht 116 enthalten, wobei jede Topfschicht 114 InwGa1-wN umfasst, in dem 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und wobei jede Barriereschicht 116 InbGa1-bN umfasst, in dem 0,01 ≤ b 0,10 ist, und wobei b < w ist.
  • In der in 1A und 1B dargestellten Ausführungsform enthält das aktive Gebiet 106 der Halbleiterstruktur 100 ein (1) Paar aktiver Schichten (eine Topfschicht 114 und eine Barriereschicht 116), obwohl das aktive Gebiet 106 der Halbleiterstruktur 100 in zusätzlichen Ausführungsformen mehr als ein Paar aktiver Schichten enthalten kann. Zum Beispiel kann das aktive Gebiet 106 der Halbleiterstruktur 100 von einem (1) bis fünfundzwanzig (25) angrenzende Paare aktiver Schichten enthalten, wobei jedes Paar eine Topfschicht 114 und eine Barriereschicht 116 enthält, so dass das aktive Gebiet 106 (in Ausführungsformen, die mehr als ein Paar enthalten) einen Stapel abwechselnder Topfschichten 114 und Barriereschichten 116 enthält. Allerdings ist festzustellen, dass die Anzahl der Barriereschichten 116 nicht gleich der Anzahl der Topfschichten 114 sein kann. Die Topfschichten 114 können durch die Barriereschichten 116 voneinander getrennt sein. Somit kann die Anzahl der Barriereschichten 116 in einigen Ausführungsformen gleich der Anzahl der Topfschichten 114, eine mehr oder eine weniger als sie sein.
  • Weiter anhand von 1A kann jede Topfschicht 114 eine durchschnittliche Schichtdicke Tw zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa eintausend Nanometern (1000 nm), zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa einhundert Nanometern (100 nm) oder sogar zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa zehn Nanometern (10 nm) aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Topfschichten 114 Quantentöpfe umfassen. In diesen Ausführungsformen kann jede Topfschicht 114 eine durchschnittliche Schichtdicke Tw von etwa zehn Nanometern (10 nm) oder weniger aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die Topfschichten 114 keine Quantentöpfe umfassen, wobei jede Topfschicht 114 eine durchschnittliche Schichtdicke Tw größer als etwa zehn Nanometer (10 nm) aufweisen kann. In diesen Ausführungsformen kann das aktive Gebiet 106 etwas umfassen, das im Gebiet als ”Doppelheterostrukturen” bezeichnet wird. Jede Barriereschicht 116 kann eine durchschnittliche Schichtdicke TB zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa fünfzig (50 nm) oder sogar zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa zehn Nanometer (10 nm) aufweisen, obwohl die Barriereschichten 116 in anderen Ausführungsformen dicker sein können.
  • Die Topfschichten 114 und/oder die Barriereschichten 116 können dotiert sein. Zum Beispiel können die Topfschichten 114 und/oder die Barriereschichten 116 durch Dotieren mit Elementen, die Elektronendonatoren sind, wie etwa Silicium oder Germanium n-dotiert sein. Die Konzentration der Dotierungsmittel in den Topfschichten 114 kann in dem Bereich von etwa 3·1017 bis etwa 1·1019 cm–3 liegen oder kann in einigen Ausführungsformen in dem Bereich von etwa 3·1017 cm–3 bis etwa 5·1017 cm–3 liegen. Ähnlich kann die Konzentration der Dotierungsmittel in den Barriereschichten 116 in dem Bereich von etwa 3·1017 cm–3 bis etwa 1·1019 cm–3 liegen oder kann sie in einigen Ausführungsformen in dem Bereich von etwa 1·1018 cm–3 bis etwa 3·1018 cm–3 liegen.
  • Die Topfschichten 114 und/oder die Barriereschichten 116 können eine Wurtzitkristallstruktur aufweisen. Außerdem können die Topfschichten 114 und/oder die Barriereschichten 116 in einigen Ausführungsformen eine polare Wachstumsoberfläche wie etwa eine polare Galliumwachstumsoberfläche umfassen, die eine durchschnittliche Gitterkonstante in der Wachstumsebene parallel zu der Grenzfläche oder den Grenzflächen zwischen den Topfschichten 114 und den Barriereschichten 116 aufweisen kann, die größer oder gleich etwa 3,2 Angström ist. Genauer kann die durchschnittliche Wachstumsebenen-Gitterkonstante c in einigen Ausführungsformen zwischen etwa 3,2 Angström und etwa 3,3 Angström liegen.
  • Das aktive Gebiet 106, das wenigstens eine Topfschicht und wenigstens eine Barriereschicht umfasst, kann eine durchschnittliche Gesamtdicke aufweisen, die in dem Bereich zwischen etwa vierzig Nanometern (40 nm) und etwa eintausend Nanometern (1000 nm) liegt, zwischen etwa vierzig Nanometern (40 nm) und etwa siebenhundertfünfzig Nanometern (750 nm) liegt oder sogar zwischen etwa vierzig Nanometern (40 nm) und etwa zweihundert Nanometern (200 nm) liegt.
  • Weiter anhand von 1A kann die Halbleiterstruktur 100 zwischen dem aktiven Gebiet 106 und der p-Kontaktschicht 104 und/oder zwischen dem aktiven Gebiet 106 und der Grundschicht 102 optional zusätzliche Schichten enthalten. Zum Beispiel kann die Halbleiterstruktur 100 in einigen Ausführungsformen zwischen dem aktiven Gebiet 106 und der Grundschicht 102 eine Abstandsschicht 118 umfassen.
  • Die optionale Abstandsschicht 118 kann eine Schicht aus InspGa1-spN umfassen, wobei 0,01 ≤ sp ≤ 0,10 ist oder wobei 0,03 ≤ sp ≤ 0,06 ist oder wobei sp gleich etwa 0,05 ist. Die Abstandsschicht 118 kann verwendet werden, um zwischen der Grundschicht 102 und den Schichten des aktiven Gebiets 106, die in Bezug auf die Grundschicht InnGa1-nN-112 eine andere Zusammensetzung (und somit einen anderen Gitterparameter) aufweisen können, einen allmählicheren Übergang bereitzustellen. Somit kann die InspGa1-spN-Abstandsschicht 118 in einigen Ausführungsformen direkt zwischen der Grundschicht 102 und dem aktiven Gebiet 106 angeordnet sein. Durch Bereitstellung eines allmählicheren Übergangs zwischen der Grundschicht 102 und dem aktiven Gebiet 106 können Spannungen innerhalb des Kristallgitters der verschiedenen Schichten aus InGaN und somit Fehlstellen, die sich aus diesen Spannungen ergeben, verringert werden. Die InspGa1-spN-Abstandsschicht 118 kann eine durchschnittliche Schichtdicke Tsp zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa einhundert Nanometern (100 nm) oder sogar zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa einhundert Nanometern (25 nm) aufweisen. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die durchschnittliche Schichtdicke Tsp gleich etwa zehn Nanometern (10 nm) sein.
  • Optional kann die InspGa1-sN-Abstandsschicht 118 dotiert sein. Zum Beispiel kann die InspGa1-spN-Abstandsschicht 118 durch Dotieren mit Elementen, die Elektronendonatoren sind, wie etwa Silicium oder Germanium n-dotiert sein. Die Konzentration der Dotierungsmittel in der Abstandsschicht 118 kann in dem Bereich von etwa 3·1017 cm–3 bis etwa 1·1019 cm–3 liegen. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die Abstandsschicht 118 eine Konzentration der Dotierungsmittel darin gleich etwa 2·1018 cm–3 aufweisen.
  • Weiter anhand von 1A kann die Halbleiterstruktur 100 ferner eine optionale IncpGa1-cpN-Deckschicht 120 enthalten, die zwischen dem aktiven Gebiet 106 und der p-Kontaktschicht 104 angeordnet ist. Die optionale IncpGa1-cpN-Deckschicht 120 kann eine Schicht aus IncpGa1-cpN umfassen, wobei 0,01 ≤ cp ≤ 0,10 ist oder wobei 0,03 ≤ cp ≤ 0,07 ist. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann der Wert von cp gleich etwa 0,05 sein. Die IncpGa1-cpN-Deckschicht 120 kann verwendet werden, um bei der nachfolgenden Verarbeitung bei erhöhten Temperaturen die Lösung und/oder Verdampfung von Indium in den darunterliegenden Schichten des aktiven Gebiets 106 zu vermeiden, und/oder kann derselben Funktion wie eine Abstandsschicht dienen.
  • Die IncpGa1-cpN-Deckschicht 120 kann eine durchschnittliche Schichtdicke Tcp zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa einhundert Nanometern (100 nm) oder zwischen etwa einem Nanometer (1 nm) und etwa fünfundzwanzig Nanometern (25 nm) aufweisen. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann Tcp gleich etwa zehn Nanometern (10 nm) sein. Optional kann die Deckschicht 120 dotiert sein. Zum Beispiel kann die Deckschicht 120 durch Dotieren mit Elementen, die Elektronenakzeptoren sind, wie etwa Magnesium, Zink und Kohlenstoff p-dotiert sein. In anderen Ausführungsformen kann die Deckschicht 120 dagegen n-dotiert sein. Die Konzentration der Dotierungsmittel in der Deckschicht 120 kann in dem Bereich von etwa 3·1017 cm–3 bis etwa 1·1019 cm–3 liegen oder kann in dem Bereich von etwa 1·1018 cm–3 bis etwa 5·1018 cm–3 liegen. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die Konzentration der Dotierungsmittel in der Deckschicht 120 gleich etwa 2·1018 cm–3 sein.
  • Ferner kann die Halbleiterstruktur 100 der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Elektronensperrschichten (EBLs) enthalten, die zwischen dem aktiven Gebiet 106 und der p-Kontaktschicht 104 angeordnet sind. Diese Elektronensperrschichten können ein Material umfassen, in dem das Energieniveau der Bandkante des Leitungsbands im Vergleich zu dem der Bandkante in dem Leitungsband in dem aktiven Gebiet 106 verhältnismäßig hoch ist, was dazu dienen kann, Elektronen innerhalb des aktiven Gebiets 106 zu beschränken und zu verhindern, dass Ladungsträger aus dem aktiven Gebiet 106 herausfließen.
  • Als ein nichteinschränkendes Beispiel veranschaulicht 1A eine Elektronensperrschicht 108, die auf der Seite der Deckschicht 120, die dem aktiven Gebiet 106 gegenüberliegt, angeordnet ist. In Ausführungsformen, die wie in 1A gezeigt eine p-Bulk-Schicht 110 enthalten, kann die Elektronensperrschicht 108 direkt zwischen der Deckschicht 120 und der p-Bulk-Schicht 110 angeordnet sein.
  • Die Elektronensperrschicht 108 umfasst ein Gruppe-III-Nitrid. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Elektronensperrschicht 108 wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch IneGa1-eN gebildet sein, wobei 0,00 ≤ e ≤ 0,02 ist, und kann sie in einigen Ausführungsformen wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch GaN gebildet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Elektronensperrschicht 108 wenigstens im Wesentlichen durch AleGa1-eN gebildet sein, wobei 0,00 ≤ e ≤ 0,20 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Elektronensperrschicht 108 wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch AleGa1-eN gebildet sein.
  • Die Elektronensperrschicht 108 kann mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Magnesium, Zink und Kohlenstoff besteht, p-dotiert sein. Eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der Elektronensperrschicht 108 kann in einem Bereich liegen, der sich von etwa 1·1017 cm–3 bis etwa 1·1021 cm–3 erstreckt, oder kann in einigen Ausführungsformen gleich etwa 3·1019 cm–3 sein. In einigen Ausführungsformen kann die Elektronensperrschicht 108 eine durchschnittliche Schichtdicke Te in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa fünf Nanometern (5 nm) bis etwa fünfzig Nanometern (50 nm) erstreckt, oder kann sie in einigen Ausführungsformen eine durchschnittliche Schichtdicke Te gleich etwa zwanzig Nanometern (20 nm) aufweisen.
  • In weiteren Ausführungsformen der Halbleiterstruktur 100 der vorliegenden Offenbarung kann die Halbleiterstruktur 100 eine Elektronensperrschicht ähnlich der Elektronensperrschicht 108 aufweisen, wobei die Elektronensperrschicht aber eine Supergitterstruktur aufweist, die, wie in dem Einsatz 122 aus 1A dargestellt ist, abwechselnde Schichten unterschiedlicher Materialien umfasst. Zum Beispiel kann die Elektronensperrschicht 108 eine Supergitterstruktur aufweisen, die abwechselnde Schichten aus GaN 124 und IneGa1-eN 124 umfasst, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,02 ist. In weiteren Ausführungsformen kann die Elektronensperrschicht eine Supergitterstruktur aufweisen, die abwechselnde Schichten aus GaN 124 und AleGa1-eN 126 umfasst, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,20 ist. Jede der Schichten in diesen Supergitterstrukturen kann eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa einem Nanometer (1 nm) bis etwa zwanzig Nanometern (20 nm) aufweisen.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Halbleiterstruktur 100 der vorliegenden Offenbarung ferner eine p-Bulk-Schicht 110 enthalten, die zwischen der Elektronensperrschicht 108 und der p-Kontaktschicht 104 angeordnet ist. Solche p-Bulk-Schichten können ein p-dotiertes Gruppe-III-Nitridmaterial wie etwa p-dotiertes InpGa1-pN umfassen. Solche p-Bulk-Schichten können z. B. als eine Quelle für Lochladungsträger und zur Verbesserung der elektrischen Leitung und der Lichtextraktion zu und von dem aktiven Gebiet 106 verwendet werden. Der Einbau von Indium in die p-Bulk-Schicht 110 ist hilfreich aus Ladungsträgerflussgründen und zur Beschränkung des Ladungsträgers innerhalb des aktiven Gebiets.
  • Die p-Bulk-Schicht 110 kann wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch InpGa1-pN gebildet sein, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist und wobei vorzugsweise 0,01 ≤ p ≤ 0,08 ist. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die p-Bulk-Schicht 110 wenigstens im Wesentlichen durch InpGa1-pN gebildet sein, wobei p gleich etwa 0,02 ist. Die p-Bulk-Schicht 110 kann mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Magnesium, Zink und Kohlenstoff besteht, p-dotiert sein. Eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der p-Bulk-Schicht 110 kann in einem Bereich liegen, der sich von etwa 1·1017 cm–3 bis etwa 1·1021 cm–3 erstreckt. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die Konzentration der Dotierungsmittel in der p-Bulk-Schicht 110 gleich etwa 3·1019 cm–3 sein. In einigen Ausführungsformen kann die p-Bulk-Schicht 110 eine durchschnittliche Schichtdicke Tbk in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa fünfzig Nanometern (50 nm) bis etwa sechshundert Nanometern (600 nm) erstreckt. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die durchschnittliche Schichtdicke Tbk gleich etwa einhundertfünfundsiebzig Nanometer (175 nm) sein.
  • Ferner kann die Halbleiterstruktur 100 eine p-Kontaktschicht 104 enthalten, die auf einer Seite der p-Bulk-Schicht 110 angeordnet ist, die der Elektronensperrschicht 108 gegenüberliegt. Die p-Kontaktschicht 104 kann ein Gruppe-III-Nitrid umfassen. Solche p-Kontaktschichten können z. B. verwendet werden, um die Leitung von Löchern in das aktive Gebiet 106 zu verbessern. Die p-Kontaktschicht 104 kann eine höhere Konzentration eines oder mehrerer Dotierungsmittel wie etwa p-Dotierungsmittel umfassen, um den elektrischen Widerstand eines über einen Abschnitt der p-Kontaktschicht gebildeten Elektrodenkontakts während der Herstellung einer Lichtemittervorrichtung aus der Halbleiterstruktur 100 zu begrenzen.
  • Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die p-Kontaktschicht 104 IncGa1-cN umfassen, das p-dotiert ist. Zum Beispiel kann die p-Kontaktschicht 104 wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch IncGa1-cN gebildet sein, wobei 0,01 ≤ c ≤ 0,10 ist, und kann die p-Kontaktschicht 104 in einigen Ausführungsformen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) im Wesentlichen durch GaN gebildet sein. Die Aufnahme von Indium in die p-Kontaktschicht 104 ist dadurch hilfreich, dass sie die Energiebarriere mit der auf der Vorrichtung gebildeten Metallelektrode verringern kann, was zu einer niedrigeren Betriebsspannung für die Vorrichtung führt. Die p-Kontaktschicht 104 kann mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Magnesium, Zink und Kohlenstoff besteht, p-dotiert sein. Eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der p-Kontaktschicht 104 kann in einem Bereich liegen, der sich von etwa 1·1017 cm–3 bis etwa 1·1021 cm–3 erstreckt. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der p-Kontaktschicht 104 gleich etwa 1·1020 cm–3 sein. Die p-Kontaktschicht 104 kann eine durchschnittliche Schichtdicke Tc in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa zwei Nanometern (2 nm) bis etwa fünfzig Nanometern (50 nm) erstreckt. Als ein bestimmtes nichteinschränkendes Beispiel kann die durchschnittliche Schichtdicke Tc gleich etwa fünfzehn Nanometern (15 nm) sein. Wie in 1A gezeigt ist, kann die p-Kontaktschicht 104 direkt auf der p-Bulk-Schicht 110 gebildet sein.
  • Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist, kann die fertige Halbleiterstruktur 100 bei der Herstellung einer oder mehrerer Halbleiter-Lichtemittervorrichtungen wie etwa einer LED genutzt werden. Kurz gesagt kann über einem Abschnitt der Halbleiterschichten der Grundschicht 102 wie etwa über einem Abschnitt der InnGa1-cN-Grundschicht 112 ein Elektrodenkontakt gebildet sein und kann über einem Abschnitt der p-Kontaktschicht 104 ein weiterer Elektrodenkontakt gebildet sein, wodurch ermöglicht wird, dass Ladungsträger in das aktive Gebiet 106 injiziert werden, mit einer sich daraus ergebenden Emission elektromagnetischer Strahlung, die die Form von sichtbarem Licht aufweisen kann.
  • 1B ist ein vereinfachtes Diagramm, das die relativen Differenzen des Energieniveaus des Leitungsbands 128 (in einem Energiebanddiagramm) für die unterschiedlichen Halbleitermaterialien in den verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur 100 aus 1A darstellt (wobei angemerkt wird, dass das Stützsubstrat 658 und die Bondschicht 660 weggelassen sind). 1B ist auf die Halbleiterstruktur 100 aus 1A vertikal ausgerichtet. Die vertikalen Strichlinien in 13 sind auf die Grenzflächen zwischen den verschiedenen Schichten in der Halbleiterstruktur 100 aus 1A ausgerichtet. Die vertikale Achse in 1B ist die Energie, wobei sich höhere Energieniveaus vertikal über niedrigeren Energieniveaus befinden. Es wird angemerkt, dass 13 ein nichteinschränkendes Beispiel der Leitungsbandenergieniveaus für eine beispielhafte Halbleiterstruktur 100 darstellt. Im Ergebnis können die relativen horizontalen Leitungsbandenergieniveaus die relative Position wenigstens in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Dotierung der einzelnen Halbleiterschichten ändern, wobei die Zusammensetzungsbereiche der verschiedenen Halbleierschichten in den wie oben beschriebenen Bereichen liegen. Somit kann 13 verwendet werden, um die relativen Differenzen der Energieniveaus des Leitungsbands 128 in den verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur 100 zu sehen. Wie in 13 gezeigt ist, kann das Energieniveau des Leitungsbands 128 in der Topfschicht 114 niedriger als das Energieniveau des Leitungsbands 128 in anderen Schichten der Halbleiterstruktur 100 sein.
  • Wie im Gebiet bekannt ist, ist das Energieniveau des Leitungsbands 128 für Gruppe-III-Nitridschichten wie etwa InGaN eine Funktion mehrerer Variabler, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, des Indiumgehalts und der Dotierungsmittelniveaus. Die Topfschichten 114 und die Barriereschichten 116 können so gebildet sein, dass sie eine Zusammensetzung aufweisen und anderweitig so konfiguriert sind, dass das Energieniveau des Leitungsbands 128 in den Topfschichten 114 niedriger als das Energieniveau des Leitungsbands 128 in den Barriereschichten 116 ist. Im Ergebnis können Ladungsträger (z. B. Elektronen) während des Betriebs einer aus der Halbleiterstruktur 100 hergestellten Lichtemittervorrichtung in den Topfschichten 114 angesammelt werden und können die Barriereschichten 116 dazu dienen, die Wanderung von Ladungsträgern (z. B. Elektronen) über das aktive Gebiet 106 zu hemmen. Somit kann der Indiumgehalt in jeder Topfschicht 114 in einigen Ausführungsformen höher als der Indiumgehalt in jeder Barriereschicht 116 sein. Zum Beispiel kann eine Differenz zwischen dem Indiumgehalt in jeder Topfschicht 114 und dem Indiumgehalt in jeder Barriereschicht 116 größer oder gleich etwa 0,05 sein (d. h. w – b ≥ 0,05) oder in einigen Ausführungsformen größer oder gleich etwa 0,20 sein (d. h. w – b ≥ 0,20). In einigen Ausführungsformen kann die Dotierungsmittelkonzentration in den Barriereschichten 116 von der Dotierungsmittelkonzentration in den Topfschichten 114 verschieden sein. Hohe Dotierungsmittelkonzentrationen können zu Fehlstellen der Kristallstruktur des InGaN führen, wobei solche Fehlstellen zu strahlungslosen Kombinationen von Elektron-Loch-Paaren führen können. In einigen Ausführungsformen kann die Dotierungsmittelkonzentration in den Topfschichten 114 niedriger als die Dotierungsmittelkonzentration in den Barriereschichten 116 sein, um eine Rate strahlungsloser Kombinationen von Elektron-Loch-Paaren in den Topfschichten 114 im Verhältnis zu der Rate strahlungsloser Kombinationen von Elektron-Loch-Paaren in den Barriereschichten 116 zu verringern. In anderen Ausführungsformen kann die Dotierungsmittelkonzentration in den Barriereschichten 116 höher als die Dotierungsmittelkonzentration in den Topfschichten 114 sein.
  • Wie in 1B dargestellt ist, kann sich die durch die Elektronensperrschicht 108 bereitgestellte Energiebarriere aus der Differenz des Energieniveaus des Leitungsbands 128 in der Elektronensperrschicht 108 und in der Deckschicht 120 (oder in einer anderen Schicht, die an die Elektronensperrschicht 108 auf der Seite, die dem aktiven Gebiet 106 am nächsten ist, unmittelbar angrenzt) ergeben. Die Höhe der Energiebarriere kann durch Ändern der Zusammensetzung der Elektronensperrschicht 108 geändert werden. Wie in 1B dargestellt ist, kann z. B. das Leitungsenergieniveau 130 (das als durchgezogene Linie gezeigt ist) das Leitungsbandenergieniveau für eine Elektronensperrschicht darstellen, die im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch GaN gebildet ist. Wie durch das (als Strichlinie gezeigte) Leitungsbandenergieniveau 132 dargestellt ist, kann das Leitungsbandenergieniveau innerhalb der Elektronensperrschicht im Verhältnis zu einer GaN-Elektronensperrschicht dadurch verringert sein, dass eine Elektronensperrschicht wenigstens im Wesentlichen durch IneGa1-eN gebildet ist, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,02 ist. In weiteren Ausführungsformen kann das Leitungsbandenergieniveau im Verhältnis zu einer GaN-Elektronensperrschicht, wie durch das (als Strichlinie gezeigte) Leitungsbandenergieniveau 134 dargestellt ist, dadurch erhöht sein, dass eine Elektronensperrschicht wenigstens im Wesentlichen durch AleGa1-eN gebildet ist, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,20 ist. Somit kann das Energieniveau des Leitungsbands innerhalb der Elektronensperrschicht geändert werden, um zwischen der Elektronensperrschicht 108 und den anderen Gruppe-III-Nitridschichten der Halbleiterstruktur 100 einen gewünschten Leitungsbandversatz bereitzustellen.
  • In Ausführungsformen der Halbleiterstruktur 100, in denen die Elektronensperrschicht 108 eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten unterschiedlicher Materialien umfasst, kann das Leitungsbandenergieniveau, wie in dem Einsatz 136 aus 1B dargestellt ist, auf periodische Weise zunehmen und abnehmen. Zum Beispiel kann die Elektronensperrschicht 108 eine Supergitterstruktur aufweisen, die abwechselnde Schichten aus GaN 138 und AleGa1-eN 140 aufweist, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,20 ist, oder kann die Supergitterstruktur alternativ abwechselnde Schichten aus GaN und IneGa1-eN umfassen, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,02 ist. Die Größe des Leitungsbandenergieversatzes zwischen den abwechselnden Schichten unterschiedlicher Materialien kann durch den Zusammensetzungsunterschied zwischen den GaN-Schichten und den AleGa1-eN-Schichten oder IneGa1-eN-Schichten gewählt werden.
  • Ferner können Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung Elektronenstoppschichten enthalten, die zwischen dem aktiven Gebiet der Halbleiterstruktur und der InnGa1-nN-Grundschicht der Halbleiterstruktur angeordnet sind. Solche Elektronenstoppschichten können ein n-dotiertes Gruppe-III-Nitridmaterial umfassen, in dem das Energieniveau der Bandkante des Leitungsbands im Vergleich zu dem der Bandkante in dem Leitungsband in der InnGa1-nN-Grundschicht und/oder in der InspGa1-spN-Grundschicht verhältnismäßig höher ist, was dazu dienen kann, Elektronen innerhalb des aktiven Gebiets weiter zu beschränken, und was das Überlaufen von Ladungsträgern aus dem aktiven Gebiet verhindern kann, wodurch eine verbesserte Gleichförmigkeit von Ladungsträgern innerhalb des aktiven Gebiets bereitgestellt wird.
  • Als ein nichteinschränkendes Beispiel veranschaulichen 2A und 2B eine Ausführungsform einer Halbleiterstruktur 200, die eine solche Elektronenstoppschicht 202 enthält. Die Halbleiterstruktur 200 ist ähnlich der Halbleiterstruktur 100 und enthält ein aktives Gebiet 106, das wie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben eine oder mehrere InGaN-Topfschichten 114 und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten 116 umfasst. Außerdem enthält die Halbleiterstruktur 200 eine Grundschicht 102, eine Abstandsschicht 118, eine Deckschicht 120, eine Elektronensperrschicht 108, eine p-Bulk-Schicht 110 und eine p-Kontaktschicht 104, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Die Elektronenstoppschicht 202 der Halbleiterstruktur 200 ist zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und der Abstandsschicht 118 angeordnet.
  • Die Elektronenstoppschicht 202 umfasst ein Gruppe-III-Nitrid. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Elektronenstoppschicht 202 AlGaN, das n-dotiert ist, umfassen. Zum Beispiel kann die Elektronenstoppschicht 202 in einigen Ausführungsformen wenigstens im Wesentlichen (bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln) durch AlstGa1-stN gebildet sein, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist. In anderen Ausführungsformen kann die Elektronenstoppschicht 202, wie in dem Einsatz 204 dargestellt ist, eine Supergitterstruktur aufweisen, die abwechselnde Schichten aus AlstGa1-stN 206, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist, und Schichten aus GaN 208 umfasst. Die Halbleiterstruktur 200 kann irgendeine Anzahl (z. B. von etwa einer (1) bis zu etwa zwanzig (20)) abwechselnder Schichten aus AlstGa1-stN 206 und Schichten aus GaN 208 enthalten. Die Schichten 206 und 208 in einer solchen Supergitterstruktur können eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa einem Nanometer (1 nm) bis etwa einhundert (100 nm) aufweisen.
  • Die Elektronenstoppschicht 202 kann mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicium und Germanium besteht, n-dotiert sein. Eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der Elektronenstoppschicht 202 kann in einem Bereich liegen, der sich von etwa 0,1·1018 cm–3 bis 20·1018 cm–3 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann die Elektronenstoppschicht 202 eine durchschnittliche Schichtdicke Tst in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa einem Nanometer (1 nm) bis etwa fünfzig Nanometer (50 nm) erstreckt.
  • 2B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm und veranschaulicht die relativen Energieniveaus des Leitungsbands 228 für die verschiedenen Materialien in der Halbleiterstruktur 200. Wie in 2B dargestellt ist, ist das Energieniveau des Leitungsbands 228 wenigstens innerhalb eines Abschnitts der Elektronenstoppschicht 202 der Halbleiterstruktur 200 (2B) in der Ausführungsform der Halbleiterstruktur 200 aus 2A verhältnismäßig höher als das Energieniveau des Leitungsbands 200 innerhalb der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und/oder das Energieniveau des Leitungsbands 228 innerhalb der Abstandsschicht 118. In Ausführungsformen, in denen die Elektronenstoppschicht 202, wie in dem Einsatz 210 aus 2B dargestellt ist, eine Supergitterstruktur umfasst, die abwechselnde Schichten aus AlstGa1-stN 206, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist, und Schichten aus GaN 208 umfasst, kann das Leitungsbandenergieniveau auf periodische Weise variieren.
  • In zusätzlichen Ausführungsformen können Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung zwischen dem aktiven Gebiet und der InnGa1-nN-Grundschicht eine oder mehrere Schichten aus Material enthalten, die genutzt werden, um die Herstellung der Halbleitervorrichtung zu erleichtern. Zum Beispiel kann die Halbleiterstruktur und können die eine oder die mehreren aus diesen Strukturen hergestellten Lichtemittervorrichtungen in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Zugentlastungsschichten enthalten, die zwischen dem aktiven Gebiet und der InnGa1-nN-Grundschicht angeordnet sind, wobei die Zugentlastungsschichten so zusammengesetzt und konfiguriert sind, dass sie eine Spannung in dem Kristallgitter der Kristallstrukturen der verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und der p-Kontaktschicht aufnehmen, wobei die Schichten in einem Prozess Schicht für Schicht epitaktisch aufeinander wachsen gelassen werden können.
  • Als ein nichteinschränkendes Beispiel stellen 3A und 3B eine Ausführungsform einer Halbleiterstruktur 300 dar, die eine Zugentlastungsschicht 302 enthält. Die Halbleiterstruktur 300 ist ähnlich der Halbleiterstruktur 100 und enthält ein aktives Gebiet 106, das, wie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben wurde, eine oder mehrere InGaN-Topfschichten 114 und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten 116 umfasst. Außerdem enthält die Halbleiterstruktur 300 eine Grundschicht 102, eine Abstandsschicht 118, eine Deckschicht 120, eine Elektronensperrschicht 108, eine p-Bulk-Schicht 110 und eine p-Kontaktschicht 104, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Die Zugentlastungsschicht 302 der Halbleiterstruktur 300 ist zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und der Abstandsschicht 118 angeordnet. In der Ausführungsform aus 3A und 3B ist die Zugentlastungsschicht 302 direkt zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und der InspGa1-sp-N-Abstandsschicht 118 angeordnet.
  • Die Zugentlastungsschicht 302 kann ein Gruppe-III-Nitrid umfassen. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Zugentlastungsschicht 302 eine wie in dem Einsatz 304 dargestellte Supergitterstruktur aufweisen, die abwechselnde Schichten aus InsraGa1-sraN 306, wobei 0,01 ≤ sra ≤ 0,10 ist, und Schichten aus InsrbGa1-srbN 308, wobei 0,01 ≤ srb ≤ 0,10 ist, umfasst. Ferner kann sra größer als srb sein. Die Halbleiterstruktur 300 kann irgendeine Anzahl (z. B. von etwa einer (1) bis etwa zwanzig (20)) abwechselnder Schichten aus InsraGa1-sraN-Schichten 306 und InsrbGa1-srbN 308 enthalten. Die Schichten 306 und 308 in einer solchen Supergitterstruktur können eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa einem Nanometer (1 nm) bis etwa zwanzig Nanometer (20 nm) aufweisen.
  • Die Zugentspannungsschicht 302 kann mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicium und Germanium besteht, n-dotiert sein. Eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der Zugentlastungsschicht 302 kann in einem Bereich liegen, der sich von etwa 0,1·1018 cm–3 bis etwa 20·1018 cm–3 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann die Zugentlastungsschicht 302 eine durchschnittliche Schichtdicke in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa einem Nanometer (1 nm) bis etwa fünfzig Nanometer (50 nm) erstreckt.
  • 3B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm und veranschaulicht die relativen Energieniveaus des Leitungsbands 328 für die verschiedenen Materialien in der Halbleiterstruktur 300. Wie in 3B gezeigt ist, kann das Energieniveau des Leitungsbands 328 wenigstens innerhalb eines Abschnitts der Zugentlastungsschicht 302 der Halbleiterstruktur 300 (3A) in der Ausführungsform der Halbleiterstruktur 300 aus 3A verhältnismäßig niedriger als das Energieniveau des Leitungsbands 328 innerhalb der InGaN-Grundschicht 112 und/oder das Energieniveau des Leitungsbands 328 innerhalb der Abstandsschicht 118 sein. In anderen Ausführungsformen kann das Energieniveau des Leitungsbands 328 wenigstens innerhalb eines Abschnitts der Zugentlastungsschicht 302 der Halbleiterstruktur 300 (3A) verhältnismäßig höher als das Energieniveau des Leitungsbands 328 innerhalb der InGaN-Grundschicht 112 und/oder als das Energieniveau des Leitungsbands 328 innerhalb der Abstandsschicht 118 sein. In Ausführungsformen, in denen die Zugentlastungsschicht, wie in dem Einsatz 310 aus 33 dargestellt ist, eine Supergitterstruktur umfasst, die abwechselnde Schichten InsraGa1-sraN-Schichten 306 und InsrbGa1-srbN 308 umfasst, kann das Leitungsbandenergieniveau auf periodische Weise variieren.
  • 4A und 4B veranschaulichen eine abermals andere Ausführungsform einer Halbleiterstruktur 400 der vorliegenden Offenbarung. Die Halbleiterstruktur 400 ist ähnlich der Halbleiterstruktur 100 und enthält ein aktives Gebiet 406, das eine oder mehrere InGaN-Topfschichten 114 und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten 116 umfasst, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Außerdem enthält die Halbleiterstruktur 400 eine Grundschicht 102, eine Abstandsschicht 118, eine Deckschicht 120, eine Elektronensperrschicht 108, eine p-Bulk-Schicht 110 und eine p-Kontaktschicht 104, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Ferner enthält das aktive Gebiet 406 der Halbleiterstruktur 400 zusätzliche GaN-Barriereschichten 402. Jede der zusätzlichen GaN-Barriereschichten 402 kann zwischen einer InGaN-Topfschicht 114 und einer InGaN-Barriereschicht 116 angeordnet sein. Die zusätzlichen GaN-Barriereschichten 402 können dazu dienen, Elektronen weiter innerhalb der Topfschichten 114 zu beschränken, wo sie wahrscheinlicher mit Löchern rekombinieren und zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Emission von Strahlung führen können.
  • In einigen Ausführungsformen kann jede GaN-Barriereschicht 402 mit einem oder mit mehreren Dotierungsmitteln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicium und Germanium besteht, n-dotiert sein. Zum Beispiel kann eine Konzentration des einen oder der mehreren Dotierungsmittel innerhalb der GaN-Barriereschichten 402 in einem Bereich liegen, der sich von etwa 1,0·1017 cm–3 bis etwa 50·1017 cm–3 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann jede GaN-Barriereschicht 402 eine durchschnittliche Schichtdicke Tb2 in einem Bereich aufweisen, der sich von etwa einem halben Nanometer (0,5 nm) bis etwa zwanzig Nanometer (20 nm) erstreckt.
  • 4B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm und veranschaulicht die relativen Energieniveaus des Leitungsbands 428 für die verschiedenen Materialien in der Halbleiterstruktur 400. Wie in 4B gezeigt ist, kann das Energieniveau des Leitungsbands 428 innerhalb der GaN-Grundschichten 402 (4A) in der Ausführungsform der Halbleiterstruktur 400 aus 4A verhältnismäßig höher als das Energieniveau des Leitungsbands 428 innerhalb der InGaN-Barriereschichten 116 und höher als das Energieniveau des Leitungsbands 428 innerhalb der InGaN-Topfschichten 114 sein.
  • 5A und 5B veranschaulichen nochmals weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die eine Halbleiterstruktur 500 umfassen. In diesen Ausführungsformen können wie in der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 13/362.866, eingereicht am 31. Januar 2012, im Namen von Arena u. a. offenbarte Verfahren genutzt werden, um ein aktives Gebiet 506 zu bilden. Die Halbleiterstruktur 500 ist ähnlich der Halbleiterstruktur 100 und enthält ein aktives Gebiet 506, das eine oder mehrere InGaN-Topfschichten 514 und eine oder mehrere InGaN-Barriereschichten 516 umfasst, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Außerdem enthält die Halbleiterstruktur 500 eine Grundschicht, eine Abstandsschicht, eine Deckschicht, eine Elektronensperrschicht, eine p-Bulk-Schicht 100 und eine p-Kontaktschicht, wie sie zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden sind. Zur Klarheit sind nur die Schichten dargestellt, die das aktive Gebiet 506 umgeben, wobei diese Schichten die optionale Raumschicht 118 und die Deckschicht 120 sowie die InnGa1-nN-Trägeschicht 112 und die Elektronensperrschicht 108 umfassen können. Falls die optionalen Schichten aus der Halbleiterstruktur 500 weggelassen sind, kann das aktive Gebiet 506 direkt zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und der Elektronensperrschicht 108 angeordnet sein.
  • Das aktive Gebiet 506 der Halbleiterstruktur 500 ist ähnlich dem aktiven Gebiet der Halbleiterstruktur 100, enthält aber ferner zwei oder mehr InGaN-Barriereschichten, wobei die Bandlückenenergie zwischen aufeinanderfolgenden Barriereschichten wie in 5A und 5B von rechts nach links gesehen, d. h. in der Richtung, die von der Deckschicht 120 zu der Abstandsschicht 118 verläuft, schrittweise zunimmt. Eine solche Konfiguration des aktiven Gebiets 506 in der Halbleiterstruktur 500 kann beim Beschränken von Ladungsträgern innerhalb des aktiven Gebiets 500 dadurch unterstützten, dass ein Überströmen von Ladungsträgern aus dem aktiven Gebiet 506 verhindert wird, wodurch die Effizienz der aus der Halbleiterstruktur 500 hergestellten Lichtemittervorrichtungen erhöht ist.
  • Die Sperrgebiete 516 A-C können eine Materialzusammensetzung und eine strukturelle Konfiguration aufweisen, die so gewählt sind, dass für jedes der Sperrgebiete 516 A-C jeweilige Bandlückenenergien 550 A-C bereitgestellt werden, wobei die Bandlückenenergie durch die Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandenergie 528 und der Valenzbandenergie 552 jedes der Halbleitermaterialien, die die Halbleiterstruktur 500 bilden, gegeben ist. Wie in dem Energiebanddiagramm aus 5B gezeigt ist, kann die Bandlückenenergie 550 A in dem ersten Sperrgebiet 516 A kleiner als die Bandlückenenergie 550 B in dem zweiten Sperrgebiet 516 B sein und kann die Bandlückenenergie 550 B in dem zweiten Sperrgebiet 516 B kleiner als die Bandlückenenergie 550 C in dem dritten Sperrgebiet 516 C sein. Ferner kann jede der Bandlückenenergien der Quantentopfgebiete 552 A-C im Wesentlichen gleich sein und kleiner als jede der Bandlückenenergien 516 A-C der Sperrgebiete 550 A-C sein.
  • In dieser Konfiguration kann eine Lochenergiebarriere 554 A zwischen dem ersten Quantentopf 514 A und dem zweiten Quantentopf 514 B kleiner als eine Lochenergiebarriere 554 B zwischen dem zweiten Quantentopf 516 B und dem dritten Quantentopf 516 C sein. Mit anderen Worten, die Lochenergiebarrieren 554 A-C über die Sperrgebiete 516 A-C können über das aktive Gebiet 506 in der Richtung, die sich von der Deckschicht 120 zu der Abstandsschicht 118 erstreckt, schrittweise zunehmen. Die Elektronen-Loch-Energiesperren 554 A-C sind die Differenzen der Energien des Valenzbands 552 über die Grenzflächen zwischen den Quantentopfgebieten 514 A-C und den angrenzenden Sperrgebieten 516 A-C. Im Ergebnis der zunehmenden Elektronen-Loch-Energiesperren 554 A-C über die Sperrgebiete 516 A-C bei Bewegung von der Deckschicht 120 in Richtung der Abstandsschicht 108 kann innerhalb des aktiven Gebiets 506 eine Zunahme der Gleichförmigkeit der Verteilung der Löcher erzielt werden, was zu einer verbesserten Effizienz während des Betriebs einer Lichtemittervorrichtungsherstellung aus dem Halbleiter 500 führen kann.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, können die Sperrgebiete 516 A-C eine Materialzusammensetzung und eine Strukturkonfiguration aufweisen, die so gewählt sind, dass sie für jedes der Sperrgebiete 516 A-C ihre verschiedenen jeweiligen Bandlückenenergien 550 A-C bereitstellen. Als Beispiel und nicht als Beschränkung kann jedes Sperrgebiet 516 A-C ein ternäres III-Nitridmaterial wie etwa Inb3Ga1-b3N umfassen, wobei b3 wenigstens etwa 0,01 ist. Verringern des Indiumgehalts (d. h. Verringern des Werts von b3) in dem Inb3Ga1-b3N der Sperrgebiete 516 A-C kann die Bandlückenenergie der Sperrgebiete 516 A-C erhöhen. Somit kann das zweite Sperrgebiet 516 B im Verhältnis zu dem ersten Sperrgebiet 516 A einen niedrigeren Indiumgehalt aufweisen und kann das dritte Sperrgebiet 516 C im Verhältnis zu dem zweiten Sperrgebiet 516 B einen niedrigeren Indiumgehalt aufweisen. Außerdem können die Sperrgebiete 516 A-C und die Topfgebiete 514 A-C dotiert sein und können sie eine durchschnittliche Schnittdicke aufweisen, wie dies zuvor in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben worden ist.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, kann das aktive Gebiet 106 (aus 1A) in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wenigstens eine InGaN-Topfschicht und wenigstens eine InGaN-Barriereschicht umfassen und kann es in einigen Ausführungsformen wenigstens im Wesentlichen aus InGaN gebildet sein (wobei es z. B. bis auf die Anwesenheit von Dotierungsmitteln im Wesentlichen aus InGaN bestehen kann). Eine Mehrheit der zuvor bekannten Lichtemittervorrichtungsstrukturen, die InGaN-Topfschichten umfassen, enthalten GaN-Barriereschichten (wenigstens im Wesentlichen indiumfreie Barriereschichten). Die Differenz des Energieniveaus des Leitungsbands zwischen den InGaN-Topfschichten und den GaN-Barriereschichten ist verhältnismäßig hoch, was in Übereinstimmung mit Lehren im Gebiet eine verbesserte Beschränkung der Ladungsträger innerhalb der Topfschichten bereitstellt und zu verbesserter Effizienz der LED-Strukturen führen kann. Allerdings können die Strukturen und Verfahren des Standes der Technik zu einer Verringerung der Vorrichtungseffizienz wegen Ladungsträgerüberlaufs und piezoelektrischer Polarisation führen.
  • In der Ladungsträgerüberlauftheorie können die eine oder die mehreren Quantentopfschichten analog einem Wassereimer sein, wobei ihre Fähigkeit zum Erfassen und Halten injizierter Ladungsträger mit höherer Injektion von Ladungsträgern abnimmt. Wenn injizierte Ladungsträger nicht erfasst oder erhalten werden, laufen sie aus dem aktiven Gebiet über und werden verschwendet, was zu einem Abfall der Vorrichtungseffizienz beiträgt. In Strukturen des Standes der Technik, die InGaN-Quantentöpfe und GaN-Barriereschichten umfassen, ist der Bandversatz, d. h. die Differenz der Leitungsbandenergieniveaus zwischen den Quantentöpfen und den Sperren, erheblich größer als der Bandversatz für ein aktives Gebiet, das im Wesentlichen aus InGaN gebildet ist, wie es in den vorliegenden Ausführungsformen beschrieben ist. Die Verringerung des Bandversatzes in den hier beschriebenen Strukturen ermöglicht, dass sich die injizierten Ladungsträger effizienter über die Quantentopfgebiete des aktiven Gebiets verteilen, und erhöht dadurch die Effizienz der aus den hier beschriebenen Halbleiterstrukturen hergestellten Lichtemittervorrichtungen.
  • Wegen der Gitterfehlanpassung zwischen den InGaN-Topfschichten und den GaN-Barriereschichten tritt außerdem innerhalb des aktiven Gebiets in solchen Lichtemittervorrichtungsstrukturen eine verhältnismäßig starke piezoelektrische Polarisation auf. Die piezoelektrische Polarisation kann die Überlappung zwischen den Wellenfunktionen für die Elektronen und den Wellenfunktionen für die Löcher innerhalb der aktiven Gebiete der Lichtemittervorrichtungsstrukturen verringern. Wie z. B. in J. H. Son und J. L. Lee, Numerical Analysis of Efficiency Droop Induced by Piezoelectric Polarization in InGaN/GaN Light-Emitting Diodes, Appl. Phys. Lett. 97, 032109 (2010), offenbart ist, kann die piezoelektrische Polarisation zu etwas führen, das als ein ”Effizienzabfall” in solchen Lichtemittervorrichtungsstrukturen (z. B. LEDs) bezeichnet wird. Die Effizienzabfallerscheinung ist ein Abfall (eine Verringerung) in einem Graphen der internen Quanteneffizienz (IQE) der LED-Struktur mit zunehmender Stromdichte.
  • Ausführungsformen der Lichtemitterstruktur wie etwa LED-Strukturen der vorliegenden Offenbarung können Probleme zuvor bekannter LED-Strukturen, denen InGaN-Topfschichten und GaN-Barriereschichten mit einer Gitterfehlanpassung zugeordnet sind, den Ladungsträgerüberlauf, die Erscheinung der piezoelektrischen Polarisation und den Effizienzabfall mildern oder überwinden. Ausführungsformen der LEDs der vorliegenden Offenbarung wie etwa die aus der Halbleiterstruktur 100 aus 1A und 1B hergestellte LED-Struktur können so konfiguriert sein und ihre Energiebandstruktur kann so ausgelegt sein, dass das aktive Gebiet 106 eine verringerte piezoelektrische Polarisationswirkung und eine erhöhte Überlappung der Wellenfunktion der Elektronen und der Wellenfunktion der Löcher zeigt. Im Ergebnis kann die Lichtemittervorrichtung wie etwa können LEDs mit erhöhter Stromdichte eine verbesserte Gleichförmigkeit der Ladungsträger über das aktive Gebiet 106 und einen verringerten Effizienzabfall zeigen.
  • Diese Vorteile, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erreicht werden können, sind im Folgenden anhand von 10A und 10B, 11A–11E, 12A und 12B und 13A–13E weiter diskutiert. Die 10A und 10B stellen eine Ausführungsform einer LED 556 ähnlich zuvor bekannten LEDs dar. Die LED 556 enthält ein aktives Gebiet 558, das fünf (5) InGaN-Topfschichten 562 mit zwischen den InGaN-Topfschichten 562 angeordneten GaN-Barriereschichten 564 umfasst. Außerdem enthält die LED 556 eine Grundschicht 560, eine erste Abstandsschicht 566, eine zweite Abstandsschicht 568, eine Elektronensperrschicht 570 und eine Elektrodenschicht 572. In der LED 556 umfassen die InGaN-Topfschichten 562 Schichten aus In0,18Ga0,82N, die jeweils eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa zweieinhalb Nanometern (2,5 nm) aufweisen. Die Barriereschichten 564 umfassen Schichten aus GaN, die eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa zehn Nanometern (10 nm) aufweisen können. Die Grundschicht 560 umfasst eine Schicht aus dotiertem GaN, die eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa dreihundertfünfundzwanzig Nanometern (325 nm) aufweist, die mit Silicium mit einer Konzentration von etwa 5·1018 cm–3 n-dotiert ist. Die erste Abstandsschicht 566 kann undotiertes GaN mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa fünfundzwanzig Nanometern (25 nm) umfassen. Die zweite Abstandsschicht 568 kann ebenfalls undotiertes GaN mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa fünfundzwanzig Nanometern (25 nm) aufweisen. Die Elektronensperrschicht 570 kann p-dotiertes AlGaN umfassen. Die Elektrodenschicht 572 kann eine Schicht aus dotiertem GaN umfassen, so dass die Elektrodenschicht eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa einhundertfünfundzwanzig Nanometern (125 nm) aufweisen kann, die mit Magnesium mit einer Konzentration von etwa 5·1017 cm–3 p-dotiert ist. 10B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm ähnlich dem aus 1B und stellt die relativen Differenzen des Energieniveaus des Leitungsbands 574 (in einem Energiebanddiagramm) für die unterschiedlichen Materialien in den verschiedenen Schichten der LED 556 aus 10A dar. Die vertikalen Strichlinien in 10B sind auf die Grenzflächen zwischen den verschiedenen Schichten in der LED 556 aus 10A ausgerichtet.
  • Wie im Gebiet bekannt ist, kann das 8×8-Kane-Modell, das z. B. in S. L. Chuang und C. S. Chang, k·p Method for Strained Wurtzite Semiconductors, Phys. Rev. B54, 2491 (1996), offenbart ist, verwendet werden, um die Struktur des Valenzbands für Gruppe-III-Nitridmaterialien wie etwa GaN und InGaN zu charakterisieren. Es kann angenommen werden, dass die Aufteilung des schweren, des leichten und des aufgeteilten Zweigs des Valenzbands im Zentrum der Brillouin-Zone unabhängig von dem eingebauten elektrischen Feld ist. Somit können die Valenzteilbänder aus einer Lösung der gekoppelten Poisson- und Transportgleichung erhalten werden. Für die Wellenfunktionen der Elektronen und Löcher kann die folgende Form angenommen werden: unΨv·exp(kn·r) bzw. up,sΨv,sexp(kp·r), wobei un und up,s die Bloch-Amplituden der Elektronen und Löcher sind, die dem Zentrum der Brillouin-Zone entsprechen, kn und kp die Quasiimpulsvektoren in der Ebene sind, Ψv und Ψv,s die Einhüllendenfunktionen sind und der Index ”s” schwere (hh), leichte (lh) oder aufgeteilte (so) Löcher sein kann. Die eindimensionalen Schrödingergleichungen für Elektronen- und Locheinhüllendenfunktionen sind:
    Figure DE112014001385T5_0002
    wobei U eff / C und U eff / V,s das effektive Potential für Elektronen und Löcher in dem Quantentopf sind, Ev und Ev,s die Elektronen- und Lochenergieniveaus sind und m '' / n und m '' / p die effektiven Massen der Elektronen und Löcher in Richtung des epitaktischen Wachstums sind. Durch Lösen der obigen Schrödingergleichungen mit entsprechenden Randbedingungen wird das Überlappungsintegral zwischen der Elektronen- und Lochwellenfunktion dann erhalten aus:
    Figure DE112014001385T5_0003
  • Wie in S. L. Chuang, Physics of Phonic Devices, 2. Auflage (Wiley, New Jersey, 2009), offenbart ist, kann die Rate der Strahlungsrekombination von Elektronen und Löchern gegeben sein durch:
    Figure DE112014001385T5_0004
    wobei B der Strahlungsrekombinationskoeffizient ist, n die Elektronenkonzentration ist, p die Lochkonzentration ist und Fn – Fp der Quasi-Fermi-Niveau-Abstand ist. Die Elektronen- und die Lochkonzentration und der Quasi-Fermi-Niveau-Abstand variieren mit der Position über das aktive Gebiet einer LED. Die maximale Strahlungsrekombinationsrate in irgendeinem Quantentopf kann identifiziert werden und als die Spitzenstrahlungsrekombinationsrate für diesen jeweiligen Quantentopf angesehen werden.
  • 11A ist ein Graph, der die berechnete Energie der Bandkante des Leitungsbands 574 und des Valenzbands 576 der LED 550 aus 10A und 10B mit einem über die LED 556 angelegten Strom null als Funktion der Position (in Nanometern) über die LED 556, beginnend bei der Oberfläche der Grundschicht 560, die dem aktiven Gebiet 558 gegenüberliegt, darstellt. 11B ist ein ähnlicher Graph wie 11A, der aber die berechnete Energie der Bandkante des Leitungsbands 574 und des Valenzbands 576 für die LED 556 aus 10A und 10B bei einer angelegten Stromdichte über die LED 556 von einhundertfünfundzwanzig Ampere pro Quadratzentimeter (125 A/cm2) darstellt. 11C ist ein Graph, der die berechnete Intensität als Funktion der Wellenlänge für jede der fünf Quantentopfschichten 562 der LED 556 mit der angelegten Stromdichte über die LED 550 mit einhundertfünfundzwanzig Ampere pro Quadratzentimeter (125 A/cm2) darstellt. QW1 ist die ganz linke Quantentopfschicht 562 und QW5 ist die ganz rechte Quantentopfschicht 562 aus der Sicht von 10A und 10B. 11D veranschaulicht die berechnete Injektionseffizienz der LED 556 als Funktion der angelegten Stromdichte. Wie in 11D gezeigt ist, kann die LED 550 eine Injektionseffizienz von etwa 75,6 der angelegten Stromdichte von 125 A/cm2 zeigen. 11E veranschaulicht die berechnete interne Quanteneffizienz (IQE) der LED 556 als Funktion der angelegten Stromdichte. Wie in 11E gezeigt ist, kann die LED 556 bei der angelegten Stromdichte von 125 A/cm2 eine interne Quanteneffizienz von etwa 45,2% zeigen. Wie ebenfalls in 11E gezeigt ist, kann die interne Quanteneffizienz der LED 556 von über 50% der angelegten Stromdichte von etwa 20 A/cm2 auf unter 40% der angelegten Stromdichte von 250 A/cm2 abfallen. Wie zuvor diskutiert wurde, wird ein solcher Abfall der IQE im Gebiet als Effizienzabfall bezeichnet.
  • Die folgende Tabelle 1 zeigt für jede der fünf Quantentopfschichten 562 in der LED 550 aus 10A und 10B die berechnete Wellenfunktionsüberlappung und Spitzenstrahlungsrekombinationsrate. TABELLE 1
    QW1 QW2 QW3 QW4 QW5
    Wellenfunktionsüberlappung 0,328 0,326 0,325 0,341 0,362
    Spitzenstrahlungsrekombinationsrate 6,5·1026 3,3·1026 3,3·1026 6,8·1026 2,4·1027
  • Wie aus 11C und der obigen Tabelle 1 zu sehen ist, kommen die Strahlungsrekombinationen hauptsächlich von der letzten Topfschicht 562 (der nächsten zu der p-dotierten Seite oder Anode), die der Quantentopf Nummer 5 (d. h. QW5) in der LED 556 ist. Wie in 11E weiter gezeigt ist, zeigt die LED 556 ferner einen Effizienzabfall, der sich wenigstens teilweise wegen der piezoelektrischen Polarisation ergeben kann, die wie zuvor diskutiert durch die Verwendung der InGaN-Topfschichten 562 und der GaN-Barriereschichten 564 verursacht ist.
  • Ausführungsformen von LEDs der vorliegenden Offenbarung, die ein aktives Gebiet, das wenigstens eine InGaN-Topfschicht und wenigstens eine InGaN-Barriereschicht enthält, wie etwa das aktive Gebiet 106 der LED 100 enthalten, können eine verbesserte Gleichförmigkeit der in den Topfschichten auftretenden Strahlungsrekombination zeigen und können einen verringerten Effizienzabfall zeigen. Anhand der folgenden 12A und 12B und 13A bis 13E wird ein Vergleich einer Ausführungsform einer LED der vorliegenden Offenbarung mit der LED 550 gegeben.
  • Die 12A und 12B stellen ein anderes Beispiel einer Ausführungsform einer LED 600 der vorliegenden Offenbarung dar. Die LED 600 enthält ein aktives Gebiet 106, das fünf (5) InGaN-Topfschichten 114 mit InGaN-Barriereschichten 116, die zwischen den InGaN-Topfschichten 114 angeordnet sind, umfasst. Die InGaN-Topfschichten 114 und die InGaN-Barriereschichten 116 können wie zuvor anhand von 1A und 1B in Bezug auf die Halbleiterstruktur 100 beschrieben sein. Außerdem enthält die LED 600 eine Grundschicht 112, eine erste Abstandsschicht 118, eine Deckschicht 120 und eine InGaN-Elektrodenschicht 104. Die InGaN-Topfschichten 114 in der LED 600 umfassen Schichten aus In0,18Ga0,82N, die jeweils eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa zweieinhalb Nanometern (2,5 nm) aufweisen. Die Barriereschichten 116 umfassen Schichten aus In0,08Ga0,92N und können jeweils eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa zehn Nanometern (10 nm) aufweisen. Die Grundschicht 112 umfasst eine Schicht aus dotiertem In0,05Ga0,95N mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa dreihundert Nanometern (300 nm), die mit Silicium mit einer Konzentration von etwa 5·1018 cm–3 n-dotiert ist. Die erste Abstandsschicht 118 kann undotiertes In0,08Ga0,92N mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa fünfundzwanzig Nanometern (25 nm) umfassen. Die Deckschicht 120 kann ebenfalls undotiertes In0,08Ga0,92N mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa fünfundzwanzig Nanometern (25 nm) umfassen. Die Elektrodenschicht 104 kann eine Schicht aus dotiertem In0,05Ga0,95N umfassen, die eine durchschnittliche Schichtdicke von etwa einhundertfünfzig Nanometern (150 nm) aufweisen kann, die mit Magnesium mit einer Konzentration von etwa 5·10 cm–3 p-dotiert ist. 12B ist ein vereinfachtes Leitungsbanddiagramm, das für die unterschiedlichen Materialien in den verschiedenen Schichten der LED 600 aus 12A die relativen Differenzen des Energieniveaus des Leitungsbands 602 (in einem Energiebanddiagramm) darstellt.
  • 13A ist ein Graph, der die berechnete Energie der Bandkante des Leitungsbands 602 und des Valenzbands 604 für die LED 600 aus 12A und 12B mit einem über die LED 600 angelegten Strom von null als Funktion der Position (in Nanometern) über die LED 600, beginnend bei der Oberfläche der Grundschicht 112, die dem aktiven Gebiet 106 gegenüberliegt, darstellt. 13B ist ein ähnlicher Graph wie 13A, der aber die berechnete Energie der Bandkante des Leitungsbands 602 und des Valenzbands 604 für die LED 600 aus 12A und 12B bei einer angelegten Stromdichte über die LED 600 von einhundertfünfundzwanzig Ampere pro Quadratzentimeter (125 A/cm2) darstellt. 13C ist ein Graph, der die berechnete Intensität als Funktion der Wellenlänge für jede der fünf Quantentopfschichten 108 der LED 600 mit der angelegten Stromdichte über die LED 600 von einhundertfünfundzwanzig Ampere pro Quadratzentimeter (125 A/cm2) darstellt. QW1 ist die ganz linke Quantentopfschicht 108 und QW5 ist die ganz rechte Quantentopfschicht 108 aus Sicht von 12A und 12B. 13D veranschaulicht die berechnete Injektionseffizienz der LED 600 als Funktion der angelegten Stromdichte. Wie in 13D gezeigt ist, kann die LED 600 eine Injektionseffizienz von etwa 87,8% einer angelegten Stromdichte von 125 A/cm2 zeigen und kann sie über einen Bereich der Stromdichten, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, eine Ladungsträgerinjektionseffizienz von wenigstens etwa 80% zeigen. 13E veranschaulicht die berechnete interne Quanteneffizienz (IQE) der LED 600 als Funktion der angelegten Stromdichte. Wie in 13E gezeigt ist, kann die LED 600 eine interne Quanteneffizienz von etwa 58,6% einer angelegten Stromdichte von 125 A/cm2 zeigen. Wie ebenfalls in 13E gezeigt ist, kann die interne Quanteneffizienz der LED 600 bei einer angelegten Stromdichte in dem Bereich, der sich von etwa 20 A/cm2 bis 250 A/cm2 erstreckt, zwischen etwa 55% und etwa 60% bleiben. Somit zeigt die LED 600 sehr wenig Effizienzabfall und erheblich weniger Effizienzabfall als den Effizienzabfall, der von der LED 500 gezeigt wird (wobei die LED 500 nicht Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung entspricht).
  • Die folgende Tabelle 2 zeigt für jede der fünf Quantentopfschichten 108 in der LED 600 aus 12A und 12B die berechnete Wellenfunktionsüberlappung und Spitzenstrahlungsrekombinationsrate. TABELLE 2
    QW1 QW2 QW3 QW4 QW5
    Wellenfunktionsüberlappung 0,478 0,493 0,494 0,494 0,471
    Spitzenstrahlungsrekombinationsrate 7,8·1026 7,7·1026 7,9·1026 8,1·1026 8,3·1026
  • Wie aus 13C und aus der obigen Tabelle 2 zu sehen ist, sind die Strahlungsrekombinationen über die Topfschichten 108 in der LED 600 im Vergleich zu den Topfschichten 508 in der LED 500 gleichförmiger.
  • Die LED 550 aus 10A und 10B und die LED 600 aus 12A und 12B wurden unter Verwendung der Software SiLENSe modelliert, die von der STR Group, Inc., kommerziell verfügbar ist. Die Software SiLENSe wurde ebenfalls verwendet, um die Graphen aus 11A–11E und 13A–13E zu erzeugen und um die in den Tabellen 1 und 2 dargestellten Daten zu erhalten.
  • In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die LEDs über einen Bereich der Stromdichte, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, eine interne Quanteneffizienz von wenigstens etwa 45 zeigen, über einen Bereich der Stromdichte, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, von etwa 50 zeigen oder über einen Bereich der Stromdichte, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, sogar von wenigstens etwa 55 zeigen. Ferner können die LEDs über einen Bereich der Stromdichte, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, eine wenigstens im Wesentlichen konstante Ladungsträgerinjektionseffizienz zeigen. In einigen Ausführungsformen können die LEDs der vorliegenden Offenbarung über einen Bereich der Stromdichten, der sich von etwa 20 A/cm2 bis etwa 250 A/cm2 erstreckt, eine Ladungsträgerinjektionseffizienz von wenigstens etwa 80 zeigen.
  • Im Folgenden sind anhand von 6C bis 6D nichteinschränkende Beispiele für Verfahren, die genutzt werden können, um Halbleiterstrukturen und Lichtemittervorrichtungen wie etwa LEDs der Ausführungsformen der Offenbarung herzustellen, kurz beschrieben, und sind anhand von 7 und 8 Beispiele der durch diese Verfahren hergestellten Lichtemittervorrichtungen beschrieben.
  • Anhand von 6C kann in einer Ablagerungskammer eine (wie oben beschrieben hergestellte) Wachstumsschablone 113 abgelagert werden und können auf einer oder mehreren Keimschichten 656 der Wachstumsschablone 113 epitaktisch aufeinander folgend Schichten wachsen, die Gruppe-III-Nitridmaterialien umfassen, die üblicherweise als der Wachstumsstapel 682 (siehe 6D) bezeichnet werden. Obwohl die Keimschicht als eine oder mehrere Inseln aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial dargestellt ist, wird angemerkt, dass die Keimschicht in einigen Ausführungsformen einen unterbrochenen Film über dem Wachstumssubstrat 658 umfassen kann.
  • 6D stellt eine Halbleiterstruktur 680 dar, die eine Wachstumsschablone 113 umfasst, die zwei Keimschichten 656 umfasst, auf denen jeweils verschiedene Schichten der Halbleiterstruktur 100 aus 1A und 1B abgelagert sind. Insbesondere ist direkt auf jeder der Keimschichtstrukturen 656 eine InnGa1-nN-Grundschicht 112 einer Halbleiterstruktur 100 epitaktisch abgelagert, wobei über der Wachstumsschablone 112 eine InGaN-Abstandsschicht 118, eine InGaN-Topfschicht 114, eine InGaN-Barriereschicht 116, eine InGaN-Deckschicht 120, eine Elektronensperrschicht 108, eine p-Bulk-Schicht 110 und eine p-Kontaktschicht 104 aufeinander folgend epitaktisch abgelagert sind.
  • Die verschiedenen Schichten der Halbleiterstruktur 680, die den Wachstumsstapel 682 bilden, können z. B. unter Verwendung eines Prozesses und Systems der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) innerhalb einer einzigen Ablagerungskammer, d. h. ohne die Notwendigkeit, den Wachstumsstapel während des Ablagerungsprozesses zu entladen oder zu entladen, abgelagert werden. Der Druck innerhalb der Ablagerungskammer kann auf zwischen etwa 50 mTorr und etwa 500 mTorr verringert werden. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer während des Ablagerungsprozesses kann während der Ablagerung des Wachstumsstapels 682 erhöht und/oder verringert werden und kann somit für die spezifische Schicht, die abgelagert wird, angepasst werden. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann der Druck in der Reaktionskammer während der Ablagerung der InnGa1-nN-Grundschicht 112, der Abstandsschicht 118, der einen oder mehreren Topfschichten 114/Barriereschichten 116, der Deckschichten 120 und der Elektronensperrschicht 108 in dem Bereich zwischen etwa 50 mTorr und etwa 500 mTorr liegen und in einigen Ausführungsformen gleich etwa 440 mTorr sein. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer für die Ablagerung der p-Bulk-Schicht 110 und der p-Kontaktschicht 104 kann in dem Bereich zwischen etwa 50 mTorr und etwa 250 mTorr liegen und in einigen Ausführungsformen gleich etwa 100 mTorr sein.
  • Die Wachstumsschablone 113 kann innerhalb der Ablagerungskammer auf eine Temperatur zwischen etwa 600°C und etwa 1000°C erwärmt werden. Daraufhin kann veranlasst werden, dass metallorganische Vorläufergase und andere Vorläufergase (und optional Träger- und/oder Spülgase) über die Ablagerungskammer und über die eine oder die mehreren Keimschichten 656 der Wachstumsschablone 113 strömen. Die metallorganischen Vorläufergase können in einer Weise reagieren, zerfallen oder sowohl reagieren als auch zerfallen, dass dies zu der epitaktischen Ablagerung der Gruppe-II-Nitridschichten wie etwa InGaN-Schichten auf der Wachstumsschablone 113 führt.
  • Als nichteinschränkende Beispiele kann als ein metallorganischer Vorläufer für das Indium des InGaN Trimethylindium (TMI) verwendet werden, kann als ein metallorganischer Vorläufer für das Gallium des InGaN Triethylgallium (TMG) verwendet werden, kann als ein metallorganischer Vorläufer für das AlGaN Triethylaluminium (TMA) verwendet werden und kann als ein Vorläufer für den Stickstoff der Gruppe-III-Nitridschichten Ammoniak verwendet werden. Wenn erwünscht ist, das Gruppe-III-Nitrid zu n-dotieren, kann als ein Vorläufer für die Einführung von Silicium in das InGaN SiH4 verwendet werden, und wenn erwünscht ist, die Gruppe III zu p-dotieren, kann als ein Vorläufer für die Einführung von Magnesium in das Gruppe-III-Nitrid Cp2Mg (Di(cyclopentadienyl)magnesium) [engl.: ”(bis (cyclopentadienl)magnesium)”] verwendet werden. Es kann vorteilhaft sein, ein Verhältnis des Indiumvorläufers (z. B. Trimethylindium) zu dem Galliumvorläufer (z. B. Triethylgallium) anzupassen, was dazu führt, dass Indium in das InGaN in einer Konzentration eingebaut wird, die nahe einem Sättigungspunkt für Indium in dem InGaN bei der Ablagerungstemperatur ist. Der Prozentsatz des in das InGaN eingebauten Indiums kann gesteuert werden, während das InGaN durch Steuern der Wachstumstemperatur epitaktisch wächst. Bei verhältnismäßig niedrigeren Temperaturen werden verhältnismäßig höhere Mengen Indium eingebaut und bei verhältnismäßig höheren Temperaturen werden verhältnismäßig niedrigere Mengen Indium eingebaut. Als nichteinschränkende Beispiele können die InGaN-Topfschichten 108 bei Temperaturen in einem Bereich, der sich von etwa 600°C bis etwa 950°C erstreckt, abgelagert werden.
  • Die Ablagerungstemperatur der verschiedenen Schichten des Wachstumsstapels 100 kann während des Ablagerungsprozesses erhöht und/oder verringert werden und kann somit für die spezifische Schicht, die abgelagert wird, angepasst werden. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Ablagerungstemperatur während der Ablagerung der InnGa1-nN-Grundschicht 112, der p-Bulk-Schicht 110 und der p-Kontaktschicht 104 im Bereich zwischen etwa 600° bis etwa 950°C liegen und kann sie in einigen Ausführungsformen gleich etwa 900°C sein. Die Wachstumsrate der InnGa1-nN-Grundschicht 112, der p-Bulk-Schicht 110 und der p-Kontaktschicht 104 kann in einem Bereich zwischen etwa einem Nanometer pro Minute (1 nm/min) und etwa dreißig Nanometern pro Minute (30 nm/min) liegen und in einigen Ausführungsformen kann die Wachstumsrate der InnGa1-nN-Grundschicht 112, der p-Bulk-Schicht 110 und der p-Kontaktschicht 104 gleich etwa 6 Nanometern pro Minute (6 nm/min) sein.
  • In zusätzlichen nichteinschränkenden beispielhaften Ausführungsformen kann die Ablagerungstemperatur während der Ablagerung der Abstandsschicht 118, der einen oder mehreren Topfschichten 114, der einen oder mehreren Barriereschichten 116, der Deckschicht 120 und der Elektronensperrschicht 108 in einem Bereich zwischen etwa 600° und etwa 950°C liegen und kann sie in einigen Ausführungsformen gleich etwa 750°C sein. Die Wachstumsrate der Abstandsschicht 118, der einen oder mehreren Topfschichten 114, der einen oder mehreren Barriereschichten 116, der Deckschicht 120 und der Elektronensperrschicht 108 kann in einem Bereich zwischen etwa einem Nanometer pro Minute (1 nm/min) bis etwa dreißig Nanometer pro Minute (30 nm/min) liegen, wobei die Wachstumsrate der Abstandsschicht 118, der einen oder der mehreren Topfschichten 114, der einen oder mehreren Barriereschichten 116, der Deckschicht 120 und der Elektronensperrschicht 108 in einigen Ausführungsformen gleich etwa einem Nanometer pro Minute (1 nm/min) sein kann.
  • In Ausführungsformen, die die Ablagerung von InGaN-Schichten umfassen, kann das Durchflussverhältnis der Vorläufergase so gewählt werden, dass InGaN-Schichten mit hoher Qualität bereitgestellt werden. Die Verfahren zum Bilden der InGaN-Schichten der Halbleiterstruktur 100 können z. B. das Wählen des Gasverhältnisses zum Bereitstellen einer oder mehrerer InGaN-Schichten mit niedriger Fehlstellendichte, die im Wesentlichen frei von einer Spannungsrelaxation und im Wesentlichen frei von Oberflächenvertiefungen sind, umfassen.
  • In nichteinschränkenden Beispielen kann das Durchflussverhältnis (%) von Trimethylindium (TMI) zu Trietyhlgallium (TMG) definiert werden als: Durchflussverhältnis (%) = Durchfluss (TMI) / Durchfluss (TMI + TEG)·100, wobei dieses Durchflussverhältnis während des Ablagerungsprozesses erhöht und/oder verringert werden kann und somit für die spezifische InGaN-Schicht, die abgelagert wird, angepasst werden kann. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann das Durchflussverhältnis während der Ablagerung der InnGa1-nN-Grundschicht 112 und der p-Bulk-Schicht 110 in dem Bereich zwischen etwa 50% bis etwa 95°C liegen und kann es in einigen Ausführungsformen gleich etwa 85% sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Durchflussverhältnis während der Ablagerung der Abstandsschicht 118, der einen oder mehreren Barriereschichten 116 und der Deckschicht 120 in dem Bereich zwischen etwa 1% und etwa 50% liegen und kann es in einigen Ausführungsformen gleich etwa 2% sein. In abermals weiteren Ausführungsformen kann das Durchflussverhältnis während der Ablagerung der einen oder mehreren Quantentopfschichten 114 in dem Bereich zwischen etwa 1% und etwa 50% liegen und kann es in einigen Ausführungsformen gleich etwa 30% sein.
  • Optional kann die Wachstumsschablone 113 während der Ablagerungsprozesse innerhalb der Ablagerungskammer gedreht werden. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Wachstumsschablone 113 innerhalb der Ablagerungskammer während der Ablagerungsprozesse mit einer Drehzahl zwischen etwa 50 Umdrehungen pro Minute (min–1) und etwa 1500 Umdrehungen pro Minute (min–1) gedreht werden und kann sie in einigen Ausführungsformen mit einer Drehzahl gleich etwa 450 Umdrehungen pro Minute (min–1) gedreht werden. Die Drehzahl während des Ablagerungsprozesses kann während der Ablagerung erhöht und/oder verringert werden und kann somit für die spezifische Schicht, die abgelagert wird, angepasst werden. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Drehzahl der Wachstumsschablone während der Ablagerung der InnGa1-nN-Grundschicht 112, der Abstandsschicht 118, der einen oder mehreren Topfschichten 114, der einen oder mehreren Barriereschichten 116, der Deckschichten 120 und der Elektronensperrschicht 108 in einem Bereich zwischen etwa 50 Umdrehungen pro Minute (min–1) und etwa 1500 Umdrehungen pro Minute (min–1) liegen und in einigen Ausführungsformen kann sie mit einer Drehzahl gleich etwa 440 Umdrehungen pro Minute (min–1) gedreht werden. Die Drehzahl der Wachstumsschablone 113 während der Ablagerung der p-Bulk-Schicht 110 und der p-Kontaktschicht 104 kann in einem Bereich zwischen etwa 50 Umdrehungen pro Minute (min–1) und etwa 1500 Umdrehungen pro Minute (min–1) liegen und in einigen Ausführungsformen kann sie sich mit einer Drehzahl gleich etwa 1000 Umdrehungen pro Minute (min–1) drehen.
  • In Ausführungsformen der Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung, die die Ablagerung von Gruppe-III-Nitrid und insbesondere von InGaN-Schichten umfassen, kann die Formänderungsenergie der einen oder mehreren InGaN-Schichten, die den über der Wachstumsschablone 113 epitaktisch abgelagerten Wachstumsstapel 682 bilden, die Effizienz der aus diesen Halbleiterstrukturen hergestellten Lichtemittervorrichtungen beeinflussen. In einigen Ausführungsformen kann die innerhalb des Wachstumsstapels 682 entwickelte Gesamtformänderungsenergie mit der Effizienz, wie sie durch die interne Quanteneffizienz (IQE) der Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung definiert ist, in Beziehung gesetzt werden.
  • Ausführlicher ist die innerhalb einer n-ten Schicht InGaN gespeicherte Formänderungsenergie proportional zu der durchschnittlichen Gesamtdicke Tn der n-ten Schicht InGaN und zu der Konzentration von Indium %Inn in der n-ten Schicht InGaN. Außerdem ist die Gesamtformänderungsenergie, die bei den mehreren InGaN-Schichten gespeichert ist, die den Wachstumsstapel 682 bilden, proportional zu der Summe der durchschnittlichen Gesamtdicke Tn jeder der InGaN-Schichten und zu der Konzentration des Indiums %Inn in jeder der InGaN-Schichten, so dass die Gesamtformänderungsenergie innerhalb der InGaN-Schichten, die den Wachstumsstapel 702 bilden, unter Verwendung der folgenden Gleichung geschätzt werden kann: Gesamtformänderungsenergie (willk. Einh.) ∝ Σ(%Inn·Tn), wobei die durchschnittliche Gesamtdicke Tn der n-ten Schicht in Nanometern (nm) ausgedrückt wird und die Konzentration von Indium in der n-ten InGaN-Schicht %Inn als Atomprozentsatz ausgedrückt wird. Zum Beispiel kann die Formänderungsenergie innerhalb der n-ten Schicht aus InGaN 300 willkürliche Einheiten (300 = 150(2)) sein, falls eine n-te Schicht aus InGaN eine durchschnittliche Gesamtdicke Tn von einhundertfünfzig Nanometern (150 nm) und eine Indiumkonzentration %Inn von 2,0 bei % aufweist.
  • 9 veranschaulicht einen Graphen 900, der die Beziehung zwischen IQE (willkürliche Einheiten) und der Gesamtformänderungsenergie (willkürliche Einheiten) für die Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie durch die Linie 902 des Graphen 900 dargestellt ist, kann die IQE der Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung bei einem als die ”kritische Formänderungsenergie” der Halbleiterstruktur bezeichneten Wert der Gesamtformänderungsenergie abnehmen. Die IQE der Halbleiterstrukturen unterhalb der kritischen Formänderungsenergie (wie sie durch die Linie 904 dargestellt sind) kann wesentlich größer als die IQE der Halbleiterstrukturen oberhalb der kritischen Formänderungsenergie (wie sie durch die Linie 906 dargestellt ist) sein, wobei z. B. der Graph 900 (wie durch rechteckige Anzeiger gezeigte) IQE-Werte für mehrere Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung darstellt. In einigen Ausführungsformen kann die IQE unterhalb der kritischen Formänderungsenergie etwa 500% höher als die IQE oberhalb der kritischen Formänderungsenergie sein. In weiteren Ausführungsformen kann die IQE unterhalb der kritischen Formänderungsenergie etwa 250% höher als die IQE oberhalb der kritischen Formänderungsenergie sein. In abermals weiteren Ausführungsformen kann die IQE unterhalb der kritischen Formänderungsenergie etwa 100% höher als die IQE oberhalb der kritischen Formänderungsenergie sein.
  • Für die Halbleiterstrukturen der vorliegenden Offenbarung kann die kritische Formänderungsenergie 902, die durch die Summe des Produkts jeder Schichtdicke (in nm) mit dem Indiumgehalt (in %) jeder Schicht definiert ist, einen Wert von etwa 1800 oder weniger, von etwa 2800 oder weniger oder sogar von etwa 4500 oder weniger aufweisen.
  • In der vorliegenden Offenbarung können die mehreren Gruppe-III-Nitridschichten, die den Wachstumsstapel 682 aus 6D bilden, in der Weise abgelagert werden, dass der Wachstumsstapel 682 im Wesentlichen vollständig so gespannt ist, dass er an das Kristallgitter der InsGa1-sN-Keimschicht 656 der Wachstumsschablone 113 angepasst ist. In solchen Ausführungsformen, in denen der Wachstumsstapel 682 im Wesentlichen vollständig gespannt, d. h. im Wesentlichen frei von einer Spannungsrelaxation, wachsen gelassen wird, kann der Wachstumsstapel den Gitterparameter der InsGa1-sN-Keimschicht erben. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die InsGa1-s-N-Keimschicht einen Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als 3,2 Angström zeigen und kann der Wachstumsstapel einen Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als 3,2 Angström zeigen. Somit können die Halbleiterstrukturen 100, 200, 300, 400 und 500 in nichteinschränkenden Beispielen in der Weise gebildet werden, dass sie aus vollständig gespannten Materialien zusammengesetzt sind, und können sie einen solchen Wachstumsebenen-Gitterparameter aufweisen.
  • In weiteren Ausführungsformen können die mehreren Gruppe-III-Nitridschichten, die den Wachstumsstapel 682 aus 6D bilden, in der Weise abgelagert werden, dass der Wachstumsstapel 682 teilweise entspannt ist, d. h., dass sich der Gitterparameter des Wachstumsstapels 682 von dem der darunterliegenden InsGa1-sN-Keimschicht unterscheidet.
  • In solchen Ausführungsformen kann die prozentuale Spannungsrelaxation (R) definiert sein als:
    Figure DE112014001385T5_0005
    wobei a der durchschnittliche Wachstumsebenen-Gitterparameter für den Wachstumsstapel 682 ist, as der durchschnittliche Wachstumsebenen-Gitterparameter des InsGa1-sN-Keims ist und a1 der durchschnittliche Gleichgewichtswachstumsebenen-Gitterparameter (oder der durchschnittliche Wachstumsebenen-Gitterparameter für den natürlichen Zustand) für den Wachstumsstapel ist. Zum Beispiel kann der Wachstumsstapel 682 in einigen Ausführungsformen eine prozentuale Spannungsrelaxation (R) von weniger als etwa 0,5% zeigen, kann der Wachstumsstapel 682 in weiteren Ausführungsformen eine prozentuale Spannungsrelaxation (R) von weniger als etwa 10% zeigen und kann der Wachstumsstapel 682 in abermals weiteren Ausführungsformen eine prozentuale Spannungsrelaxation (R) von weniger als etwa 50% zeigen.
  • Nach der epitaktischen Ablagerung der verschiedenen Schichten der Halbleiterstrukturen, die die Gruppe-III-Nitridmaterialien bilden, kann eine Weiterverarbeitung angewendet werden, um die Herstellung der Halbleiterstrukturen zu Lichtemittervorrichtungen wie etwa LEDs abzuschließen. Zum Beispiel können auf den Schichten der Gruppe-III-Nitridmaterialien unter Verwendung von Prozessen, die im Gebiet bekannt sind und die im Folgenden anhand von 7 und 8 kurz beschrieben werden, Elektrodenkontakte gebildet werden.
  • In 7 ist ein Beispiel einer Lichtemittervorrichtung 700 wie etwa einer LED dargestellt, die aus der Halbleiterstruktur 100 hergestellt ist. Obwohl die folgende Beschreibung Ausführungsformen zur Herstellung von Lichtemittervorrichtungen aus der Halbleiterstruktur 100 beschreibt, wird angemerkt, dass diese Herstellungsprozesse ebenfalls auf die Halbleiterstrukturen 200, 300, 400 und 500 angewendet werden können.
  • Ausführlicher kann ein Abschnitt der Halbleiterstruktur 100 entfernt werden, wodurch ein Abschnitt der InnG1-naN-Grundschicht 112 freigelegt wird. Die Entfernung eines ausgewählten Abschnitts der Halbleiterstruktur 100 kann durch Auftragen einer lichtempfindlichen Chemikalie auf die freiliegende Oberfläche der p-Kontaktschicht 100 der Halbleiterstruktur 100 (nicht gezeigt) verwirklicht werden. Wenn sie einer elektromagnetischen Strahlung durch eine gemusterte durchsichtige Platte ausgesetzt und nachfolgend entwickelt wird, kann die lichtempfindliche Schicht als eine ”Maskenschicht” genutzt werden, um die selektive Entfernung der Gruppe-III-Nitridschichten über der InnGa1-nN-Grundschicht 112 zu ermöglichen. Die Entfernung ausgewählter Abschnitte der Gruppe-III-Nitridschichten über der InnG1-naN-Trägeschicht 112 kann einen Ätzprozess, z. B. ein chemisches Nassätzen und/oder ein plasmabasiertes Trockenätzen (z. B. reaktives Ionenätzen, induktiv gekoppeltes Plasmaätzen), umfassen.
  • Über einem Abschnitt der freiliegenden InnG1-naN-Grundschicht 112 kann ein erster Elektrodenkontakt 702 gebildet werden. Der erste Elektrodenkontakt 702 kann eines oder mehrere Metalle umfassen, die Titan, Aluminium, Nickel, Gold und eine oder mehrere Legierungen davon enthalten können. Über einem Abschnitt der p-Kontaktschicht 104 kann ein zweiter Elektrodenkontakt 704 gebildet werden, wobei der zweite Elektrodenkontakt 704 eine oder mehrere Metallschichten umfassen kann, die Nickel, Gold, Platin, Silber und eine oder mehrere Legierungen davon enthalten können. Bei Bildung des ersten Elektrodenkontakts 702 und des zweiten Elektrodenkontakts 704 kann Strom durch die Lichtemittervorrichtung 700 geleitet werden, um elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form von sichtbarem Licht, zu erzeugen. Es wird angemerkt, dass die Lichtemittervorrichtung 700 im Gebiet üblicherweise als eine ”Quervorrichtung” bezeichnet wird, da wenigstens ein Abschnitt des Stromwegs zwischen dem ersten Elektrodenkontakt 702 und dem zweiten Elektrodenkontakt 704 einen Querweg umfasst.
  • In 8 ist ein weiteres Beispiel einer Lichtemittervorrichtung 800 wie etwa einer LED, die aus der Halbleiterstruktur 100 hergestellt ist, dargestellt, wobei wieder angemerkt wird, dass diese Herstellungsprozesse ebenfalls auf die Halbleiterstruktur 200, 300, 400 und 500 angewendet werden können, obwohl die folgende Beschreibung Ausführungsformen zur Herstellung von Lichtemittervorrichtungen aus der Halbleiterstruktur 100 beschreibt.
  • Genauer kann die gesamte Wachstumsschablone 113 oder ein Abschnitt davon von der Halbleiterstruktur 100 entfernt werden, um das Freilegen entweder der InsGa1-sN-Schicht 656 zu ermöglichen oder um in einer Ausführungsform das Freilegen der InnGa1-nN-Grundschicht 112 zu ermöglichen.
  • Die Entfernung der gesamten Wachstumsschablone 113 oder eines Abschnitts davon kann eine oder mehrere Entfernungsverfahren einschließlich Nassätzen, Trockenätzen, chemisch-mechanischem Polieren, Abschleifen und Laserablösen umfassen. Bei Entfernung der gesamten Wachstumsschablone 113 oder eines Abschnitts davon kann auf die InnGa1-nN-Grundschicht 112 wie oben beschrieben ein erster Elektrodenkontakt 802 aufgetragen werden. Nachfolgend kann auf einen Abschnitt der p-Kontaktschicht 104 ein zweiter Elektrodenkontakt 804 aufgetragen werden, wodurch die Lichtemittervorrichtung 800 gebildet wird. Bei Bildung des ersten Elektrodenkontakts 802 und des zweiten Elektrodenkontakts 804 kann Strom durch die Lichtemittervorrichtung 800 geleitet werden, um elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form von sichtbarem Licht, zu erzeugen. Es wird angemerkt, dass die Lichtemittervorrichtung 800 im Gebiet üblicherweise als eine ”vertikale Vorrichtung” bezeichnet wird, da der Stromweg zwischen der ersten Elektrodenschicht 802 und der zweiten Elektrodenschicht 804 einen im Wesentlichen vertikalen Weg umfasst.
  • Außer den oben beschriebenen Herstellungsverfahren und Herstellungsprozessen für die Herstellung der nichteinschränkenden beispielhaften Lichtemittervorrichtungen 700 und 800 wird angemerkt, dass zusätzliche im Gebiet bekannte Verfahren und Prozesse wie etwa z. B. unter anderen gut bekannten Herstellungsverfahren Oberflächenaufrauung zum Verbessern der Lichtextraktion, Bonden an Metallträger zum Verbessern der Wärmeableitung und der im Gebiet als ”Flip-Chip-Bonden” bekannte Prozess ebenfalls genutzt werden können.
  • Eine Lichtemittervorrichtung wie etwa LEDs in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann in irgendeinem Typ einer Lichtemittervorrichtung, die darin eine oder mehrere LEDs integriert, hergestellt und verwendet werden. Ausführungsformen von LEDs der vorliegenden Offenbarung können insbesondere zur Verwendung in Anwendungen geeignet sein, die LEDs nutzen, die unter verhältnismäßig hoher Leistung arbeiten und die eine verhältnismäßig hohe Helligkeit erfordern. Zum Beispiel können LEDs der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung in LED-Lampen und in LED-basierten Glühlampen, die zum Beleuchten von Gebäuden, für die Straßenbeleuchtung, für die Kraftfahrzeugbeleuchtung usw. verwendet werden können, besonders geeignet sein.
  • Zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten Leuchtvorrichtungen zum Emittieren von Licht, die eine oder mehrere wie hier beschriebene LEDs wie etwa die Lichtemittervorrichtung 700 aus 7 und die Lichtemittervorrichtung 800 aus 8 enthalten. Als nichteinschränkende Beispiele können die Leuchtvorrichtungen wie z. B. im US-Patent Nr. 6.600.175 , erteilt am 29. Juli 2003 an Baretz u. a., deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschrieben sein, aber eine oder mehrere wie hier beschriebene LEDs enthalten.
  • 14 stellt eine beispielhafte Ausführungsform einer Leuchtvorrichtung 900 der vorliegenden Offenbarung dar, die eine Lichtemittervorrichtung wie die Vorrichtung 700, 800, wie sie anhand von 7 und 8 beschrieben ist, enthält. Wie in 14 gezeigt ist, kann die Leuchtvorrichtung 900 einen Behälter 902 enthalten, von dem wenigstens ein Abschnitt wenigstens im Wesentlichen für elektromagnetische Strahlung in dem sichtbaren Gebiet des elektromagnetischen Strahlungsspektrums durchlässig ist. Der Behälter 902 kann z. B. ein amorphes oder kristallines Keramikmaterial (z. B. ein Glas) oder ein Polymermaterial umfassen. Die LED 800 ist innerhalb des Behälters 902 angeordnet und kann innerhalb des Behälters 902 an einer Stützstruktur 904 (z. B. an einer Leiterplatte oder an einem anderen Substrat) montiert sein. Ferner enthält die Leuchtvorrichtung 900 eine erste elektrische Kontaktstruktur 906 und eine zweite elektrische Kontaktstruktur 908. Die erste elektrische Kontaktstruktur 906 kann in elektrischer Verbindung mit einem der Elektrodenkontakte der LED wie etwa mit dem ersten Elektrodenkontakt 802 (8) stehen und die zweite elektrische Kontaktstruktur 908 kann in elektrischer Verbindung mit den anderen Elektrodenkontakten der LED wie etwa mit dem zweiten Elektrodenkontakt 804 (8) stehen. Als ein nichteinschränkendes Beispiel kann die erste elektrische Kontaktstruktur 906 über die Stützstruktur 904 mit dem ersten Elektrodenkontakt 804 in elektrischer Verbindung stehen und kann ein Draht 910 verwendet sein, um die zweite elektrische Kontaktstruktur 908 mit dem zweiten elektrischen Kontakt 804 elektrisch zu koppeln. Somit kann zwischen der ersten elektrischen Kontaktstruktur 906 und der zweiten elektrischen Kontaktstruktur 908 der Leuchtvorrichtung 900 eine Spannung angelegt werden, um zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenkontakt 802, 804 der LED eine Spannung und einen entsprechenden Strom bereitzustellen und dadurch zu veranlassen, dass die LED Strahlung emittiert.
  • Otional kann die Leuchtvorrichtung 900 ferner ein fluoreszierendes oder phosphoreszierendes Material enthalten, das selbst elektromagnetische Strahlung (z. B. sichtbares Licht) emittiert, wenn es durch die Absorption elektromagnetischer Strahlung, die durch die eine oder die mehreren LEDs 800 innerhalb des Behälters 902 emittiert wird, stimuliert oder angeregt wird. Zum Beispiel kann die Innenoberfläche 912 des Behälters 902 wenigstens teilweise mit einem solchen fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Material beschichtet sein. Die eine oder die mehreren LEDs 800 können elektromagnetische Strahlung bei einer oder bei mehreren spezifischen Wellenlängen emittieren und das fluoreszierende oder phosphoreszierende Material kann ein Gemisch verschiedener Materialien enthalten, die Strahlung bei unterschiedlichen sichtbaren Wellenlängen emittieren, so dass die Leuchtvorrichtung 900 aus dem Behälter 902 weißes Licht nach außen emittiert. Im Gebiet sind verschiedene Arten fluoreszierender und phosphoreszierender Materialien bekannt, die in Ausführungsformen von Leuchtvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung genutzt werden können. Zum Beispiel sind einige solche Materialien in dem obenerwähnten US-Patent Nr. 6.600.175 offenbart.
  • Im Folgenden sind zusätzliche nichteinschränkende Beispiele von Ausführungsformen der Offenbarung dargelegt.
  • Ausführungsform 1: Halbleiterstruktur, die umfasst: eine InnGa1-nN-Grundschicht, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström aufweist; ein aktives Gebiet, das über der Grundschicht angeordnet ist, wobei das aktive Gebiet mehrere Schichten aus InGaN umfasst, wobei die mehreren Schichten aus InGaN wenigstens eine InwGa1-wN-Topfschicht, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und wenigstens eine InbGa1-bN-Barriereschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist, enthalten; eine Elektronensperrschicht, die auf einer Seite des aktiven Gebiets, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, angeordnet ist; eine p-Bulk-Schicht, die auf der Elektronensperrschicht angeordnet ist, wobei die p-Bulk-Schicht InpGa1-pN umfasst, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist; und eine p-Kontaktschicht, die auf der p-Bulk-Schicht angeordnet ist, wobei die p-Kontaktschicht IncGa1-cN umfasst, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 2: Halbleiterstruktur nach Ausführungsform 1, wobei die Grundschicht ferner eine Wachstumsschablone umfasst, wobei die Wachstumsschablone umfasst: ein Stützsubstrat; und eine InsGa1-sN-Keimschicht, die auf dem Stützsubstrat angeordnet ist, wobei eine Wachstumsebene der InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Ebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström ist, wobei 0,05 ≤ s ≤ 0,10 ist, und wobei zwischen dem Stützsubstrat und der InsGa1-sN-Keimschicht eine Bondgrenzfläche angeordnet ist.
  • Ausführungsform 3: Halbleiterstruktur nach Ausführungsform 3, die ferner eine InspGa1-spN-Abstandsschicht umfasst, die auf der InsGa1-sN-Keimschicht auf einer Seite davon, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, angeordnet ist, wobei 0,01 ≤ sp ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 4: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, die ferner eine IncpGa1-cpN-Deckschicht umfasst, die zwischen dem aktiven Gebiet und der Elektronensperrschicht angeordnet ist, wobei 0,01 ≤ cp ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 5: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei die Elektronensperrschicht IneGa1-eN umfasst, wobei 0,01 ≤ e ≤ 0,02 ist.
  • Ausführungsform 6: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei die Elektronensperrschicht wenigstens im Wesentlichen aus GaN gebildet ist.
  • Ausführungsform 7: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei die Elektronensperrschicht wenigstens im Wesentlichen aus AleGa1-eN gebildet ist, wobei 0,1 ≤ e ≤ 0,2 ist.
  • Ausführungsform 8: Halbleiterstruktur nach Ausführungsform 7, wobei die Elektronensperrschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus GaN und AleGa1-eN umfasst, wobei 0,1 ≤ e ≤ 0,2 ist.
  • Ausführungsform 9: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, die ferner eine Elektronenstoppschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Elektronenstoppschicht AlstGa1-stN umfasst, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist.
  • Ausführungsform 10: Halbleiterstruktur nach Ausführungsform 9, wobei die Elektronenstoppschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus GaN und AlstGa1-stN umfasst, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,2 ist.
  • Ausführungsform 11: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, die ferner eine Zugentlastungsschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Zugentlastungsschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus InsraGasraN, wobei 0,01 ≤ sra ≤ 0,10 ist, und InsrbGa – 1srbN, wobei 0,01 ≤ srb ≤ 0,10 ist, umfasst, und wobei sra größer als srb ist.
  • Ausführungsform 12: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 11, wobei das aktive Gebiet ferner eine zusätzliche Barriereschicht umfasst, die GaN umfasst, die zwischen der wenigstens einen Topfschicht und der wenigstens einen Barriereschicht angeordnet ist.
  • Ausführungsform 13: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 12, wobei eine kritische Formänderungsenergie der Halbleiterstruktur etwa 4500 oder weniger ist.
  • Ausführungsform 14: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei die InnGa1-nN-Grundschicht, das aktive Gebiet, die Elektronensperrschicht, die p-Bulk-Schicht und die p-Kontaktschicht einen Wachstumsstapel definieren, der eine prozentuale Spannungsrelaxation von weniger als 10% zeigt.
  • Ausführungsform 15: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 14, wobei die p-Kontaktschicht wenigstens im Wesentlichen aus GaN gebildet ist.
  • Ausführungsform 16: Halbleiterstruktur nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, die ferner einen ersten Elektrodenkontakt wenigstens über einem Abschnitt der InnGa1-nN-Grundschicht und einen zweiten Elektronenkontakt wenigstens über einem Abschnitt der p-Kontaktschicht umfasst.
  • Ausführungsform 17: Lichtemittervorrichtung, die umfasst: eine InnGa1-nN-Grundschicht, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström aufweist; ein aktives Gebiet, das über der Grundschicht angeordnet ist, wobei das aktive Gebiet mehrere Schichten aus InGaN umfasst, wobei die mehreren Schichten aus InGaN wenigstens eine Topfschicht und wenigstens eine Barriereschicht enthalten; eine Elektronensperrschicht, die über dem aktiven Gebiet angeordnet ist; eine p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht, die über der Elektronensperrschicht angeordnet ist; und eine p-IncGa1-cN-Kontaktschicht, die über der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht angeordnet ist, wobei eine kritische Formänderungsenergie der Lichtemittervorrichtung etwa 4500 (willkürliche Einheiten) oder weniger ist.
  • Ausführungsform 18: Lichtemittervorrichtung nach Ausführungsform 17, wobei in der InnGa1-nN-Grundschicht 0,01 ≤ n ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 19: Lichtemittervorrichtung nach Ausführungsform 17 oder Ausführungsform 18, wobei die wenigstens eine Topfschicht InwGa1-wN umfasst, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist.
  • Ausführungsform 20: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 19, wobei die wenigstens eine Barriereschicht InbGa1-bN umfasst, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 21: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 20, wobei die Elektronensperrschicht wenigstens teilweise aus GaN gebildet ist.
  • Ausführungsform 22: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 21, wobei in der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist.
  • Ausführungsform 23: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 22, wobei in der p-IncGa1-cN-Kontaktschicht 0,01 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 24: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 23, wobei die p-IncGa1-cN-Kontaktschicht im Wesentlichen aus GaN gebildet ist.
  • Ausführungsform 25: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 24, die ferner einen ersten Elektrodenkontakt wenigstens über einem Abschnitt der InnGa1-nN-Grundschicht und einen zweiten Elektrodenkontakt wenigstens über einem Abschnitt der p-IncGa1-cN-Kontaktschicht umfasst.
  • Ausführungsform 26: Lichtemittervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 17 bis 25, wobei die InnGa1-nN-Grundschicht, das aktive Gebiet, die Elektronensperrschicht, die p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht und die p-IncGa1-cN-Kontaktschicht einen Wachstumsstapel bilden, der eine prozentuale Spannungsrelaxation von weniger als 1 zeigt.
  • Ausführungsform 27: Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer InnGa1-nN-Grundschicht, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Å aufweist; Wachsen mehrerer Schichten aus InGaN zum Bilden eines aktiven Gebiets über der Grundschicht, wobei das Wachsen der mehreren Schichten aus InGaN umfasst: Wachsen wenigstens einer InwGa1-wN-Topfschicht, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und Wachsen wenigstens einer InbGa1-bN-Barriereschicht auf der wenigstens einen Topfschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist; Wachsen einer Elektronensperrschicht über dem aktiven Gebiet; Wachsen einer p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht über der Elektronensperrschicht, wobei 0,01 ≤ p ≤ 0,08 ist; und Wachsen einer p-IncGa1-cN-Kontaktschicht über der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 28: Verfahren nach Ausführungsform 27, wobei das Bereitstellen der InnGa1-nN-Grundschicht ferner das Bilden einer Wachstumsschablone umfasst, wobei das Bilden der Wachstumsschablone umfasst: Bereitstellen eines Stützsubstrats; und Bonden einer InsGa1-sN-Keimschicht an das Stützsubstrat, wobei eine Wachstumsebene der InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Ebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström ist und wobei in der InsGa1-sN-Keimschicht 0,05 ≤ s ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 29: Verfahren nach Ausführungsform 28, das ferner das Wachsen einer InspGa1-spN-Abstandsschicht über der InsGa1-sN-Keimschicht auf einer Seite davon, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, umfasst, wobei in der InspGa1-pN-Abstandsschicht 0,01 ≤ sp ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 30: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 29, das ferner das Wachsen einer IncpGa1-cpN-Deckschicht, die zwischen dem aktiven Gebiet und der Elektronensperrschicht angeordnet ist, umfasst, wobei in der IncpGa1-cpN-Deckschicht 0,01 ≤ cp ≤ 0,10 ist.
  • Ausführungsform 31: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 30, wobei das Wachsen der Elektronensperrschicht das Wachsen der Elektronensperrschicht in der Weise, dass sie wenigstens im Wesentlichen durch IneGa1-eN gebildet ist, umfasst, wobei 0,00 ≤ e ≤ 0,02 ist.
  • Ausführungsform 32: Verfahren nach Ausführungsform 31, wobei das Wachsen der Elektronensperrschicht das Wachsen der Elektronensperrschicht in der Weise, dass sie im Wesentlichen durch GaN gebildet ist, umfasst.
  • Ausführungsform 33: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 32, wobei das Wachsen der Elektronensperrschicht das Wachsen der Elektronensperrschicht in der Weise, dass sie AleGa1-eN umfasst, wobei 0,1 ≤ e ≤ 0,2 ist, umfasst.
  • Ausführungsform 34: Verfahren nach Ausführungsform 33, wobei das Wachsen der Elektronensperrschicht ferner das Wachsen der Elektronensperrschicht in der Weise, dass sie eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus GaN und AleGa1-eN umfasst, wobei 0,1 ≤ e ≤ 0,2 ist, umfasst.
  • Ausführungsform 35: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 34, das ferner das Wachsen einer Elektronenstoppschicht, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Elektronenstoppschicht AlstGa1-stN umfasst, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist, umfasst.
  • Ausführungsform 36: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 35, das ferner das Wachsen eine Zugentlastungsschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Schicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Zugentlastungsschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus InsraGasraN, wobei 0,01 ≤ sra ≤ 0,10 ist, und InsrbGa – 1srbN, wobei 0,01 ≤ srb ≤ 0,10 ist, umfasst, und wobei sra größer als srb ist.
  • Ausführungsform 37: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 36, wobei das Bilden des aktiven Gebiets ferner das Wachsen einer oder mehrerer zusätzlicher Barriereschichten, die GaN umfassen, zwischen der wenigstens einen InwGa1-wN-Topfschicht und der wenigstens einen InbGa1-bN-Barriereschicht umfasst.
  • Ausführungsform 38: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 37, wobei die InnGa1-nN-Grundschicht, das aktive Gebiet, die Elektronensperrschicht, die p-Bulk-Schicht und die p-Kontaktschicht zusammen einen Wachstumsstapel definieren, der eine prozentuale Spannungsrelaxation von weniger als 1 zeigt.
  • Ausführungsform 39: Verfahren nach Ausführungsform 38, das ferner das Bilden des Wachstumsstapels mit einer kritischen Formänderungsenergie von etwa 4500 oder weniger umfasst.
  • Ausführungsform 40: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 39, wobei das Wachsen der p-IncGa1-cN-Kontaktschicht das Wachsen des p-IncGa1-cN-Kontakts in der Weise, dass er im Wesentlichen aus GaN gebildet ist, umfasst.
  • Ausführungsform 41: Verfahren nach Ausführungsform 38 oder Ausführungsform 39, das ferner das Wachsen des Wachstumsstapels in einem einzigen chemischen Gasphasenabscheidungssystem bei Drücken zwischen etwa 50 und etwa 500 mTorr umfasst.
  • Ausführungsform 42: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 27 bis 41, das ferner das Wachsen der InnGa1-nN-Grundschicht und der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht in einer Kammer, während Trimethylindium (TMI) und Triethylgallium (TMG) durch die Kammer strömen, umfasst, wobei ein Durchflussverhältnis (%) des Durchflusses des Trimethylindiums (TMI) zu einem Durchfluss des Triethylgalliums (TMG) zwischen etwa 50% und 95% liegt.
  • Die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung beschränken nicht den Schutzumfang der Erfindung, da diese Ausführungsformen lediglich Beispiele für Ausführungsformen der Erfindung sind, die durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihre rechtlich zulässigen Entsprechungen definiert ist. Irgendwelche äquivalenten Ausführungsformen sollen im Schutzumfang dieser Erfindung liegen. Tatsächlich gehen für den Fachmann auf dem Gebiet aus der Beschreibung außer den hier Gezeigten und Beschriebenen verschiedene Änderungen der Offenbarung wie etwa alternative nützliche Kombinationen der beschriebenen Elemente hervor. Solche Änderungen und Ausführungsformen sollen im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (14)

  1. Halbleiterstruktur, die umfasst: eine InnGa1-nN-Grundschicht, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström aufweist; ein aktives Gebiet, das über der Grundschicht angeordnet ist, wobei das aktive Gebiet mehrere Schichten aus InGaN umfasst, wobei die mehreren Schichten aus InGaN wenigstens eine InwGa1-wN-Topfschicht, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und wenigstens eine InbGa1-bN-Barriereschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist, enthalten; eine Elektronensperrschicht, die auf einer Seite des aktiven Gebiets, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, angeordnet ist; eine p-Bulk-Schicht, die auf der Elektronensperrschicht angeordnet ist, wobei die p-Bulk-Schicht InpGa1-pN umfasst, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist; und eine p-Kontaktschicht, die auf der p-Bulk-Schicht angeordnet ist, wobei die p-Kontaktschicht IncGa1-cN umfasst, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die Grundschicht ferner eine Wachstumsschablone umfasst, wobei die Wachstumsschablone umfasst: ein Stützsubstrat; und eine InsGa1-sN-Keimschicht, die auf dem Stützsubstrat angeordnet ist, wobei eine Wachstumsebene der InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Ebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström ist, wobei 0,05 ≤ s ≤ 0,10 ist, und wobei zwischen dem Stützsubstrat und der InsGa1-sN-Keimschicht eine Bondgrenzfläche angeordnet ist.
  3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, die ferner eine InspGa1-spN-Abstandsschicht umfasst, die auf der InsGa1-sN-Keimschicht auf einer Seite, die der InnGa1-nN-Grundschicht gegenüberliegt, angeordnet ist, wobei 0,01 ≤ sp ≤ 0,10 ist.
  4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine IncpGa1-cpN-Deckschicht umfasst, die zwischen dem aktiven Gebiet und der Elektronensperrschicht angeordnet ist, wobei 0,01 ≤ cp ≤ 0,10 ist.
  5. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die Elektronensperrschicht wenigstens im Wesentlichen aus GaN gebildet ist.
  6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Elektronenstoppschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Elektronenstoppschicht AlstGa1-stN umfasst, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist.
  7. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Zugentlastungsschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Zugentlastungsschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus InsraGasraN, wobei 0,01 ≤ sra ≤ 0,10 ist, und InsrbGa – 1srbN, wobei 0,01 ≤ srb ≤ 0,10 ist, umfasst, und wobei sra größer als srb ist.
  8. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei eine kritische Formänderungsenergie der Halbleiterstruktur durch die Summe des Produkts jeder Schichtdicke (in nm) mit dem Indiumgehalt (in %) jeder Schicht definiert ist und kleiner oder gleich 4500 ist.
  9. Verfahren zum Bilden einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer InnGa1-nN-Grundschicht, die eine polare Wachstumsebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Å aufweist; Wachsen mehrerer Schichten aus InGaN zum Bilden eines aktiven Gebiets über der Grundschicht, wobei das Wachsen der mehreren Schichten aus InGaN umfasst: Wachsen wenigstens einer InwGa1-wN-Topfschicht, wobei 0,10 ≤ w ≤ 0,40 ist, und Wachsen wenigstens einer InbGa1-bN-Barriereschicht auf der wenigstens einen Topfschicht, wobei 0,01 ≤ b ≤ 0,10 ist; Wachsen einer Elektronensperrschicht über dem aktiven Gebiet; Wachsen einer p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht über der Elektronensperrschicht, wobei 0,00 ≤ p ≤ 0,08 ist; und Wachsen einer p-IncGa1-cN-Kontaktschicht über der p-InpGa1-pN-Bulk-Schicht, wobei 0,00 ≤ c ≤ 0,10 ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bereitstellen der InnGa1-nN-Grundschicht ferner das Bilden einer Wachstumsschablone umfasst, wobei das Bilden der Wachstumsschablone umfasst: Bereitstellen eines Stützsubstrats; und Bonden einer InsGa1-sN-Keimschicht an das Stützsubstrat, wobei eine Wachstumsebene der InsGa1-sN-Keimschicht eine polare Ebene mit einem Wachstumsebenen-Gitterparameter größer als etwa 3,2 Angström ist und wobei in der InsGa1-sN-Keimschicht 0,05 ≤ s ≤ 0,10 ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wachsen der Elektronensperrschicht das Wachsen der Elektronensperrschicht in der Weise, dass sie im Wesentlichen durch GaN gebildet ist, umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Wachsen einer Elektronenstoppschicht, die zwischen der InnGa1-nN-Grundschicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, umfasst, wobei die Elektronenstoppschicht AlstGa1-stN umfasst, wobei 0,01 ≤ st ≤ 0,20 ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Wachsen einer Zugentlastungsschicht umfasst, die zwischen der InnGa1-nN-Schicht und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, wobei die Zugentlastungsschicht eine Supergitterstruktur aufweist, die abwechselnde Schichten aus InsraGasraN, wobei 0,01 ≤ sra ≤ 0,10 ist, und InsrbGa – 1srbN, wobei 0,01 ≤ srb ≤ 0,10 ist, umfasst, und wobei sra größer als srb ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wachsen der p-IncGa1-cN-Kontaktschicht das Wachsen des p-IncGa1-cN-Kontakts in der Weise, dass er im Wesentlichen aus GaN gebildet ist, umfasst.
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