DE19753470A1 - Hinzufügen von Störstellen zur Verbesserung des Wirkungsgrads von AlInGaN-Quantentopf-LEDs - Google Patents
Hinzufügen von Störstellen zur Verbesserung des Wirkungsgrads von AlInGaN-Quantentopf-LEDsInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von licht
emittierenden Halbleiterbauelementen. Insbesondere ist die
Erfindung auf das Verbessern der Lichtemissionseigenschaft
von lichtemittierenden Bauelementen gerichtet.
Hocheffiziente, sichtbares Licht emittierende Bauelemente
(LEDs) wurden in den roten, orangen und gelben Spek
tralregionen durch Verwenden der AlxGa1-xAs- und der
In0,5(AlxGa1-x) P-Materialsysteme und Doppelheterobauelement
strukturen erzeugt, die eine "große" aktive Region in einem
Dickenbereich von etwa 0,1 bis 5,0 µm Dicke verwenden. Diese
hocheffizienten LEDs verwenden einen direkten Band-zu-Band-Über
gang, um das Licht einer geeigneten Wellenlänge zu er
zeugen.
In jüngster Zeit wird bei durch Nichia und Toyoda Gosei kom
merzialisierten hocheffizienten blauen LEDs das AlInGaN-Material
system in Verbindung mit einer "großen" aktiven
Region mit einer Dicke von 0,05 bis 0,10 µm verwendet, die
mit sowohl Silizium als auch Zink "co-dotiert" ist. Das
Co-Dotieren weist zwei positive Effekte auf. Erstens, die
extrem hohe Defektdichte, die dem epitaktischen GaN zugeord
net ist, führt zu ineffizienten Band-zu-Band-Übergängen in
undotiertem Material, wohingegen die Zn-Si-Paare einen ex
trem effizienten Mechanismus für die Lichtemission liefern.
Zweitens, verschiebt die Auswahl von Zn-Si-Paaren die Wel
lenlänge wesentlich von 380 nm bis zu 450 nm für die Emis
sion von Band-zu-Band bzw. der Zn-Si-Störstellenzentren. Die
Verschiebung bezüglich der Wellenlänge erhöht alleine den
Erfassungswirkungsgrad des menschlichen Auges durch fast
einen Faktor von 1.000. Eine derartige LED-Struktur ist für
die blaue Spektralregion akzeptabel, wenn jedoch Versuche
gemacht werden, die Wellenlänge in die grüne Spektralregion
durch Erhöhen des Molbruchteils von Indium in der aktiven
Region (x in der Formel InxGa1-xN) zu verschieben, ist das
Resultat eine LED einer mangelhaften Farbreinheit mit einer
"weißlichen" Farbe. Es besteht ein großer kommerzieller Be
darf nach hocheffizienten, spektral rein grünen und blau
grünen LEDs.
Hocheffiziente blaue und grüne LEDs wurden kommerzialisiert,
die das gleiche AlInGaN-Materialsystem in Verbindung mit ei
ner extrem dünnen aktiven Quantentopf-Region (QW-Region) mit
einer Dicke von etwa 3 nm verwenden. Diese Bauelemente ver
wenden eine nicht-dotierte QW-Region und direkte Band-zu-
Band-Übergänge, um den hohen Wirkungsgrad und reinere Farben
zu erreichen. Spezielle Prozesse und Techniken werden ver
wendet, um die Dotierstoff-Aufnahme und -Diffusion zu elimi
nieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, hoch
effiziente, spektral rein grüne und blau-grüne LEDs zu
schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Bauelement
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Absichtliche Störstellen werden in der aktiven Region einer
Quantentopf-LED (QW-LED) eingebracht, um den Wirkungsgrad
der LED zu erhöhen, und um die Emissionswellenlänge über die
einer nicht-dotierten QW-LED zu erhöhen. Zusätzlich können
beabsichtigte Störstellen, ähnlich zu denselben, die in ei
ner benachbarten Schicht angetroffen werden, die nicht
steuerbaren oder unerwünschten Effekte der Störstellendiffu
sion reduzieren.
Eine dünne GaN-Kristallisationskernbildungsschicht wird auf
einem Saphirsubstrat aufgewachsen. Eine dicke Si-dotierte
GaN-Schicht wird über die GaN-Kristallisationskernbildungs
schicht gewachsen. Eine erste Begrenzungsschicht, die aus
GaN:Mg besteht, wird über eine n-Typ-GaN-Schicht gewachsen.
Eine dünne aktive InxGa1-xN-QW-Region wird über die erste
Begrenzungsschicht gewachsen. Die dünne aktive QW-Region
wurde optional dotiert. Eine zweite Begrenzungsschicht, die
aus einer GaN-basierenden Verbindung besteht, wird über der
dünnen aktiven QW-Region positioniert. Die erste und die
zweite Begrenzungsschicht werden entweder allein oder in
Kombination dotiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein lichtemittierendes Bauelement der vorliegenden
Erfindung; und
Fig. 2 ein Prozeßflußdiagramm für das in Fig. 1 gezeigte
Bauelement.
Fig. 1 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
lichtemittierenden Bauelements 10 dar. Eine GaN-Kristallisa
tionskernbildungsschicht 14 wird auf einem Substrat 12, wie
z. B. einem Saphirsubstrat, positioniert. Eine dicke n-Typ-
GaN-Schicht 16, die mit Si-Störstellen dotiert ist, wird
über der GaN-Kristallisationskernbildungsschicht 14 gebil
det. Eine erste Begrenzungsschicht 18, die aus einer GaN-
basierenden Verbindung besteht, die mit Mg-Störstellen do
tiert ist, wird über der dicken Si-dotierten GaN-Schicht 16
positioniert. Eine dünne aktive InxGa1-xN-Quantentopf-Region
20 (InxGa1-xN-QW-Region) wird über der ersten Begrenzungs
schicht 18 positioniert. Die dünne aktive QW-Region 20 wurde
absichtlich mit Magnesium (Mg) dotiert. Eine zweite Begren
zungsschicht 22, die aus AlGaN besteht, das optional mit Mg
dotiert ist, wird über der dünnen aktiven QW-Region 20 po
sitioniert. Die erste und die zweite Begrenzungsschicht sind
mit Mg entweder alleine oder in Kombination dotiert. Eine
Kontaktschicht 24, die aus einer GaN-basierenden Verbindung
besteht, die mit Mg dotiert ist, wird über der zweiten Be
grenzungsschicht 22 positioniert.
Die absichtlichen Störstellen, die in eine aktive Quanten
topf-LED-Region (QW-LED-Region) eingebracht sind, erhöhen
den Wirkungsgrad der LED, und dieselben erhöhen die Emis
sionswellenlänge über dieselbe einer undotierten QW-LED.
Zusätzlich kann das Hinzufügen von ähnlichen absichtlichen
Störstellen zu einer der Begrenzungsschichten die nicht
steuerbaren oder unerwünschten Effekte der Störstellendif
fusion reduzieren. Alternativ können die Schichten, die die
aktive QW-Region "begrenzen", AlxGa1-xN umfassen. Wenn eine
Verbesserung des inneren Wirkungsgrads der aktiven QW-Region
erwünscht ist, können diese Störstellen Donatoren oder Ak
zeptoren sein. Wenn eine Verbesserung des Injektionswir
kungsgrads der aktiven QW-Region erwünscht ist, sind die
Störstellen Akzeptoren. Donatoren können aus der Gruppe VI,
wie z. B. Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur, oder aus
der Gruppe IV, wie z. B. Silizium, Germanium oder Zinn,
sein. Akzeptoren können aus der Gruppe IIA, z. B. Magnesium,
Beryllium oder Kalzium, oder aus der Gruppe IIB, z. B. Zink
oder Kadmium, oder aus der Gruppe IV, z. B. Kohlenstoff,
sein. Zusätzlich wurde gezeigt, daß Seltenerdmetalle aus der
Lanthanid-Gruppe effiziente Emissionszentren in anderen Ma
terialien sind, und daß dieselben in dem AlInGaN-Materialsy
stem hocheffizient sein können.
Die vorliegende Erfindung beeinflußt den Gesamtwirkungsgrad
einer lichtemittierenden Diode durch vier unterschiedliche
Verfahren. Der Gesamtwirkungsgrad einer sichtbares Licht
emittierenden LED kann als das Produkt von mehreren, einzel
nen, unabhängigen Wirkungsgraden definiert werden:
ηaußen = ηinnen × ηInjektion × ηKopplung × ηDetektor
Der innere Wirkungsgrad ηinnen ist der Bruchteil der inji
zierten Minoritätsträger, die Photonen emittieren. Der In
jektionswirkungsgrad ηInjektion ist der Bruchteil des
Stroms, der in die aktive Region transportiert wird. Der
Auskopplungswirkungsgrad ηKopplung ist der Bruchteil der
Photonen, die dem Kristall entweichen. Für sichtbares Licht
emittierende LEDs ist der Detektorwirkungsgrad ηDetektor der
Betrag der Augenreaktion pro Strahlungsleistungseinheit.
Der innere Wirkungsgrad wird durch die störstellenbezogene
Emission erhöht, die aufgrund der hohen Dichte der Kristall
defekte effizienter ist als die bandkantennahe Emission.
Der Injektionswirkungsgrad wird aufgrund der Veränderung be
züglich der Minoritätsträgerinjektion von Löchern zu Elek
tronen erhöht. Dies ist aus zwei Gründen wichtig; erstens
ist das Verhältnis der Elektronenkonzentration in der
n-Schicht zu der Löcherkonzentration in der p-Schicht wesent
lich größer als 1, was die Elektroneninjektion begünstigt.
Zweitens, weisen die Elektronen in GaN-basierten Materialien
eine wesentlich geringere effektive Masse und eine wesent
lich höhere Mobilität als die Löcher auf.
Der Auskopplungswirkungsgrad kann verbessert werden, da die
störstellenbezogene Emission nicht so stark in der aktiven
Region absorbiert wird wie das bandkantennahe Licht.
Der Detektorwirkungsgrad von blauen und grünen LEDs wird
stark durch die Emissionswellenlänge beeinflußt, wobei bei
einer Erhöhung der Wellenlänge die Reaktion des menschlichen
Auges erhöht wird. Die störstellenbezogenen Emissionen bei
der vorliegenden Erfindung verschieben die Emissionswellen
länge zu längeren Wellenlängen, was zu einer verbesserten
Erfassung führt.
Fig. 2 stellt ein Prozeßflußdiagramm für das in Fig. 1 ge
zeigte Bauelement dar. In einem Schritt 40 wird die erste
dünne GaN-Kristallisationskernbildungsschicht direkt auf dem
Saphirsubstrat bei einer niedrigen Aufwachstemperatur, wie
z. B. 520°C, gebildet. In einem Schritt 50 wird die GaN:Si-
Schicht direkt auf der Kristallisationskernbildungsschicht
bei einer Aufwachstemperatur von etwa 1.050°C gebildet, wäh
rend die Dicke zwischen einer Dicke von 2 µm bis 5 µm vari
ieren kann. In einem Schritt 60 wird die erste Begrenzungs
schicht über der GaN:Si-Schicht gebildet. In einem Schritt
70 wird die aktive Mg-dotierte InGaN-QW-Region über der er
sten Begrenzungsschicht bei einer Aufwachstemperatur, die
von 650°C bis 850°C reicht, gebildet, während die Dicke der
aktiven QW-Region typischerweise eine Dicke von 3 nm ist. In
einem Schritt 80 wird die Mg-dotierte GaN-Schicht über der
aktiven QW-Region bei einer Aufwachstemperatur, die von
650°C bis 1.100°C reicht, gebildet, während die Dicke zwi
schen 0,1 bis 1,0 µm variieren kann.
Diese Schichten können unter Verwendung einer der vielen
verfügbaren Techniken aufgewachsen werden, wie z. B. der
organometallischen Dampfphasenepitaxie (OMVPE; OMVPE =
Organometallic Vapor Phase Epitaxy), der metallorganischen
chemischen Dampfphasenabscheidung (MOCVD; MOCVD = Metal-Or
ganic Chemical Vapor Deposition), der Molekularstrahlepi
taxie (MBE; MBE = Molecular Beam Epitaxy), der Gasphasen-MBE
(GPMBE) oder der Hybriddampfphasenepitaxie (HVPE).
Claims (7)
1. Lichtemittierendes Bauelement (10) mit folgenden Merk
malen:
einem Substrat (12);
einer GaN-Kristallisationskernbildungsschicht (14), die über dem Substrat (12) positioniert ist;
einer Si-dotierten GaN-Stromverteilungsschicht (16), die über der GaN-Kristallisationskernbildungsschicht (14) gebildet ist;
einer ersten und einer zweiten Begrenzungsschicht (18, 22), die über der Si-dotierten GaN-Stromverteilungs schicht (16) positioniert sind, wobei die erste und die zweite Begrenzungsschicht (18, 22) erste bzw. zweite Störstellen enthalten; und
einer dünnen aktiven Quantentopfregion (20) mit Quan tentopf-Störstellen (QW-Störstellen), wobei dieselbe zwischen der ersten und der zweiten Begrenzungsschicht (18, 22) positioniert ist, wobei die QW-Störstellen ausgewählt werden, um die Lichtemissionseigenschaften des lichtemittierenden Bauelements zu verbessern.
einem Substrat (12);
einer GaN-Kristallisationskernbildungsschicht (14), die über dem Substrat (12) positioniert ist;
einer Si-dotierten GaN-Stromverteilungsschicht (16), die über der GaN-Kristallisationskernbildungsschicht (14) gebildet ist;
einer ersten und einer zweiten Begrenzungsschicht (18, 22), die über der Si-dotierten GaN-Stromverteilungs schicht (16) positioniert sind, wobei die erste und die zweite Begrenzungsschicht (18, 22) erste bzw. zweite Störstellen enthalten; und
einer dünnen aktiven Quantentopfregion (20) mit Quan tentopf-Störstellen (QW-Störstellen), wobei dieselbe zwischen der ersten und der zweiten Begrenzungsschicht (18, 22) positioniert ist, wobei die QW-Störstellen ausgewählt werden, um die Lichtemissionseigenschaften des lichtemittierenden Bauelements zu verbessern.
2. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem
die ersten Störstellen ausgewählt werden, um die Licht
emissionseigenschaft des lichtemittierenden Bauelements
durch Verbessern des Injektionswirkungsgrads zu erhö
hen.
3. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei dem die QW-Störstellen und die ersten Störstellen
das gleiche Element sind, wobei das Element ausgewählt
wird, um die Störstellendiffusion in die aktive Region
zu bewirken.
4. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1, 2 oder
3, bei dem die QW-Störstellen ein Donatorelement sind.
5. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 1, 2 oder
3, bei dem die QW-Störstellen ein Akzeptorelement sind.
6. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 5, bei dem
das Akzeptorelement aus einer Gruppe ausgewählt wird,
die die Gruppen-IIA- und Gruppen-IIB-Elemente aufweist.
7. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 6, bei dem
das Akzeptorelement Magnesium ist.
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