DE202019103446U1

DE202019103446U1 - Lichtemittierende Gruppe-III-Nitrid-Diode mit hohem Wirkungsgrad

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Publication number: DE202019103446U1
Application number: DE202019103446.7U
Authority: DE
Original assignee: Soraa Inc
Current assignee: Soraa Inc
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2029-06-20
Also published as: US10734549B2; US20190386178A1

Abstract

LED, die einem Prozess gemäß hergestellt ist, der umfasst:
(a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen maximalen IQE von wenigstens 50% aufweist und wobei jede LED der Reihe die gleiche epitaktische Struktur aufweist;
(b) Bestimmen einer Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten zwischen zumindest zwei LEDs der Reihe;
(c) Herstellen von wenigstens einer zusätzlichen LED für die Reihe, wobei die Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte verringert wird; und
(d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme X der Fehlstellendichte mindestens 3% beträgt; und wobei die LED diese Zunahme von mindestens 3% gegenüber einer anderen LED der Reihe aufweist.

Description

VERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/687,186 , die am 19. Juni 2018 eingereicht wurde und die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft hocheffiziente lichtemittierende Dioden (LEDs) im Allgemeinen und bezieht sich im Konkreten auf Gruppe-III-Nitrid-LEDs, die einen hohen Wirkungsgrad bei hoher Stromdichte besitzen.
HINTERGRUND
Bestimmte Anwendungen erfordern, dass III-Nitrid-LEDs bei hoher Stromdichte effizient sind. Dies stellt aufgrund des Phänomens des Wirkungsgradabfalls, bei dem der interne Quantenwirkungsgrad (IQE; internal quantum efficiency) einer III-Nitrid-LED bei hoher Stromdichte abnimmt, eine Herausforderung dar.
Man sollte dabei wissen, dass der IQE nach herkömmlichem Verständnis auf drei miteinander konkurrierenden Effekten beruht: (1) strahlungslose Rekombinationen bei niedrigen Strömen, (2) strahlende Rekombinationen und (3) strahlungslose Rekombinationen bei hohen Strömen. Nach allgemeinem Verständnis werden strahlungslose Rekombinationen bei niedrigen Strömen durch Kristalldefekte hervorgerufen, wobei es sich um eine Art Shockley-Read-Hall-Rekombination (SRH-Rekombination) handelt. Diese kann als G_SRH=2Anp/(n+p) ausgedrückt werden, wobei n und p die Dichten von Elektronen und Löchern in der aktiven Zone bezeichnen. Für den typischen Fall mit n=p erhält man daraus G_SRH=An. Strahlende Rekombinationen erfolgen unter Beteiligung eines Elektrons und eines Lochs und können als G_Rad=Bnp=Bnp=Bn^2 (wenn n=p) ausgedrückt werden. Nach allgemeiner Auffassung beruhen strahlungslose Rekombinationen bei hohen Strömen auf Auger-Streuung, die als G_droop = (c1 n^2p + c2 np^2) = C n^3 ausgedrückt werden kann. Auch wenn von Anderen alternative Modelle vorgeschlagen wurden, folgt der Droop-Strom bei allen Ausführungsformen praktisch einer hohen Potenz der Ladungsträgerdichte (oft mit einem Exponenten von 3 oder mehr).
Der IQE kann als Kombination dieser verschiedenen Rekombinationsarten ausgedrückt werden, d. h. IQE = Bn^2/(An+Bn^2+Cn^3). Dies ist das bekannte „ABC-Modell“. Bei den Koeffizienten A, B und C handelt es sich häufig um empirische Werte, die so gewählt werden, dass sie zu experimentellen Daten passen. Der Wert von A folgt insbesondere der Konzentration von Punktdefekten. Aus diesem Modell ergibt sich die in 1 dargestellte bekannte glockenförmige Wirkungsgradkurve. Auch wenn David et al. in All-optical measurements of carrier dynamics in bulk-GaN LEDs: Beyond the ABC approximation, Appl. Phys. Lett. 110, 253504 (2017) (David17), ein zur besseren Anpassung an experimentelle Daten verfeinertes Modell vorstellen, weist dieses Modell dieselben grundlegenden Eigenschaften auf - d. h. bei niedrigen Strömen dominiert G_SRH, bei mittleren Strömen dominiert G_Rad und bei hohen Strömen dominiert schließlich G_droop.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die strahlungslosen Rekombinationen bei niedriger und hoher Stromdichte (G_SRH bzw. G_droop) bei diesen Modellvorschlägen als durch unterschiedliche und nicht miteinander in Zusammenhang stehende physikalische Phänomene verursacht vorausgesetzt sind. Rekombinationen bei niedrigen Strömen werden durch Kristalldefekte verursacht (d. h. einen extrinsischen Prozess), während Rekombinationen bei hohen Strömen durch Phänomene verursacht werden, die nicht mit Fehlstellen zusammenhängen (d. h. einen intrinsischen Prozess). Daher wird die Verringerung von G_SRH als eine gegenüber der Verringerung von G_droop andersartige Herausforderung angesehen.
Die Unabhängigkeit von G_SRH und G_droop kann mit den oben genannten Gleichungen numerisch quantifiziert werden. 2A zeigt IQE, die mit einem einfachen ABC-Modell für verschiedene Werte von A modelliert wurden. Es wurden die folgenden Parameter verwendet: B=1,6e-13 cm3s-1, C=3,16e-33 cm6s-1 und A variiert zwischen 1E3 und 1E6 s-1. Die Werte von B und C sind repräsentativ für einen einzelnen 4nm InGaN Quantentopf (QW; quantum well) mit einer In-Konzentration von 13%. Mit zunehmendem A sinken der Niedrigstromwirkungsgrad und das Wirkungsgradmaximum. Die Differenz verschwindet jedoch bei hohen Stromdichten. Beispielsweise ist der IQE aller Kurven bei J=100A.cm-2 innerhalb von +/-1% absolut - einer sehr kleinen Abweichung - gleich. 2B veranschaulicht ferner die relative Änderung des IQE als Funktion der relativen Fehlstellendichte bei 100A.cm-2. Den Bezug für den relativen Vergleich bildet der Fall mit A=1E6 s-1. Wenn A auf ein Zehntel verringert wird, nimmt der relative IQE um weniger als 2% zu.
Auch wenn A ausreichend hoch sein könnte (z.B. A=1E7), um bei 100A.cm-2 einen Einfluss auf den Hochstromwirkungsgrad einzuleiten, da die SRH-Rekombinationen stark genug werden würden, um signifikant zu sein, würde dies einem Kristall geringer Qualität mit geringem Wirkungsgradmaximum entsprechen (z.B. 30% für A=1E7). Für technologisch relevante Bauelemente ist jedoch ein IQE>50% erwünscht. Daher bezieht sich diese Offenbarung entsprechend auf ausreichend gute Bauelemente mit ausreichender Kristallqualität, bei denen der Einfluss der SRH-Rekombination bei hohen Stromdichten sehr gering ist. Bei solchen Kristallen ergibt sich aus dem herkömmlichen IQE-Verständnis keine Motivation zur Verbesserung des Hochstrom-IQE durch Verringerung von Punktdefekten. Dies kann sich auf LEDs mit einem maximalen IQE von mehr als 50% (oder mehr als 60%, 70%, 80%) beziehen.
Diese Einsicht gilt auch für anspruchsvollere Versionen des ABC-Modells. Zum Beispiel zeigte [David17], dass in B und C Abschirmeffekte aufgenommen werden sollten (wie in dieser Anmeldeschrift näher später erläutert werden wird) - B und C sind nämlich nicht exakt konstant, sondern weisen eine durch Abschirmung verursacht Stromabhängigkeit auf. Durch die Einbeziehung dieser Abschirmeffekte wird das ABC-Modell leicht modifiziert. 3 zeigt den Einfluss von A auf den IQE für dieses verbesserte ABC-Modell. Abschirmeffekte führen zu einer Veränderung der Form maximalen Wirkungsgrads der IQE-Kurve. Doch auch die Kenntnis von Abschirmeffekten ändert nichts an der gängigen Auffassung, wonach der Einfluss von A auf den Hochstrom-IQE sehr gering ist.
Diese gängige Auffassung gilt auch für unterschiedliche LED-Gestaltungen. Beispielsweise kann eine höhere In-Konzentration zu geringeren Werten für A, B und C führen (die in etwa einander folgen) - der relative Einfluss von A bei hoher Stromdichte bleibt aber weiterhin sehr gering. Ebenso kann der Beginn des Droops durch die Verwendung von dicken aktiven Zonen mit mehr Quantentöpfen verzögert werden. Auch hier wird jedoch wieder angenommen, dass der Einfluss der SRH-Rekombination auf den Droop-Verlauf gering ist.
Zusammenfassend wird allgemein angenommen, dass die strahlungslose Rekombination bei niedriger Stromdichte und hoher Stromdichte durch unterschiedliche und voneinander unabhängige physikalische Phänomene verursacht wird - nämlich, dass Rekombinationen bei geringen Strömen durch Kristalldefekte verursacht werden (extrinsischer Prozess), während Rekombinationen bei hohen Strömen durch Phänomene verursacht werden, die nicht mit Fehlstellen in Beziehung stehen (intrinsischer Prozess). So führt nach gängiger Vorstellung eine große Änderung der Fehlstellendichte bei einer ausreichend guten LED zu einer sehr geringen Verbesserung des IQE bei hohen Stromdichten. Beispielsweise bewirkt eine substantielle Verringerung der Fehlstellendichte auf ein Zehntel eine Zunahme des IQE bei 100A.cm-2 von weniger als 2% absolut (oder 5% relativ). Daher konzentrierten sich die Bemühungen zur Verbesserung des Wirkungsgrads von III-Nitrid-LEDs bei hohen Stromdichten und zur Vermeidung von Strom-Droop auf andere Strategien, wie beispielsweise eine Erhöhung der Dicke der aktiven Zone und eine Verbesserung der Verteilung der Ladungsträger über die aktive Zone. Diese Ansätze wurden mit begrenztem Erfolg umgesetzt. Daher bleibt das Erfordernis einer Verbesserung des Wirkungsgrads von III-Nitrid-LEDs bei hohen Stromdichten bestehen. Die vorliegende Erfindung erfüllt unter anderem dieses Erfordernis.
KURZBESCHREIBUNG
Die nachfolgend vorgestellte vereinfachte Kurzbeschreibung der Erfindung vermittelt ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung. Diese Kurzbeschreibung bietet keinen erschöpfenden Überblick über die Erfindung. Eine Identifikation der wichtigsten/kritischen Elemente der Erfindung oder eine Abgrenzung des Umfangs der Erfindung sind nicht beabsichtigt. Der einzige Zweck besteht in der Vorstellung von einigen Konzepten der Erfindung in vereinfachter Form als Auftakt zu der später dargelegten ausführlichen Beschreibung.
Die Anmelder haben überraschenderweise festgestellt, dass die Strom-Droop/Hochstrom-Rekombination im Gegensatz zur gängigen Theorie teilweise durch Phänomene verursacht wird, die mit Fehlstellen in Verbindung stehen. Mit anderen Worten, wird der Strom-Droop von LEDs bei hohen Stromdichten nicht nur durch intrinsische Prozesse bestimmt. Vielmehr wird der Strom-Droop durch eine Kombination mehrerer Prozesse verursacht - der erste Prozess ist intrinsisch, wohingegen der zweite extrinsisch ist und mit dem Vorhandensein von Punktdefekten zunimmt. Der extrinsische Prozess folgt der Anzahl der Punktdefekte eher linear. Herkömmliche Theorien ignorieren die Interaktion zwischen diesen verschiedenen Prozessen und ignorieren daher einen wichtigen Faktor bei der Verbesserung des Hochstromwirkungsgrads von LEDs durch Verringerung von Fehlstellen.
Die Anmelder haben festgestellt, dass bei einigen Ausführungsformen der Hochstromdichte-IQE bei 100A.cm-2 um -0,1*ln(f) erhöht wird, wenn die Fehlstellen um den Faktor f verringert werden. Diese Abhängigkeit von f ist viel größer als nach dem gängigen Verständnis zu erwarten wäre. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen verbessert die vorliegende Erfindung daher den Hochstromwirkungsgrad von III-Nitrid-LEDs durch Verringern der Fehlstellendichte. Zur Klarstellung: f=0,5 bedeutet, dass die Fehlstellendichte um die Hälfte reduziert wird.
Die Anmelder haben nicht nur unerwarteterweise festgestellt, dass eine Verringerung der Fehlstellen den Wirkungsgrad bei hoher Stromdichte erheblich erhöht, sondern geben auch ein Verfahren zur Nutzung dieser Feststellung für die Entwicklung neuer hocheffizienter LEDs an. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen iterativen Prozess zur Verringerung von Fehlstellen und zur Prüfung des Wirkungsgrads bis die bei der Verbesserung des Wirkungsgrads erzielten Erfolge nachlassen. Daher beinhaltet die vorliegende Erfindung bei einer Ausführungsform ein Verfahren zur Verbesserung des Hochstromdichtewirkungsgrads einer LED, das umfasst: (a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen maximalen IQE von mindestens 50% aufweist und wobei jede LED der Reihe die gleiche epitaktische Struktur besitzt; (b) Bestimmen einer Zunahme der IQEs bei hohen Stromdichten zwischen zumindest zwei LEDs der Reihe; (c) Herstellen von wenigstens einer zusätzlichen LED für die Reihe, wobei die Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte verringert wird; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit abnehmenden Fehlstellendichten mindestens 3% beträgt.
Bei einer anderen Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, das umfasst: (a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen IQE bei einer niedrigen Stromdichte J_low aufweist und wobei jede LED der Reihe im Wesentlichen die gleiche epitaktische Struktur aufweist; (b) Bestimmen einer Zunahme der IQEs bei J_low zwischen zumindest zwei LEDs der Reihe; (c) Herstellen von wenigstens einer zusätzlichen LED für die Reihe, wobei die Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte verringert wird; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme X der Fehlstellendichten mindestens 10% beträgt, wobei die Zunahme einer Erhöhung des IQEs bei hoher Stromdichte um mehr als 3% entspricht.
Bei einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, das umfasst: (a) Bestimmen einer gewünschten Verbesserung der Hochstromdichte-IQEs (Δ IQE) zwischen einer Ausgangs-LED und einer Ziel-LED; (b) Bestimmen des zum Erreichen des Δ IQE erforderlichen Faktors zur Verringerung der Fehlstellendichte (f) anhand von f = e(^-Δ ^IQE/k), wobei k im Bereich von 0,05 - 0,15 oder im Bereich von 0,03 - 0,2 liegt; und (c) Veranlassen, dass die Ziel-LED durch die Verringerung der Fehlstellendichte der Ausgangs-LED um f gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verbesserung des Hochstromwirkungsgrads relativ zu einer ersten LED, die eine intrinsische Fehlstellendichte X und bei 100A.cm-1 einen ersten IQE von mehr als 50% aufweist, wobei das Verfahren umfasst: (a) Herstellen einer zweiten LED mit einer Fehlstellendichte von weniger als X/2, wobei die zweite LED im Übrigen der ersten LED entspricht; (b) Testen der zweiten LED, um einen zweiten IQE bei 100A.cm-1 zu bestimmen; und (c) wobei der zweite IQE um mindestens 3% höher ist als der erste IQE.
Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich um ein Verfahren zur Ausbildung einer LED für hohe Stromdichten mit einer aktiven Zone, wobei das Verfahren umfasst: (a) Bestimmen des Wirkungsgrads einer ersten LED, wobei die erste LED einen ersten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B1*n²/(A1*n+B1*n²+c1*n³) gekennzeichnet ist, worin n eine Elektronendichte in einer aktiven Zone des ersten LED-Materials bedeutet, und A1, B1 und c1 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, wobei die erste LED einen ersten maximalen IQE von mehr als 50% aufweist; (b) Verringern der intrinsischen Fehlstellen der ersten LED zum Erhalt einer zweiten LED; und (c) Bestimmen des Wirkungsgrades der zweiten LED, wobei die zweite LED einen zweiten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B2*n²/(A2*n+B2*n²+c2*n³) gekennzeichnet ist, worin n eine Elektronendichte in einer aktiven Zone der zweiten LED bedeutet, und A2, B2 und c2 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, und wobei c2<c1 ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich um ein Bauelement, das aufweist: (a) eine LED mit einer lichtemittieren aktiven Zone zum Emittieren von Licht mit einer Wellenlänge, die länger als X ist, wobei die LED eine SRH-Lebensdauer, die länger als Y ist, und bei einer Stromdichte über 10 A.cm-2 einen IQE, der höher als Z ist, aufweist; und (b) wobei X 500nm ist, Y 10µs ist und Z 50% ist.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung, die aufweist: eine III-Nitrid-LED mit einer lichtemittierenden Zone, die durch eine Emissionswellenlänge von mehr als 550nm gekennzeichnet ist, und mit Rekombinationskoeffizienten A, B, c, wobei A/B kleiner als 5E18 cm³ und c/B kleiner als 5E-19 cm^-3 ist, und einem maximalen IQE von mehr als 40%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Promoten einer LED angegeben, wobei das Verfahren umfasst: (a) Entwickeln einer verbesserten LED, deren Fehlstellendichte geringer ist als bei einer bestehenden LED; und (b) potenzielle Käufer darauf hinweisen, dass die verbesserte LED bei hoher Stromdichte einen höheren Wirkungsgrad aufweist als die LED.
Figurenliste

1 zeigt eine herkömmliche „ABC“-Modellierung einer glockenförmigen Wirkungsgradkurve eines Halbleiters.
2A zeigt mit einem einfachen ABC-Modell für verschiedene Werte von A modellierte IQE.
2B zeigt die relative Änderung des IQE als Funktion der relativen Fehlstellendichte.
3 zeigt ein modifiziertes ABC-Modell das Abschirmeffekte für B und C berücksichtigt.
4 zeigt eine epitaktische Struktur, die bei volloptischen differentiellen Lebensdauer-Photolumineszenzmessungen verwendet wird.
5A zeigt einen IQE als Funktion der Stromdichte (J).
5B - D zeigen Rekombinationsgrößen (a, b, c) als Funktion der Trägerdichte (n).
5E zeigt den Zusammenhang zwischen der Ladungsträgerdichte n und der Stromdichte J.
6A zeigt die mittlere Wellenlänge verschiedener Proben und bestätigt, dass alle Proben den gleichen QW-Aufbau und den gleichen In-Gehalt haben.
6B zeigt den IQE der Proben und zeigt den starken Einfluss der epi-Variationen auf den IQE der Proben.
6C zeigt die Größe b, aus der der B-Koeffizient bestimmt wird.
6D zeigt die Größe a, aus der der A-Koeffizient abgeleitet wird.
6E zeigt den Zusammenhang zwischen Fehlstellendichte und dem IQE bei 100A.cm-2.
6F zeigt die Größe c, aus der der C-Koeffizient abgeleitet wird.
6G zeigt den Zusammenhang zwischen den experimentellen Werten von A und C in einer doppeltlogarithmischen Darstellung.
7A zeigt den Zusammenhang zwischen den Niedrigstromdichte- und den Hochstromdichte-IQE-Zunahmen nach dem ABC-Modell für eine LED mit einem maximalen Ausgangs-IQE von 50%.
7B ähnelt 7A, zeigt aber Vorhersagen gemäß der vorliegenden Erfindung.
7C - D entsprechen den 7A - B, jedoch für eine LED mit einem maximalen Ausgangs-IQE von 70%.
8A zeigt den Wert von B für Proben aus Beispiel 3.
8B zeigt die zugehörigen Werte von A für die Proben.
8C zeigt die zugehörigen Werte von c=(C+D) für die Proben.
9 zeigt den IQE für LED #1 von Tabelle 3.
10 zeigt ein prophetisches Beispiel für einen iterativen Prozess zum Erhöhen des IQE bei hoher Stromdichte durch Verringern der Fehlstellendichte.
11 (A) - (B) zeigen experimentelle Beweise für die Kopplung zwischen Punktdefekten und Droop für QWs mit einer höheren In-Zusammensetzung.
12 zeigt experimentelle Beweise für die Beeinflussung des SRH-Koeffizienten A durch Polarisationsfelder.
13 (A) - (F) zeigen experimentelle Beweise für den Einfluss eines Polarisationsfeldes (gesteuert über Wellenlänge/Zusammensetzung) auf verschiedene Rekombinationsparameter.
14 zeigt den experimentellen maximalen IQE einer Reihe von SQW-Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung und verbesserter epitaktischer Qualität.
15 (A) - (D) zeigen Daten für einige in 14 gezeigte Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung/Wellenlänge.
16 (A) - (F) zeigen, wie das langwellige Verhalten durch das Design der aktiven Zone - d. h. Dicke des SQW - weiter beeinflusst werden kann.
17 (A) zeigt den experimentellen Koeffizienten B für eine Reihe von SQW-Proben mit verschiedenen QW-Strukturen (Dicke und Zusammensetzung wie angegeben).
17 (B) zeigt die zugehörigen Werte für c, als durchgezogene Linien.
18 (A) zeigt den Zusammenhang zwischen Log-B und Log-c.
18 (B) - (C) zeigen, dass die Steigung der Beziehung vom IQE der Probe abhängt.
19 (A) - (F) zeigen ein Beispiel für eine Reihe von QWs mit Modulationsdotierung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie aus 10 ersichtlich bezieht sich die vorliegende Erfindung bei einer Ausführungsform auf einen iterativen Prozess zur Herstellung von LEDs mit hohem Wirkungsgrad bei hoher Stromdichte. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Prozess: (a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen maximalen IQE von mindestens 50% aufweist und wobei jede LED der Reihe die gleiche epitaktische Struktur aufweist; (b) Bestimmen einer Zunahme der IQEs bei hoher Stromdichte zwischen wenigstens zwei LEDs der Reihe; (c) Herstellen von zumindest einer weiteren LED für die Reihe durch Verringern der Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme X der Fehlstellendichte zumindest 3% beträgt. Bei einer Ausführungsform umfasst der Prozess ferner: (e) Wiederholen der Schritte (b) und (c) bis die Zunahme des IQE bei hoher Stromdichte zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme der Fehlstellendichten von mindestens X geringer als 1% ist. Bei einigen Ausführungsformen ist X 50% (d. h. die Fehlstellendichte wird auf die Hälfte verringert).
Sofern nicht anders angegeben, wird in dieser Schrift eine relative Zunahme als [höherer Wert - niedrigerer Wert]/niedrigerer Wert und eine relative Abnahme als [höherer Wert - niedrigerer Wert]/höherer Wert gemessen.
In dieser Schrift wird, sofern nicht anders angegeben, die Bedeutung einer hohen Stromdichte wie im Stand der Technik als abhängig von dem zu prüfenden Bauelement verstanden. Traditionell wird als hohe Stromdichte der Strombereich verstanden, bei dem der Anteil SRH-Rekombination am IQE gering ist. Insofern entspricht eine hohe Stromdichte, sofern nicht anders angegeben, dem Strombereich, bei dem weniger als 5% der Rekombinationen durch SRH-Rekombination verursacht werden. Bei einer blauen LED mit einem maximalen IQE von etwa 50% entspricht dies beispielsweise typischerweise einer Stromdichte von mehr als etwa 200A.cm-2 und bei einer blauen LED mit einem maximalen IQE von etwa 80% einer Stromdichte von mehr als etwa 2A.cm-2. Ebenso bezeichnet der Begriff „niedrige Stromdichte“ eine Stromdichte, bei der die meisten Rekombinationen beispielsweise durch Rekombination bei geringen Strömen verursacht werden, wobei mindestens 95% der Rekombinationen strahlungslos sind (d. h. der IQE ist kleiner als 5%). Dies kann je nach Struktur wiederum etwa einer J=1E-3cm-1 (oder 1E-4A.cm-2, 1E-5A.cm-2, 1E-6A.cm-2, 1e-2A.cm-2, 1E-1A.cm-2) entsprechen.
In dieser Schrift bezieht sich „im Wesentlichen gleiche epitaktische Struktur“ darauf, dass die epitaktischen Schichten verschiedener LEDs im Wesentlichen gleich sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die epitaktischen Strukturen zweier LEDs nicht exakt gleich sein müssen, um im Wesentlichen gleich zu sein. So können beispielsweise bei LEDs mit im Wesentlichen gleicher epitaktischer Struktur die epitaktischen Schichten mit Ausnahme einer veränderten Dotierung oder Dicke einer Schicht unverändert sein, eine entsprechende Änderung ist insofern unerheblich, als ein Fachmann weiß, dass diese Änderung den IQE der LED nicht signifikant beeinflusst (d. h. um mehr als 1%). Als konkretes Beispiel ändert eine geringfügige Variation der Dotierung oder Dicke einer n-Schicht oder p-Schicht im Allgemeinen nichts am IQE der aktiven Zone. Zwei LEDs, bei denen lediglich die Dotierung der n-Schicht variiert, weisen daher eine im Wesentlichen ähnliche epitaktische Struktur auf. In dieser Offenbarung werden solche Strukturen als „im Wesentlichen gleiche epitaktische Strukturen“ bezeichnet. Wichtig ist, dass, wie in dieser Schrift gelehrt, neben solchen kleinen Änderungen der der epi-Struktur auch die Fehlstellendichte variiert werden kann, um den IQE zu verbessern. Folglich wird bei einigen Ausführungsformen die Fehlstellendichte über eine Reihe von LEDs mit im Wesentlichen gleicher epitaktischer Struktur verringert.
In dieser Schrift beschreibt der Begriff „Fehlstelle“ bzw. „Defekt“ allgemein eine Störstelle im Kristall (d. h. eine Abweichung vom idealen Kristallgitter), die zu einer strahlungslosen Rekombination führen kann. Dazu gehören Punktdefekte und ausgedehnte Fehlstellen. Punktdefekte können in den Kristall eingebrachte Verunreinigungen sein, wie z. B. ein in das Gitter eingebautes Atom (entweder anstelle eines Kristallatoms, oder auf einem Zwischengitterplatz, oder als Komplex). Beispiele für Atome, die als Fehlstellen fungieren können, umfassen C, O, Mg, Fe, B, Sb, Cu und diverse andere Atome (einschließlich Metalle). Alternativ können Punktdefekte auch ohne Verunreinigungen gebildet werden und können durch ein Zwischengitteratom, eine Leerstelle oder einen Komplex verursacht werden, der die Atome umfasst, die eine III-Nitrid-LED bilden (einschließlich Ga, N, In und Al). Punktdefekte können auch ausgedehnte Fehlstellen sein, wie z. B. Versetzungen (Stufenversetzung oder Schraubenversetzung) und Fehlanpassungen. Als Ursache für eine SRH-Rekombination können auch andere Fehlstellen angegeben werden, z. B. Kombinationen der oben genannten Fehlstellen (z. B. ein Komplex aus einer Leerstelle und einer Verunreinigung, usw.). Bei einigen Ausführungsformen tragen zur strahlungslosen Rekombinationen mehrere Fehlstellen bei. Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei einem Defekt, der zu einer strahlungslosen Rekombination führt, um C, O, Mg, Fe, B, Sb, Cu, eine Ga-Leerstelle, eine N-Leerstelle, einen Ga-Komplex, oder um einen N-Komplex.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich Fehlstelle im Rahmen dieser Offenbarung nicht auf alle Defekte in einer LED bezieht. Einige Fehlstellen können keine SRH-Rekombination und/oder einen extrinsischen Droop verursachen. Daher bezieht sich Fehlstelle/ Defekt, so wie es in der Schrift verwendet wird, auf solche, die zu einer SRH-Rekombination und einem extrinsischen Droop führen. In einigen Fällen befinden sich die Energieniveaus dieser Fehlstellen innerhalb der Bandlücke der LED; in einigen Fällen liegen diese Niveaus nahe der Mitte der Bandlücke, da solche Niveaus schnellere Rekombinationsraten bewirken können; diese Niveaus können nahe der Mitte der Bandlücke +/-0,5eV (oder +/-1eV) liegen; ihr Abstand zur Leitungsbandkante als auch zur Valenzbandkante der aktiven Zone kann mehr als 0,5eV (oder mehr als 1eV) betragen.
Die Konzentration eines Defekts oder Fehlstellendichte kann als die Konzentration in der aktiven Zone verstanden werden. Diese Definition lässt je nach in Betracht gezogener Struktur einige geringfügige Abweichungen zu. So kann es sich beispielsweise um die Konzentration in einem bestimmten QW oder um die durchschnittliche Konzentration über mehrere QWs (beispielsweise alle die aktive Zone bildenden QWs), oder die Konzentration an einem Punkt eines QWs (beispielsweise in der Nähe der Mitte des QWs), oder die Konzentration an einer Grenzfläche (beispielsweise eine QW/Barriere-Grenzfläche), oder die Konzentration, die über mehrere QWs und Barrieren gemittelt wird (beispielsweise die über die gesamte aktiven Zone gemittelte Konzentration), handeln. Dies gilt auch für dicke aktive Zonen, die manchmal nicht als Quantentöpfe bezeichnet werden (beispielsweise Doppel-Heterostrukturen). Es kann sich um eine Volumenkonzentration (in cm-3, beispielsweise für Punktdefekte), eine Flächenkonzentration (in cm-2, beispielsweise für Versetzungen) oder eine lineare Versetzung (in cm-1, beispielsweise für Fehlanpassungs-Versetzungen) handeln.
Wie in dieser Schrift verwendet, muss die „Fehlstellendichte“, sofern nicht anders angegeben, nicht absolut gemessen werden - und zur Umsetzung der Lehren der Erfindung ist es auch nicht erforderlich, eine bestimmte Fehlstelle zu identifizieren. Vielmehr kann ein relativer Wert für die Fehlstellendichte im Vergleich zu anderen in der Reihe hergestellten LEDs indirekt quantifiziert werden.
So kann beispielsweise die Fehlstellendichte durch den Kehrwert der strahlungslosen Lebensdauer bei niedrigen Strömen, einer messbaren Größe, quantifiziert werden. Die strahlungslose Lebensdauer bei niedrigen Strömen wird auch oft als SRH-Lebensdauer bezeichnet. Sie kann mit diversen zeitaufgelösten Messungen ermittelt werden. Dazu gehört auch die volloptische differentielle Lebensdauermessung, die später näher beschrieben wird. Andere bekannte Techniken sind beispielsweise der zeitliche Abfall der Lumineszenz der LEDs in Reaktion auf einen ultraschnellen Laserimpuls (die Niedrigleistungsflanke dieser Reaktion weist typischerweise ein monoexponentielles Verhalten auf, das durch die SRH-Lebensdauer bestimmt wird) oder differentielle Lebensdauermessungen bei Elektrolumineszenzinjektion. Im letzteren Fall ist darauf zu achten, dass elektrische Injektionseffekte angemessen berücksichtigt werden, sodass eine genaue SRH-Lebensdauer abgeleitet wird - dies wird in David et al. Carrier dynamics and Coulomb-enhanced capture in III-nitride quantum heterostructures, Applied Physics Letters 109, 033504 (2016) (David16) beschrieben. Unabhängig von der Technik ist die SRH-Lebensdauer umgekehrt proportional zur Fehlstellendichte, sodass eine 2x höhere Lebensdauer eine 2x geringere Fehlstellendichte bedeutet. Daher wird die Fehlstellendichte bei einer Ausführungsform so reduziert, dass die SRH-Lebensdauer auf das Doppelte erhöht wird (im Vergleich zu einer Ausgangs-LED), wobei dies zu einer Erhöhung des IQE bei einer hohen Stromdichte von mehr als 3% führt.
Bei anderen Ausführungsformen wird aus der Form der Wirkungsgradkurve bei niedrigen Strömen auf eine relative Änderung der Fehlstellendichte geschlossen. Bei niedrigen Strömen ist der Wirkungsgrad proportional zu B.n/A (dies ist die Grenze des ABC-Modells für niedrige Ströme). Beim Vergleichen zweier LEDs kann man die Näherung verwenden, dass eine konstante Stromdichte J einer konstanten Trägerdichte n entspricht (was bei kleinen IQE-Änderungen gerechtfertigt ist). Daher kann man die IQEs der beiden LEDs bei der gleichen niedrigen Stromdichte, die proportional zu 1/A ist, vergleichen. Somit ist eine Verdoppelung des Niedrigstrom-IQE ein Hinweis auf eine Halbierung der Fehlstellendichte.
Die Rekombinationsrate G und die Stromdichte J sind über J=G*eV*t miteinander verbunden, wobei t die Dicke der aktiven Zone bedeutet. Dies gilt sowohl für die gesamte Rekombination (strahlend + strahlungslos) als auch für einzelne Kanäle. Die Trägerdichte n ist mit der Rekombinationsrate durch die Beziehung n=sum(tau.dG) verbunden, wobei sum() ein Integral bedeutet. Diese Ausdrücke gelten für den einfachen Fall einer einschichtigen aktiven Zone mit gut definierter Dicke, und gleicher Elektronen- und Lochdichte. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegenden Lehren für komplexere Strukturen, z. B. mit mehreren Quantentöpfen und mit über der aktiven Zone ungleichmäßig verteilten Trägern, leicht verallgemeinert werden können.
Die Droop-Rate wird in dieser Schrift als durch eine Skalierung des Stroms mit n^3 begründet beschrieben. Dies ist mit der Auger-Streuung kompatibel. Zur Würdigung der Lehren dieser Erfindung muss man sich diese Interpretation jedoch nicht zu Eigen machen. Jeder strahlungslose Prozess, der eine schnellere Trägerabhängigkeit als die strahlende Rekombination aufweist, kann zu einem Droop führen. Unabhängig davon, von welchem Phänomen angenommen wird, dass es einen solchen Droop-Strom verursacht, würde man nicht erwarten, dass der Einfluss von Punktdefekten bei hohen Stromdichten signifikant ist. So überrascht die Feststellung der Anmelder unabhängig von einer konkreten Interpretation des Droops.
FEHLSTELLENREDUKTION
Bei einer Ausführungsform wird eine Reihe von LEDs mit verringerten Fehlstellen erzeugt. Fehlstellen können auf vielfältige Weise reduziert werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion durch Optimierung bzw. Verbesserung der Reaktorbedingungen erreicht. So wird beispielsweise eine bestimmte Verunreinigung gewählt und der Reaktor so modifiziert, dass die Präsenz dieser Verunreinigung verringert wird. Dies könnte darin bestehen, die Gasleitungen eines Reaktors so abzuändern, dass die Präsenz einer schädlichen Spezies, Metallatome eingeschlossen, verringert wird. Eine Alternative kann ein Ändern der Reaktorgeometrie umfassen, um Restpräsenzen einer Spezies (wie Mg), die bisweilen in einem Reaktor haften bleiben kann, zu verringern. Dies kann ein Reinigen, einen Austausch oder eine Änderung eines Teils der Reaktorausstattung und die Wahl geeigneter Materialien (bei einigen Ausführungsformen Quarz oder SiC oder Metall) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion durch Spülen einer Kammer des Reaktors mit einem gewünschten Gas oder durch Einsatz einer gewünschten Temperatur (beispielsweise einer hohen Temperatur über 1000C) in der Reaktorkammer erreicht. Der Begriff Reaktor wird zur Beschreibung einer Vorrichtung verwendet, die zum Herstellung eines Kristalls eingesetzt wird. Es kann sich um einen MOCVD-Reaktor, einen MBE-Reaktor, einen HVPE-Reaktor, aber auch um eine andere Anlage wie beispielsweise eine Kathodenzerstäubungsanlage handeln.
Bei einigen Ausführungsformen wird die LED auf einem GaN- oder III-Nitrid-Grundsubstrat ausgebildet. Das Substrat kann eine polare, unpolare oder semipolare Ausrichtung aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist die LED eine geringe Versetzungsdichte auf (z. B. weniger als 1E7cm-2 oder 5e6cm-2 oder 1e6cm-2 oder 1e5cm-2 oder 1e4cm-2). In einigen Fällen ist eine niedrige Versetzungsdichte zum Verringern der Fehlstellendichte oder zum Verhindern eines Einbaus eines Defekts hilfreich. Bei einigen Ausführungsformen ist die LED auf einem Substrat mit einer Gitterkonstante ausgebildet, die an GaN oder an eine AlInGaN-Verbindung oder an InGaN mit einer Indiumkonzentration von etwa 10% (oder 3%, 5%, 7%, 13%, 15%, 17%, 20% oder über 3% oder über 5%) im Wesentlichen angepasst ist. Im Wesentlichen angepasst bedeutet, dass die Gitterkonstante der beiden Kristalle nahe beieinander liegt, z. B. innerhalb von +/-0,1% (oder +/-1% oder +/-0,5% oder +/-0,05% oder +/-0,01%). In einigen Fällen weist das Substrat keine entsprechende Gitteranpassungseigenschaft auf, ermöglicht aber dennoch die Keimbildung für eine III-Nitridschicht mit einer entsprechenden Gitteranpassungseigenschaft.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion durch Ausbilden des Halbleiters mit einander abwechselnden Schichten erreicht. So kann unter der aktiven Zone beispielsweise eine Unterschicht (z. B. ein Übergitter oder eine Grundsubstratunterschicht) abgeschieden werden, um Fehlstellen einzufangen. Die Unterschicht kann beispielsweise Schichten aus AlInGaN aufweisen. Es kann sich um ein InGaN/GaN-Übergitter oder allgemeiner ein AlInGaN/AlInGaN-Übergitter handeln. Alternativ können in oder um die aktive Zone herum Schichten zum Einfangen von Fehlstellen abgeschieden werden - z. B. „Dummy“-Quantentöpfe, die eine andere Zusammensetzung als die lichtemittierenden Quantentöpfe aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Unterschicht eine ausreichende Gesamtmenge an Indium auf. So beträgt beispielsweise das kumulierte Produkt aus dem Indiumanteil der Zusammensetzung der Unterschicht (in Prozent) und ihrer Dicke (in nm) mindestens 500 (oder 100, 250, 750, 1000). Zur Klarstellung: ein kumuliertes Produkt von 500 kann beispielsweise mit einer InGaN-Grundsubstratschicht einer Dicke von 200nm und einem In-Anteil der Zusammensetzung von 2,5% oder mit einem Übergitter aus InGaN-Schichten mit einer Zusammensetzungsanteil von 5% und einer kumulierten Dicke von 100nm erreicht werden. Bei Proben, bei denen die Zusammensetzung der Unterschicht nicht konstant ist, kann diese Größe als numerisches Integral des In-Profils über der Position berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der In-Gehalt von In-haltigen Schichten in der Unterschichtstruktur mindestens 7% (oder 5%, 8%, 9%, 10% oder 15%).
Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion durch Modifizieren der Abscheidebedingungen wie Gasströme, Druck, Temperatur (Oberflächentemperatur des Wafers mit eingeschlossen), Abscheiderate, Ausgangsstoffflüssen, Partialdruck der Spezies der Gruppe III, Partialdruck der Spezies der Gruppe V, III/V-Verhältnis, In-Gasphasenanteil (gegenüber der gesamten Gasphase, z. B. Ga+In) erreicht. Bei einigen Ausführungsformen werden ein Druck von mindestens 600 Torr (oder 700 Torr) und/oder eine Abscheidetemperatur bei einer oder mehreren Schichten oder bei allen Schichten unterhalb der aktiven Zone von weniger als 800C (oder weniger als 850C oder weniger als 750C) und/oder eine Abscheidetemperatur bei der Unterschicht von weniger als 820C (oder 800C oder 750C) und/oder eine Abscheidetemperatur bei den aktiven Schichten in einem Bereich von 700 - 850C (oder 650 - 800C, oder 650 - 750C) und/oder bei mindestens einer GaN-Schicht in der aktiven Zone eine Abscheidetemperatur aus einem Bereich von 1100 - 1100C und/oder ein Abscheiden aller Schichten oberhalb der aktiven Zone bei einer Temperatur von unter 900C (oder 850C, oder 800C, oder 700C) und/oder eine Abscheiderate der aktiven Zone von weniger als 0.5A/s (oder 0,7A/s, oder 0,3A/s, oder 0,2A/s, oder 0,1A/s) und/oder eine Abscheiderate der Barriere der aktiven Zone von weniger als 0,5A/s (oder 1A/s) und/oder ein V/III-Verhältnis über 50.000 oder 100.000 oder 200.000 und/oder ein V/TEG-Verhältnis von mehr als 50.000 oder 100.000 oder 200.000 und/oder ein In/Gesamtmolgasphasenverhältnis von wenigstens 0,6 (oder 0,5 oder 0,7 oder 0,8) und/oder ein NH3-Fluss in einem Bereich von 1 - 100 (oder 1 - 10 oder 10 - 100) l/min und/oder oder ein TEG-Fluss in einem Bereich von 3 - 300 (oder 3 - 30 oder 30 - 300) umol/min (µmol/min) verwendet. Bei einigen Ausführungsformen werden alle unterhalb der aktiven Zone abgeschiedenen Schichten bei einer Temperatur abgeschieden, die niedriger als die höchste Abscheidetemperatur für Schichten oberhalb der aktiven Zone ist. Bei einigen Ausführungsformen werden alle unterhalb der aktiven Zone abgeschiedenen Schichten bei einer Temperatur abgeschieden, die nicht höher ist als die Abscheidetemperatur für die aktive Zone ist, oder alle Schichten unterhalb der aktiven Zone werden bei einer Temperatur abgeschieden, die 20C (oder 50C oder 100C) unter der Abscheidetemperatur der aktiven Zone liegen. Fachleuten ist bekannt, wie die Prozessbedingungen zum Optimieren des Halbleiterwachstums und zum Minimieren der Fehlstellenbildung modifiziert werden müssen. Bei einigen Ausführungsformen wird in den Reaktor, um den Einbau von Fehlstellen zu verringern, ein Tensid oder ein Antitensid eingebracht. Solche Tenside können beispielsweise Si oder In oder Al oder Ge enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion durch Steuern des Ferminiveaus oder des Elektronen- und Loch-Quasi-Ferminiveaus während des Abscheidens erreicht. Dies kann durch Einbringen einer Spezies in den Kristall erreicht werden, die das Ferminiveau verschiebt (z. B. eines Donors oder Akzeptors). Dies kann erreicht werden, indem während der Abscheidung ein Tensid in den Fluss eingebracht wird, das das Ferminiveau verändert, ohne eingebaut zu werden. Dies kann erreicht werden, indem der Wafer während der Abscheidung mit einer zum Erzeugen einer Elektronen- und Lochpopulation geeigneten Wellenlänge und Intensität bestrahlt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird das (Quasi)-Ferminiveau um mindestens 0,1 eV (oder 1 eV) gegenüber dem Wert verändert, den es vor der Verbesserung gehabt hätte. Bei einigen Ausführungsformen ist dies wichtig, da das (Quasi)-Ferminiveau die Fehlstellendichte bestimmen kann (beispielsweise kann sich eine bestimmte Fehlstelle, die zu einer strahlungslosen Rekombination führt, leichter bei einem n-leitendem Material oder bei einem p-leitendem Material bilden); auch eine nominal nicht dotierte Schicht weist häufig eine Restdotierung durch Hintergrundverunreinigungen auf, die das Ferminiveau verschiebt und deren Korrektur erwünscht sein kann.
Bei einem konkreten Beispiel wird die aktive Zone einer Ausgangs-LED unter nominell nicht dotierenden Bedingungen abgeschieden. Da jedoch Verunreinigungen vorliegen, verschiebt sich das Ferminiveau in Richtung zum Valenzband, wodurch der vorzugsweise Einbau eines schädlichen Punktdefektes bewirkt wird. Um dies zu korrigieren, wird bei einigen Ausführungsformen eine gewünschte Spezies in den Fluss eingeführt (beispielsweise Si, Ge, O), die das Ferminiveau in Richtung zum Leitungsband zurückverschiebt und den Einbau von Punktdefekten verringert. Es wird darauf hingewiesen, dass dies auch bei sehr geringen Konzentrationen der gewünschten Spezies erreicht werden kann, da auch sehr kleine Konzentrationen zu einer großen Verschiebung des Ferminniveaus führen können.
Bei einigen Ausführungsformen weist die gewünschte Spezies in einer Schicht der LED eine Konzentration von etwa 1E13cm-3 (oder 1E14cm-3, 1E15cm-3, 1E16cm-3, 1E17cm-3, 1E18cm-3) oder aus einem Bereich von 1E14 - 1e17cm-3 oder 1E13 - 1E15cm-3 auf. In einigen Fällen reicht die Konzentration der gewünschten Spezies aus, um das Ferminiveau um mehr als 1eV (oder 0,5eV, 2eV) zu verschieben. Bei einigen Ausführungsformen reicht die Konzentration der gewünschten Spezies aus, um das Ferminiveau auf innerhalb von 1eV (oder 0,5eV, 0,2eV, 0,1eV) zur Leitungsbandkante (oder zur Valenzbandkante) zu verschieben. Die Ferminiveausteuerung kann bei diversen Schichten der LED eingesetzt werden, einschließlich der gesamten LED oder der aktiven Zone oder der Schichten unterhalb der aktiven Zone.
BEOBACHTEN DES VERBESSERTEN WIRKUNGSGRADS
Bei LEDs, die mit weniger Fehlstellen hergestellt wurden, lässt sich ein höherer Wirkungsgrad bei höheren Stromdichten beobachten. Der IQE entspricht dem Verhältnis der rekombinierenden Träger zu den in die aktive Zone injizierten Trägern. Zum besseren Verständnis kann der Steckdosenwirkungsgrad (WPE; wallplug efficiency) einer LED als WPE = 15 * IQE * Cex geschrieben werden, wobei 15 den Wirkungsgrad der Injektion (beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass Träger die aktive Zone erreichen und dort verbleiben) und Cex den Wirkungsgrad der Lichtextraktion wiedergibt. Bei einigen Ausführungsformen führt eine Erhöhung des IQE zu einer Erhöhung des WPE. Soweit nicht anders angegeben, entsprechen die angegebenen Werte denen bei Raumtemperatur (25C). Die Lehren dieser Erfindung lassen sich jedoch auch auf andere Temperaturen anwenden, wie z. B. die üblichen Betriebstemperaturen (z. B. 60C, 85C, 120C, usw.).
Bei einer Ausführungsform wird die Fehlstellendichte so verringert, dass sich der IQE bei J=1E-3A.cm-2 verdoppelt, wodurch eine Erhöhung des IQE bei hoher Stromdichte (oder bei 100A.cm-2) von mehr als 3%, 5%, 7%, 15%, 20% erreicht wird. Bei einer Ausführungsform wird eine Ausgangs-LED erhalten, deren IQE bei einer niedrigen Stromdichte J_low 5% beträgt, anschließend wird eine verbesserte LED mit einer geringeren Fehlstellendichte hergestellt, deren IQE bei J_low wenigstens 10% beträgt, wodurch der IQE bei hoher Stromdichte um mehr als 3% zunimmt.
Bei einigen Ausführungsformen führt eine Halbierung der Fehlstellen zu einer relativen Zunahme des IQE um etwa 7% bei 100A.cm-2. Etwas allgemeiner formuliert führt eine Verringerung der Fehlstellendichte um den Faktor f (mit f<1) zu einer relativen Zunahme des IQE, die bei 100A.cm-2, wie in den nachfolgend beschriebenen Experimenten beobachtet, näherungsweise durch -0,1*ln(f) angegeben werden kann. Die Anmelder erwarten, dass andere Faktoren (Details der aktiven Zone, ihrer Wellenlänge usw., eingeschlossen) zu einer Änderung der Größenordnung der Zunahme des IQE führen können. Daher lässt sich die relative Verbesserung des IQE bei anderen Ausführungsformen näherungsweise durch - k*ln(f) angeben, wobei k im Bereich von 0,05 - 0,15 oder im Bereich von 0,03 - 0,2 liegt. Zum besseren Verständnis wird die relative Verbesserung des IQE aus dem IQE des verbesserten Kristalls (Ausführungsform) dividiert durch den IQE des ursprünglichen Kristalls (Stand der Technik) berechnet; beispielsweise hat der ursprüngliche Kristall einen IQE von 50%, der verbesserte Kristall einen IQE von 55%, sodass der relative Zuwachs +10% beträgt. Entsprechende Verbesserungen bei hohen Stromdichten sind nicht trivial: Eine Fehlstellenreduktion um den Faktor 2 kann eine relative Zunahme des IQE von 3% oder mehr bewirken, obwohl man bei hohen Stromdichten eine viel geringere Verbesserung erwarten würde.
Bei einigen Ausführungsformen sind die beiden Größen (d. h. relative Fehlstellendichte und IQE) in etwa wie in Tabelle 1 unten dargestellt miteinander verbunden. J kann eine Stromdichte sein, bei der die Wirkung der SRH-Rekombination gering ist, z. B. 100A.cm-2 (oder 50A.cm-2, 200A.cm-2, 500A.cm-2, 1kA.cm-2). Tabelle 1

Fehlstellendich te (relativ) IQE (absolut) bei Stromdichte J IQE (relativ) bei Stromdichte J

1 (Stand der Technik) 50% 100%

0,5 53% 107%

0,1 62% 123%

0,05 65% 130%

0,01 73% 146%
Diese Zahlen belegen eine viel größere Kopplung zwischen den Fehlstellen und dem Droop, als man es aus dem Stand der Technik erwarten würde, und veranschaulichen erneut das überraschende Ergebnis dieser Erfindung.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellenreduktion mithilfe des Strahlungsloskoeffizienten A quantifiziert (der den Kehrwert der strahlungslosen Lebensdauer bei niedrigen Strömen, einer messbaren Größe, darstellt). Die Lebensdauer einer herkömmlichen LED kann typischerweise etwa 10ns oder 100ns betragen. Die Lebensdauer einer erfindungsgemäßen LEDs mit wenig Fehlstellen ist jedoch wesentlich länger. So beträgt die Lebensdauer bei einer oder mehreren Ausführungsformen beispielsweise mehr als 1µs, 10µs, 100µs oder 1ms.
Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren eingesetzt, bei dem A um mindestens den Faktor 2 (oder 5, 10) verringert wird. Bei einer Ausführungsform führt eine Verringerung von A um den Faktor 5 zu einer absoluten Zunahme des IQE um etwa 5% (oder 3%, 7%) bei 100A.cm-2 oder zu einer relativen Zunahme des IQE um etwa 10% (oder 6%, 14%). Bei einer Ausführungsform führt eine Verringerung von A um den Faktor zehn zu einer absoluten Zunahme des IQE um etwa 10% (oder 6%, 14%) bei 100A.cm-2 oder zu einer relativen Zunahme des IQE um etwa 20% (oder 12%, 28%). Bei einigen Ausführungsformen ist die Verringerung im Wesentlichen linear, sodass eine Verringerung der Fehlstellendichte auf ein Fünftel (d. h. des Werts von A) zu einer Verringerung des Droop-Stroms (d. h. des Werts von (C+D) auf ein Fünftel (oder mindestens ein Drittel), wie später erläutert werden wird) führt.
Ganz Allgemeinen kann der Prozess zum Änderung der Fertigung des Halbleiters für die Herstellung von LEDs mit immer geringeren Fehlstellendichten solange fortgesetzt werden, bis die bei der Verbesserung des Wirkungsgrads erzielten Erfolge nachlassen. Worin das Nachlassen eines Erfolgs besteht hängt vom Anwender und der Wirtschaftlichkeit der Herstellung neuer LEDs mit geringeren Fehlstellen ab. Beispielsweise stellten die Anmelder bei einer Ausführungsform fest, dass eine Verbesserung des IQE bei hohen Stromdichten um weniger als 1 oder 2% keinen zusätzlichen Aufwand mehr zur Senkung der Fehlstellendichte rechtfertigt. Daher haben die Anmelder das vorstehend beschriebene iterative Verfahren beendet, als eine Verringerung der Fehlstellen auf die Hälfte zu einer relativen Zunahme des IQE von weniger als 2% geführt hat. Wohlgemerkt hängt dies von der Wirtschaftlichkeit des Prozesses des Anwenders sowie der Fertigung der LEDs ab.
AUS DEM PROZESS ERHALTENES PRODUKT
Mit dem Prozess von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden LEDs mit einem bei hohen Stromdichten verbesserten Wirkungsgrad erhalten. Bei einigen Ausführungsformen zeichnen sich die verbesserten Kristalle im Vergleich zu zuvor abgeschiedenen Kristallen durch eine geringere Fehlstellendichte, einen geringeren Droop-Strom und einen höheren IQE bei hohen Stromdichten aus. Bei Ausführungsformen führt die Verringerung der Fehlstellendichte zu einer Verringerung des Droop-Stroms und zu dem verbesserten IQE. Bei einigen Ausführungsformen wird die LED bei hoher Stromdichte mit verbessertem IQE und reduziertem Droop betrieben.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Kristall von hoher Qualität, sodass der Einfluss der SRH-Rekombination bei hoher Stromdichte gering ist. Bei einer Stromdichte von 100A.cm-2 (oder 50A.cm-2, 200A.cm-2) trägt der Anteil der J_SRH (SRH-Stromdichte) beispielsweise weniger als 1% (oder 5%, 3%, 0,5%, 0,1%) zur J (Gesamtstromdichte) bei. Bei einigen Ausführungsformen ist der Kristall von hoher Qualität und weist einen maximalen IQE von wenigstens 50% (oder 40%, 60%, 70%, 80%) auf. Auch diese Kristalle profitieren von der Fehlstellenreduktion, da die Fehlstellenreduktion auch den Droop-Strom verringert.
Bei einigen Ausführungsformen ist die strahlungslose Hochstromrekombination (d. h. der Droop-Strom) vorwiegend durch die Summe zweier Strömen bedingt: einem intrinsischen Strom und einem extrinsischen Strom. Bei einigen Ausführungsformen hat keiner der beiden Ströme seine Ursache in der SRH-Rekombination. Bei einigen Ausführungsformen folgt der extrinsische Strom der Punktdefektkonzentration.
Bei anderen Ausführungsformen führt eine Verringerung der Fehlstellendichte zu einer überraschenden Zunahme des IQE bei hoher Trägerdichte (ein auf die Stromdichte bezogener Wert).
Bei einigen Ausführungsformen wird die Erfindung nicht für LEDs, sondern für Laserdioden (LDs) eingesetzt. Tatsächlich kann der Auger-Strom in einer LD unterhalb der Schwelle sehr stark sein, wodurch die Schwelle negativ beeinflusst wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die Fehlstellendichte in einer Laserdiode, wie an anderer Stelle in dieser Anmeldung beschrieben, verringert. Dadurch wird der Droop-Strom reduziert und in der Folge der Schwellenstrom verringert. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Reihe von LDs mit abnehmender Fehlstellendichte und abnehmendem Schwellenstrom eingesetzt. Die Fehlstellendichte wird um mindestens auf die Hälfte reduziert, wodurch eine Verringerung der SRH-Rekombination auf mindestens die Hälfte und eine Verringerung des Schwellenstroms um mindestens 10% (oder 20%, 30%, 50%, 80%) oder eine Verringerung der Schwellenstromdichte um mindestens 1kA.cm-2 (oder 0,5kA.cm-2, 2kA.cm-2) erreicht wird. Wie im Fall der LEDs sind solche Verbesserungen nach dem Stand der Technik nicht zu erwarten, da der Einfluss der SRH-Rekombination auf den Schwellenstrom als vernachlässigbar angesehen wird. Andere fehlstellenbedingte Verbesserungen können eine gleichwertige Verringerung der Schwellenstromdichten ergeben.
BEISPIEL 1 - ERFORSCHUNG DER REKOMBINATIONEN
Zunächst wurde untersucht, wie Rekombinationsraten experimentell explizit gemessen werden können. Es wurde die in [David17] beschriebene volloptische differentielle Lebensdauer (ODL; all-optical differential lifetime) Photolumineszenzmessung verwendet. Messungen wurden an der folgenden Probe durchgeführt, deren Struktur in 4 dargestellt ist: ein einziger InGaN QW (4nm dick, 11% In) im Zentrum einer 200nm dicken GaN-PIN-Diode. Unterhalb der PIN-Zone befindet sich ein Übergitter (SL; superlattice), um die Fehlstellendichte zu verringern.
5A zeigt den experimentell ermittelten IQE dieser Probe, der in einem Photolumineszenzexperiment gemessen wurde. Die Stromdichte J entspricht der mithilfe des anregenden Lasers in der aktiven Zone optisch induzierten Stromdichte und kann direkt mit einer elektrischen Stromdichte verglichen werden (die bei einer elektrischen Einspeisung den gleichen Wert hätte).
An dieser Probe wurde eine ODL-Messung vorgenommen. Das ODL-Verfahren ermöglicht die Bestimmung des strahlenden Stroms (G_Rad) und des strahlungslosen Stroms (G_NR), der Ladungsträgerlebensdauer τ und der Ladungsträgerdichte n in der aktiven Zone. G_NR umfasst eine Niedrigstrom- und eine Hochstromkomponente: G_NR = G_SRH + G_droop.
Die gängigen Koeffizienten A, B und C können aus folgenden experimentellen Werten abgeleitet werden: a = G_NR/n, b = G_Rad/n^2, und c = (G_NR-An)/n^3. (Zum besseren Verständnis: diese Ausdrücke werden wie folgt ausgewertet: zunächst wird A aus dem Ausdruck a bestimmt, danach wird sein Wert in Ausdruck c subtrahiert). Die 5-B-D zeigen jeweils die Werte (a, b, c) für diese Probe. A ergibt sich aus dem Plateau bei niedriger Ladungsträgerdichte. B und C ergeben sich bei allen Ladungsträgerdichten aus dem Wert für b und c - das ABC-Modell setzt jedoch voraus, dass diese Werte konstant sind, während das Experiment zeigt, dass sie von der Ladungsträgerdichte abhängen. Diese Abhängigkeit lässt sich durch Ladungsträgerabschirmung erklären (das Polarisationsfeld im QW wird nämlich bei hoher Ladungsträgerdichte abgeschirmt, wodurch die Wellenfunktionsüberlappung verstärkt und somit B und C erhöht werden). Bei Berücksichtigung dieser Abhängigkeit können die stromabhängigen Koeffizienten B(n) und C(n) festgelegt werden. Durch diese Verfeinerung wird die Genauigkeit des ABC-Modells verbessert und das in 3 dargestellten Ergebnis erzielt.
Trotz dieser Stromabhängigkeit kann es sinnvoll sein, für die Erläuterungen weiterhin einen einzelnen Wert für B und C zu verwenden. Im Folgenden entsprechen die Zahlenwerte von B und C bei den Erläuterungen den Durchschnittswerten von b und c im Bereich n~1E18 - 5E18cm-3 (d. h. bevor die Abschirmeffekte signifikant werden).
Es wird darauf hingewiesen, dass in 5A die x-Achse der Stromdichte (J) entspricht, während in den 5B - D die x-Achse der Trägerdichte (n) entspricht. Die beiden Größen stehen miteinander in Beziehung, wobei n dank der ODL-Messung quantifiziert wird. Der Vollständigkeit halber zeigt 5D die Beziehung zwischen J und n.
BEISPIEL 2 - VERKNÜPFUNG ZWISCHEN FEHLSTELLEN UND DROOP
Die Anmelder haben eine Reihe von Einzel-QW-Strukturen abgeschieden, deren Aufbau dem der oben beschriebenen Probe entspricht (mit der Ausnahme, dass der In-Anteil der QW-Zusammensetzung in dieser Reihe 13% beträgt). Die Fehlstellenkonzentration wurde bei den Reihen geändert. Dies wurde mit mehreren Mitteln erreicht. In einem ersten Durchgang brachten die Anmelder vor der PIN-Zone ein InGaN-Übergitter ein und variierten die Dicke (d. h. die Anzahl der Perioden) des SL. In einem zweiten Durchgang variierten die Anmelder das zum Aufbau der Proben verwendete Reaktorumfeld (gekennzeichnet als Beschaffenheit I und II). In einem dritten Durchgang variierten die Anmelder die Temperatur der Schicht 4 (die nicht dotierte GaN-Schicht unterhalb des QW). Die Proben sind in Tabelle 2 beschrieben. Tabelle 2

Probe # SL-Dicke Reaktorbeschaffenheit Schichttemperatur

1 100% I +0C

2 100% II +0C

3 80% II +0C

4 50% II +0C

5 22% II +0C

6 0% II +0C

7 100% II + 150C
Diese epitaktischen Variationen führten zu einer großen Variation der Punktdefektkonzentrationen, die im Folgenden naher erläutert wird. Aus einem Vergleich der Proben 1 und 2 ergibt sich, dass die Reaktorbeschaffenheit II zu einer höheren Punktdefektkonzentration führt. Aus einem Vergleich der Proben 1 - 6 ergibt sich, dass ein dünneres SL zu einer höheren Punktdefektkonzentration führt. Aus einem Vergleich der Proben 1 und 7 ergibt sich, dass eine höhere Schichttemperatur zu einer höheren Punktdefektkonzentration führt. Die Defektkonzentration wurde an jeder Probe durch ODL-Messungen ermittelt.
Die Ergebnisse des ODL-Experiments sind in den 6A - G dargestellt.
6A zeigt die mittlere Wellenlänge jeder Probe. Sie zeigt, dass alle Proben die gleiche Wellenlänge haben (die sich aufgrund des zuvor beschriebenen Abschirmeffekts mit der Stromdichte ändert). Dies bestätigt, dass alle Proben den gleichen QW-Aufbau und den gleichen In-Gehalt aufweisen.
6B zeigt den IQE der Proben und zeigt den starken Einfluss der epi-Variationen auf den IQE der Proben. Bemerkenswert ist, dass diese Variationen nicht nur bei niedrigen Stromdichten (wie sie bei einer Variation der Fehlstellendichte zu erwarten wären), sondern auch bei hohen Stromdichten zu beobachten sind. Entgegen der Vorhersage aus den 2 - 3 konvergieren die verschiedenen IQE-Kurven bei J=100A.cm-2 nicht zu einem nahezu gleichen Wert. Vielmehr sind die Proben mit einem bei niedrigen Stromdichten relativ niedrigem IQE auch bei hohen Stromdichten deutlich pönalisiert.
6C zeigt die Größe b, aus der der B-Koeffizient berechnet wird. Diese Figur zeigt, dass der B-Koeffizient (d. h. der strahlende) Koeffizient durch die epitaktischen Variationen nicht beeinflusst wird und bei allen Proben nahezu identisch ist. Das entspricht der Erwartung. Der B-Koeffizient wird durch den Aufbau der aktiven Zone bestimmt und hängt nicht von Variationen der Fehlstellendichte ab. Es besteht somit keine Beziehung zwischen einer Variation des IQE und einer Änderung der Strahlungsrate.

6D zeigt die Größe a, aus der der A-Koeffizient abgeleitet wird. Sie zeigt eine mit den in 6B dargestellt großen Variationen des IQE in Einklang stehende ausgeprägte Variation von A. Erwartungsgemäß weisen die Proben mit größerem A bei allen Strömen den niedrigsten IQE auf. In Tabelle 3 sind die Werte für A und dem zugehörigen IQE zusammengefasst. Die relativen Angaben in dieser Tabelle beziehen sich auf Probe #2 als Referenz (eine beliebige Wahl). Die relative Fehlstellendichte entspricht der relativen Änderung von A. Tabelle 3

Probe #	log10(A) (s-1)	Fehlstellendich te (relativ)	IQE (absolut) bei 100A.cm-2	Relative Zunahme des IQE bei 100A.cm-2
1	4,85	0,2	56%	+12%
2	5,5	1,0	50%	-
3	5,65	1,4	47%	-7%
4	6,4	7,9	40%	-20%
5	6,72	16,6	34%	-32%
6	7,2	50,1	18%	-65%
7	6,4	7,9	40%	-20%

Die Beziehung zwischen Fehlstellendichte und IQE bei 100A.cm-2 ist in 6E dargestellt.
Der Einfluss von Fehlstellen auf A und auf den Niedrigstrom-IQE überrascht nicht. Überraschend ist jedoch die bei 100A.cm-2 beobachtete Beziehung zwischen A und IQE, die den auf der oben beschriebenen gängigen Theorie basierenden Erwartungen widerspricht. Tatsächlich ist der Anteil der SRH-Rekombination bei so hohen Stromdichten an der Gesamtrekombinationsrate nur sehr gering.
6F zeigt die Größe c, aus der der C-Koeffizient abgeleitet wird. Auch hier wird ein überraschendes Ergebnis beobachtet. Nach dem Stand der Technik würde man erwarten, dass C bei allen Proben - genau wie B - im Wesentlichen identisch ist, da anzunehmen ist, dass C (wie B) vom Aufbau der Struktur abhängt. Stattdessen wird beobachtet, dass C stark variiert und bei Proben mit schlechterem IQE größer wird.
Daher scheint zwischen der Punktdefektkonzentration (gemessen durch A) und der Größe des Droop-Stroms (gemessen durch C) ein Zusammenhang zu bestehen.
6G zeigt die Beziehung zwischen den experimentellen Werten für A und C, dargestellt in einem doppellogarithmischen Auftrag. (Zur Erinnerung: Für C verwenden wir den Wert von (c) im Bereich von n = 1E18 - 5E18 cm-3 vor dem Einsetzen der Abschirmung). Es wird eine vorzügliche lineare Beziehung zwischen A und C über zwei Größenordnungen der Variationen beobachtet. Die Steigung dieser linearen Beziehung beträgt etwa 0,8, was (innerhalb des experimentellen Fehlers) einer Steigung von 1 nahe kommt, so dass C in erster Ordnung linear mit A variiert.
Dies stellt ein wichtiges überraschendes Ergebnis dieser Offenbarung dar. Die Experimente der Anmelder zeigen, dass zumindest ein Teil des Droop-Stroms mit der Anwesenheit von Kristalldefekten in Zusammenhang steht. Daher kann der Droop durch Reduzieren der Fehlstellendichte verringert werden. Dies wird beispielsweise durch den Vergleich der Abscheidebedingungen I und II (Proben #1 und #2) veranschaulicht: Bedingung I, die zu weniger Fehlstellen führt, wodurch sich eine signifikante Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten ergibt, ist besser.
Genauer gesagt, ist das Verhalten von c in den 6 F - G wie folgt zu verstehen. Nach dem Vorschlag der Anmelder wird c durch eine Gleichung der Form c=C+D bestimmt, wobei C ein intrinsischer Droop-Koeffizient (der nicht von der Fehlstellendichte abhängt) und D ein extrinsischer Droop-Koeffizient ist, der der Fehlstellendichte folgt. Wir beobachten, dass C einem Abschirmeffekt unterliegt (wie bereits in 5D gezeigt), während dies bei D nicht der Fall ist. Die Droop-Rekombinationsrate ist G_droop=(C+D)*n³. D verläuft in etwa linear zu A. Durch Reduzierung der Fehlstellendichte kann D auf einen sehr kleinen Wert verringert werden, und die Drooprate erreicht ihre untere Grenze Cn³, die nur durch den intrinsischen Prozess bedingt ist.
Bei der vorliegenden Struktur ermittelten die Anmelder die folgenden Werte: B=1,6E-13 s^-1cm^-3, C=2,5E-33 s^-1cm^-6 und D=k*A mit k=1,6E-38 cm^-6.
Bei anderen Proben können die relativen Werte von B, C und D geringer sein (z. B. durch eine Variation der Elektron-Loch-Überlappung aufgrund einer Änderung des In-Gehalts oder der QW-Dicke). Allerdings werden B, C und D, wenn solche Überlappungsschwankungen auftreten, in etwa durch den gleichen Faktor beeinflusst. Daher ist das Verhältnis (C+D)/B im Allgemeinen ein Indikator für die Qualität einer LED, unabhängig vom konkreten Wert für B. Idealerweise ist D nahezu Null und das Verhältnis nähert sich dem intrinsischen Verhältnis C/B=1,6e-20 cm³. Im Gegensatz dazu kann eine LED mit großer Fehlstellendichte ein Verhältnis von etwa (C+D)/B ~ 7E-20 cm³ aufweisen. Das Verhältnis (C+D)/B stellt einen Parameter dar, der das Verhalten des IQE bei hohen Stromdichten beschreibt, wobei IQE = Bn²/(Bn²+(C+D)n³) = 1 / (1 + n*(C+D)/B).
Daher lassen sich Ausführungsformen durch eine Wirkungsgradkurve charakterisieren, die bei hohen Strömen die folgende Abhängigkeit von n aufweist: IQE = 1/(1+n*k), wobei k kleiner als 5E-20 cm³ (oder 3e-20 cm³, 2e-20 cm³, 1e-20 cm³) ist.
Dieses Verhalten kann auch in Abhängigkeit von der Stromdichte J ausgedrückt werden, da bei hohen Strömen J~e*t*(C+D)n³ (mit der Elektronenladung e und der Dicke der aktiven Zone t), also IQE = 1 / ((J/e/t)^1/3 (C+D)^2/3/B). Daher zeichnen sich Ausführungsformen durch eine Wirkungsgradkurve aus, die bei hohen Strömen folgende Abhängigkeit von J aufweist: IQE = 1/(1+k*(J/e/t)^1/3), wobei k = (C+D)^2/3/B kleiner als 2E-9 SI/3CM^-1 (oder 1,5E-9, 1E-9) ist. Hier wird die Dicke der aktiven Zone t in cm ausgedrückt und die Elektronenladung beträgt e=1,6E-19. Bei einigen Ausführungsformen wird eine LED durch Reduzieren der Fehlstellendichte so verbessert, dass sich der Wert von k um mindestens 0,5E-9 s^1/3cm^-4 verringert.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Verbesserung der LED durch Messung der relativen Zunahme des IQE bei niedrigen Stromdichten und bei hohen Stromdichten bewertet. Nach dem Verständnis des Stands der Technik sollte die Zunahme bei hohen Stromdichten auch dann gering sein, wenn die Verbesserung bei niedrigen Stromdichten groß ist, da der Einfluss der SRH-Rekombination bei hohen Stromdichten gering ist.
7A zeigt die Beziehung zwischen den IQE-Zunahmen bei niedrigen und bei hohen Stromdichten nach dem ABC-Modell für eine LED mit einem maximalen Ausgangs-IQE von 50%. Die relative Zunahme des IQE bei 1E-3 A-cm-2 ist entlang der x-Achse aufgetragen. In diesem Niedrigstrombereich ist die Zunahme des IQE umgekehrt proportional zur Fehlstellendichte. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist die Zunahme des IQE bei hoher Stromdichte moderat: Bei 50A.cm-2 und 100A.cm-2 erhöht sich der IQE auch dann um weniger als 10%, wenn der Niedrigstrom-IQE um das 100-fache zunimmt. Wenn der Niedrigstrom-IQE nur auf das Doppelte zunimmt, nimmt der Hochstrom-IQE nur um wenige Prozent (weniger als 3%) zu.
7B ist ähnlich zur 7A, zeigt aber Vorhersagen gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 7A ist die Zunahme des IQE bei hohen Strömen sehr hoch. Ob bei einem Strom von 20A.cm-2, 50 A.cm-2 oder 100A.cm-2, der IQE nimmt bei einer Verdoppelung des Niedrigstrom-IQE um ca. 15% und bei einer Verzehnfachung des Niedrigstrom-IQE um ca. 50% zu.
Die 7C - D entsprechen den 7A - B, allerdings für eine LED mit einem maximalen Ausgangs-IQE von 70%. Auch hier prognostiziert das ABC-Modell sehr geringe Zuwächse bei hohen Strömen. Die vorliegende Erfindung prognostiziert, dass eine Verdoppelung des Niedrigstrom-IQE zu einer 10%igen Zunahme des Hochstrom-IQE führen kann (unabhängig davon, ob als hoher Strom 20A.cm-2, 50 A.cm-2 oder 100A.cm-2 angenommen wird), wobei eine Verzehnfachung des Niedrigstrom-IQE zu einer Zunahme des Hochstrom-IQE um etwa 30%igen führen kann.
Die 11 (A) - (B) bieten weitere experimentelle Nachweise für den Zusammenhang zwischen Punktdefekten und Droop, jedoch für QWs mit einem höheren In-Anteil der Zusammensetzung. Drei Proben sind dargestellt: alle weisen einen einzigen InGaN-Quantentopf mit einer Dicke von 2,5nm und einem nominalen In-Anteil der Zusammensetzung von 25% auf. Die Fehlstellenreduktion bei den Proben 1 bis 3 wird durch eine Kombination der in dieser Schrift offenbarten optimierten Abscheideparameter und Unterschichtgestaltungen erreicht. Der zugehörige IQE (mithilfe von Photolumineszenz gemessen) ist in den 11 (A) - (B) mithilfe durchgezogener Linien dargestellt. Der IQE nimmt der Fehlstellenreduktion entsprechend zu, sowohl bei geringen Strömen (wie erwartet) als auch bei hohen Strömen (der vorliegenden Lehre entsprechend). 11 (A) zeigt eine Anpassung eines gängigen ABC-Modells an die Daten (gestrichelte Linien), wobei die ABC-Koeffizienten für Probe 3 optimiert wurden und A von Probe 3 zu Probe 1 zunimmt: Die Vorhersage der Kurvenform des IQE ist nie gut, da der Zusammenhang zwischen Fehlstellen und Droop nicht berücksichtigt wird. Im Gegensatz dazu wurde in 11 (B) das ABC-Modell modifiziert, um den in dieser Schrift gelehrten Zusammenhang zwischen A und c zu berücksichtigen, wodurch eine deutlich bessere Anpassung erreicht wird. Dies bestätigt, dass die in dieser Schrift vermittelten Erkenntnisse nicht auf eine bestimmte QW-Materialzusammensetzung beschränkt sind, sondern für ein breites Spektrum von Zusammensetzungen gültig sind.
BEISPIEL 3 - WELLENLÄNGENABHÄNGIGKEIT
Bei einem dritten Experiment haben die Anmelder den Einfluss des Indiumgehalts des QW (der dessen Emissionswellenlänge steuert) auf die Rekombinationen untersucht. Die Anmelder schieden eine Reihe von Strukturen, ähnlich der von 4, mit unterschiedlichen In-Gehalten aus dem Bereich von 10% - 25% ab. Die Anmelder maßen bei diesen verschiedenen Proben die Werte von a, b und c, aus denen sich die Werte von A, B und (C+D) ergaben.
8A zeigt den Wert für B für alle Proben. Die Proben werden unter den oben beschriebenen epi-Bedingungen I oder II abgeschieden. Die Bedingung I wird durch Quadrate und die Bedingung II durch Kreise dargestellt. Die Figur zeigt, dass B mit zunehmendem In-Gehalt abnimmt, da aktive Zonen mit mehr In stärkere Polarisationsfelder aufweisen, die die Elektronen- und Lochwellenfunktionen trennen, sodass B kleiner wird. Dies entspricht den Erwartungen.
8B zeigt die entsprechenden Werte für A. Zuerst werden Proben, die unter der Bedingung I abgeschieden wurden, beschrieben. Der Wert von A sinkt mit steigendem In-Gehalt, wie zuvor der Wert von B. Dies liegt daran, dass die Verringerung der Überlappung auch den Wert von A beeinflusst, wie in David et al., Field-assisted Shockley-Read-Hall recombinations in III-nitride quantum wells, Appl. Phys. Lett. 111, 233501 (2017) (David 17b) dargelegt ist. Dieses Verhalten ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Dieses Verhalten entspricht den Erwartungen. Als Nächstes werden die unter Bedingung II abgeschiedenen Proben betrachtet. Bei gegebenem [In] ist der Wert von A höher als bei der Bedingung I, weil diese epi-Bedingung, wie zuvor erläutert wurde, nicht so gut ist. Darüber hinaus wurde diese Datenreihe auf größere [In]-Werte von mehr als 16% erweitert. In diesem Fall wurde, anstatt eine Abnahme von A mit zunehmendem [In] zu beobachten, eine (wie durch die gestrichelte Linie angedeutete) in etwa Sättigung von A beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Punktdefektkonzentration bei solchen [In]-Werten ansteigt und dass diese Zunahme der Punktdefekte die natürliche Abnahme von A mit zunehmendem [In] übersteigt. Mit anderen Worten, nimmt die Wellenfunktionsüberlappung ab, wodurch der Wert von A abnehmen sollte; dieses Verhalten wird jedoch durch eine gleichzeitige Zunahme der Fehlstellendichte maskiert. Dies zeigt, dass LEDs mit hohem In-Gehalt naturgemäß anfälliger für den Einbau von Fehlstellen sind.
8C zeigt die zugehörigen Werte von c=(C+D). Diese spiegeln das Verhalten von A unmittelbar wider. Die epi-Bedingung I führt nämlich zu niedrigeren Werten für C als die Bedingung II, und bei der Bedingung II nimmt c mit zunehmendem In aufgrund der geringeren Wellenfunktionsüberlappung ab. Für die epi-Bedingung II wird für [In]>16% ein Plateau für c beobachtet. Auf Basis der bisherigen Beobachtungen wird das Plateau von c als durch das Plateau von A verursacht verstanden. Mit anderen Worten führt eine zunehmende Anzahl von Punktdefekten zu einer Zunahme des extrinsischen Droop-Stroms, der den natürlichen Rückgang mit zunehmendem [In] übersteigt.
Diese Messungen bieten eine Erklärung für das bekannte Grünlückenproblem, das eine große technologische Herausforderung für III-Nitrid-LEDs darstellt. Mit grüner Lücke wird der Umstand bezeichnet, dass der IQE von LEDs mit dem Vordringen von deren Welllänge in den cyangrünen Bereich stark abnimmt (entspricht einem [In] von mehr als 15%). Die Ursachen der grünen Lücke sind nicht bekannt, und diese manifestiert sich als geringer IQE sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Stromdichten. Das Hochstrom-IQE-Defizit ist für Anwendungen das Wichtigste.
Die Beobachtungen der Anmelder zeigen, dass die grüne Lücke durch die folgenden miteinander in Beziehung stehenden Effekte verursacht wird: 1) bei zunehmendem [In] neigt die epi zum vermehrten Einbau von Fehlstellen, wodurch A zunimmt und 2) dadurch wiederum auch der extrinsische Droop-Prozess und der Wert von c zunehmen.
Folglich zeigt diese Erfindung ein Verfahren zur Lösung des Problems der grünen Lücke mittels einer Reduzierung der Fehlstellendichte bei einer LED mit großem In-Anteil. Dies führt in der Tat zu einem reduzierten Droop und zu einem großen Hochstrom-IQE. Auch wenn allgemein bekannt ist, dass die Verringerung von Fehlstellen bei langwelligen LEDs wünschenswert sein kann, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt, inwieweit dies für die Eigenschaften bei hohen Strömen von Bedeutung sein kann.
Einige Ausführungsformen sind langwellige LEDs mit geringer Fehlstellendichte und hohem Wirkungsgrad bei hohen Strömen. Einige Ausführungsformen sind langwellige LEDs mit geringen SRH-Lebensdauern und hohem Wirkungsgrad bei hohen Strömen. Ausführungsformen weisen eine Emissionswellenlänge von mindestens 500nm (oder 520nm, 550nm, 600nm) und eine SRH-Lebensdauer von weniger als 10us (oder 50us, 100us, 500us, 1ms) und einen maximalen IQE von mehr als 50% (oder 60%, 70%, 80%) sowie einen Hochstromwirkungsgrad bei einem Strom von 10A.cm-2 von mehr als 35% (oder 40%, 45%, 50%, 60%) auf.
Bei einem konkreten Beispiel hat eine LED nach dem Stand der Technik einen [In]=20% und Werte von A=4E5 s-1, B=4E-14 s-1.cm-3, c=7E-33 s-1.cm-6. Diese LED hat einen maximalen IQE von unter 30%. Ausführungsformen betreffen eine durch Reduzieren des Werts von A erzielte Verbesserung dieser LED, wodurch die folgende Zunahme des maximalen IQE und des IQE bei 10A.cm-2 erzielt wird:

A (s-1) SRH-Lebensdauer(s) Maximaler IQE Hochstrom-IQE

2E5 5 us 42% 25%

1E5 10 us 57% 33%

5E4 20 us 70% 41%

2E4 50 us 82% 50%

1E4 100 us 88% 55%
Diese Ausführungsformen stehen im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem langwellige LEDs eine kurze SRH-Lebensdauer von weniger als 1us (und oft weniger als 100ns) aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen werden verschiedene Kristallebenen der herkömmlichen c-Ebene verwendet, um den Hochstromwirkungsgrad (durch Erhöhen der Wellenfunktionsüberlappung) weiter zu verbessern und die vorliegenden Lehren zum Verringern der Fehlstellendichte zu nutzen. Bei einigen Ausführungsformen werden dicke aktive Zonen (anstelle des bisher beschriebenen einzelnen 4nm QW) verwendet, um den Hochstromwirkungsgrad (durch Erhöhen der Wellenfunktionsüberlappung) weiter zu verbessern, und die vorliegenden Lehren zum Verringern der Fehlstellendichte zu nutzen. Entsprechend können die in der obigen Tabelle angegebenen Hochstromeigenschaften von 10A.cm-2 auf 20A.cm-2 oder 50A.cm-2 oder 100A.cm-2 hochgetrieben werden. Daher können die vorliegenden Lehren ganz allgemein mit anderen in der Technik bekannten Verfahren kombiniert werden, um die Eigenschaften zu verbessern. In einigen Fällen wird eine Fehlstellenreduktion erzielt (die zu einem geringeren Droop führt), wobei der Aufbau der aktiven Zone weiter geändert wird, um die Fehlstellenreduktion optimal zu nutzen.
Ähnliche Ausführungsformen weisen aktive Zonen mit höherem [In] (z. B. im Bereich von 20 - 22% oder 20 - 25% oder 20 - 30% oder 25 - 30% oder 30 - 40% oder 40 - 50% oder 50 - 60%) auf, profitieren aber auch von langsameren SRH-Zeiten und hohen maximalen IQEs.
Im Allgemeinen variieren die Werte von A, B und C aufgrund der Änderung der Polarisationsfelder mit der [In]. Beispielsweise kann eine LED mit [In]=10% bei gleicher Fehlstellendichte und maximalem IQE A=3E5 s^-1, B=8E-13 s^-1cm^-3, c=3E-32 s^-1cm^-6 und eine LED mit [In]=15% A=3E4 s^-1, B=8E-14 s^-1cm^-3, c=3E-33 s^-1cm^-6 aufweisen. Diese Werte entsprechen einigen der besten LEDs, die in 8A - C dargestellt sind (d. h. LEDs mit niedrigen Werten für A und Werten für c, die sich recht nahe an der intrinsischen Grenze befinden: c ~ C). Auch wenn A, B und c um etwa das Zehnfache variieren, bleiben ihre Verhältnisse in etwa konstant. Daher kann die Qualität einer LED unabhängig von ihrem In-Gehalt durch die Verhältnisse A/B und c/B ausgedrückt werden - wobei niedrigere Werte eine bessere LED anzeigen. Bei beiden der obigen Beispiele ist A/B-4E17 cm³ und c/B~4E-20 cm^-3. Im Gegensatz dazu können LEDs nach dem Stand der Technik ein A/B∼1E19 cm³ und ein c/B~1E-18 cm^-3 oder sogar höhere Werte aufweisen.
Daher sind einige Ausführungsformen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie Rekombinationskoeffizienten A, B, c mit A/B und c/B von jeweils unter 5E18 cm³ bzw. 5E-19 cm^-3 und einen maximalen IQE von mehr als 40% (oder unter 2E18 cm³ bzw. 2E-19 cm^-3 mit einem maximalen IQE > 50%, oder unter 1E18 cm³ bzw. 1E-19 cm^-3 mit einem maximalen IQE > 70%, oder unter 5E17 cm³ bzw. 5E-20 cm^-3 mit einem maximalen IQE > 80%) aufweisen. Einige der hier genannten Werte (z. B. IQE > 40%) mögen im Kontext blauer LEDs wenig überraschend erscheinen, sind aber im Kontext langwelliger LEDs (im tiefgrünen, gelben, orangen und roten Bereich) überraschend und waren dort nicht zu erwarten. Daher gelten einige dieser Werte für LEDs mit aktiven Zonen deren [In] > 25% (oder > 30%, 40%, 50%, 60%) ist oder im Bereich von 25 - 60% liegt.
Für die soeben beschriebenen Ausführungsformen ist es aus Gründen des besseren Verständnisses sinnvoll, noch einmal zu betonen, dass A, B und c Parameter sind, die den Wirkungsgrad der LED wiedergeben. Wie zuvor erwähnt, können sie aus Lebensdauermessungen und/oder aus einer an den Wirkungsgradverlauf angepassten Kurve abgeleitet werden. Die Werte von B und c werden bei moderaten Stromdichten vor Einsatz einer Abschirmung ermittelt - beispielsweise handelt es sich um Werte im Umfeld des maximalen Wirkungsgrads. Bei einer Ausführungsform kann die Wirkungsgradkurve um ihr Maximum herum mit einer ABC-Gleichung vom Typ IQE=Bn²/(An+Bn²+cn³) lokal angepasst werden, wobei die Verhältnisse A/B und c/B die zuvor genannten Bereiche verifizieren. Selbstverständlich muss diese ABC-Anpassung über einen ausreichend großen Datenbereich stichhaltig sein, um aussagekräftig sein zu können. Daher kann die Wirkungsgradkurve bei einigen Ausführungsformen mithilfe dieses ABC-Modells über +/- eine Stromdichtendekade gut angepasst werden (d. h. wenn der maximale IQE bei einer Stromdichte Jpeak auftritt, ist die Anpassung im Bereich Jpeak/10 - Jpeak*10) bzw. über +/- zwei Stromdichtendekaden oder über +/- eine halbe Dekade (d. h. im Bereich Jpeak/3,3 - Jpeak*3,3) gut. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Anpassung als gut anzusehen, wenn der Wert der Modellkurve im interessierenden Bereich um nicht mehr als +/-3% absolute IQE-Punkte (oder +/-5 Punkte, +/-1 Punkt) vom experimentellen IQE abweicht.
Zur Veranschaulichung zeigt 9 den IQE für LED #1 aus Tabelle 3. Der experimentelle IQE ist als Symbol (Kreis) dargestellt. Der mit einem einfachen ABC-Modell angepasste IQE ist als Linie dargestellt. Auch wenn bei diesem Modell Abschirmeffekte bei hohen Strömen ignoriert werden, passt es über zwei Dekaden von Jpeak/10 bis Jpeak* 10 doch sehr gut zum Verlauf des IQE (besser als +/-2% absolute IQE-Punkte). Die abgeleiteten Parameter sind A=5,9E4 s^-1, B=1,4E-13 s^-1cm^-3 und c=2,5E-33 s^-1cm^-6. Daher lassen sich bei dieser Probe in Übereinstimmung mit den vorhergehenden Erläuterungen A/B-4E17 cm³ und c/B~2E-20 cm^-3 verifizieren.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Reihe von LEDs gefertigt. Bei diesen LEDs kann eine wie gerade beschriebene Wirkungsgradanpassung mit dem ABC-Modell vorgenommen werden. LEDs werden durch eine Reduktion der Fehlstellendichte verbessert, wodurch immer niedrigere Werte für A/B und c/B erhalten werden. Es werden solange LEDs hergestellt, bis A/B und C/B um mindestens einen Faktor 2 verkleinert wurden. Bei einigen Ausführungsformen führt dies zu einer Zunahme des IQE von wenigstens 5% bei einer Stromdichte größer als Jpeak*10. Bei einigen Ausführungsformen beginnt die Reihe mit einer LED, deren maximaler IQE mehr als 50% (oder mehr als 60%, 70%) beträgt.
12 zeigt weitere experimentelle Beweise dafür, dass der SRH-Koeffizient A durch Polarisationsfelder beeinflusst wird. 12 zeigt den Verlauf von A über der/dem Wellenlänge/In-Gehalt für eine Reihe von SQW-Proben (single quantum well; ein einziger Quantentopf; Dicke 4nm, unterschiedliche Zusammensetzungen im Bereich von 10-15%), die alle einen maximalen IQE von etwa 85% aufweisen (mit Photolumineszenz gemessen). Mit zunehmendem In-Gehalt nimmt das Polarisationsfeld zu und A ab. Empirisch gesehen ist der Trend linear mit einer Steigung von -0,0117. Durch einen Vergleich von Proben mit unterschiedlichen Wellenlängen können deren Werte für A daher wie folgt neu normiert werden, um diese Variation zu kompensieren: log10(Acorr)=log10(A)+0.0117*Δλ, wobei Δλ der Wellenlängenunterschied zwischen Proben (mit beliebigem Wellenlängenursprung) und A der experimentelle Wert ist.
Die 13(A) - (F) zeigen weitere experimentelle Beweise für den Einfluss des Polarisationsfeldes (gesteuert über die Wellenlänge/Zusammensetzung) auf verschiedene Rekombinationsparameter. Konkret beziehen sich die 13 (A) - (F) auf eine Reihe von drei SQW-Proben (t=4nm, Zusammensetzung von 12,4% / 13,8% / 15,2%), die mithilfe der Photolumineszenz gemessen werden. 13 (A) zeigt, dass alle diese Proben einen ähnlichen maximalen IQE von etwa 75 - 80% aufweisen. 13 (B) zeigt den durch den Unterschied im Polarisationsfeld verursachten Unterschied der Lebensdauern zwischen den Proben. 13 (C) zeigt die Wellenlängen der Proben. Die Figuren (D) - (F) zeigen die Werte der Rekombinationsparameter A, B und c über der Trägerdichte. Alle diese Parameter nehmen mit zunehmendem In-Gehalt der Probenzusammensetzung ab, wobei die Näherungswerte wie folgt sind:

Lambda xIn A B C

480 12,4 5,3 -12,4 -31,8

500 13,8 5,15 -12,7 -32,15

520 15,2 4,9 -12,9 -32,4
Diese Tabelle zeigt, wie Proben mit verschiedener Zusammensetzung durch Korrigieren ihrer Rekombinationsparameter für polarisationsfeldbedingte Effekte verglichen werden können.
BEISPIEL 4 - VERBESSERUNG DER EIGENSCHAFTEN BEI LANGEN WELLENLÄNGEN
Ausführungsformen ermöglichen eine Verbesserung der Eigenschaften bei langen Wellenlängen, d. h. Verbesserungen bei der grünen Lücke.
14 zeigt den experimentellen maximalen IQE einer Reihe von SQW-Proben (Dicke 4nm) mit unterschiedlicher Zusammensetzung und verbesserter epitaktischer Qualität. In einem weiten Wellenlängenbereich weisen die besten Proben unabhängig von ihrer Zusammensetzung einen maximalen IQE von etwa 70% auf. Selbst bei einer Wellenlänge von 590nm wird ein maximaler IQE von 50% erreicht. Es wird erwartet, dass bei weiterer Anwendung der in dieser Schrift angegebenen Lehren noch höhere IQEs erreicht werden können, z. B. ein maximaler IQE von mindestens 70% bei Wellenlängen von 600nm und darüber oder in einem Bereich von 580 - 620nm oder 600 - 630nm.
Die 15(A) - (D) zeigen weitere Daten für einige in 14 dargestellte Proben mit unterschiedlicher Zusammensetzung/Wellenlänge. 15 (A) zeigt deren Wellenlänge. 15 (B) zeigt deren IQE (mit Ausnahme der langwelligsten Probe haben alle Proben einen maximalen IQE von etwa 70%). 15 (C) zeigt deren SRH-Koeffizienten A. 15 (D) zeigt die Beziehung zwischen Wellenlänge und IQE für jede Probe. Die gestrichelte Linie markiert einen IQE von 70%. Es wird erwartet, dass weitere Verbesserungen anhand der in dieser Schrift angegebenen Lehren auch bei längeren Wellenlängen einen höheren IQE ermöglichen werden.
Die 16 (A) - (F) zeigen, wie die Eigenschaften bei längeren Wellenlängen durch den Aufbau der aktiven Zone - in diesem Fall der Dicke des SQW - weiter beeinflusst werden können. Die 16 (A) - (F) zeigen experimentelle Photolumineszenzdaten für eine Reihe von QWs mit einem nominalen In-Anteil in der Zusammensetzung von 25% und unterschiedlichen Dicken im Bereich von 2 - 3nm. 16 (A) zeigt, dass eine abnehmende Dicke zu einer Blauverschiebung der Emissionswellenlänge führt. Dies beruht auf einer Verringerung des quantum-confined Stark-Effekts bei dünneren QWs. Daher sollte die Elektronen-Loch-Überlappung in dünneren QWs zunehmen. Dies wird durch den in den 16 (C) - (D) dargestellten Verlauf der A- und B-Koeffizienten bestätigt: Die Koeffizienten werden aufgrund der erhöhten Überlappung mit abnehmender Dicke größer. 16 (B) zeigt den resultierenden IQE. In diesem Fall weisen die dickeren QWs aufgrund der nicht-trivialen Variation von A und B mit der Dicke einen höheren maximalen IQE auf. Daher umfassen einige Ausführungsformen InGaN-QWs mit einem In-Anteil der Zusammensetzung von mindestens 25% und einer Dicke aus einem Bereich von 2,25 - 3nm. 16 (E) zeigt die zugehörigen Lebensdauern, die bei dünneren Proben (aufgrund der erhöhten Wellenfunktionsüberlappung) kürzer sind. 16 (F) zeigt die Beziehung zwischen IQE und Wellenlänge für diese Proben.
BEISPIEL 5 - BEZIEHUNG ZWISCHEN B UND C
Wie erläutert, ergibt sich der Droop-Koeffizient c aus der Summe zweier Terme: c=C+D. Bei Proben mit niedrigem SRH-Koeffizienten ist D klein und c in etwa gleich C. Bei solchen Proben kann die Wellenfunktionsabhängigkeit der Koeffizienten C und D untersucht werden. Wie in dieser Schrift gezeigt, besteht zwischen B und C eine systematische Beziehung, auch wenn die Proben im Detail stark variieren.
17 (A) zeigt den experimentellen Koeffizienten B für eine Reihe von SQW-Proben mit unterschiedlichen QW-Strukturen (Dicke und Zusammensetzung, wie angegeben). Die Dichteabhängigkeit von B ist komplex und hängt von der Probe ab. Die Dichteabhängigkeit von B wird durch mehrere Effekte verursacht (die das Polarisationsfeld, Ladungsträgerlokalisation und die Coulombverstärkung umfassen). Unabhängig davon ist diese Abhängigkeit bei jeder gegebenen Probe ein Indikator für eine Variation der Elektronen-Loch-Überlappung I, da der B-Koeffizient mit I² skaliert werden sollte. In 17 (B) sind die entsprechenden Werte von c als durchgezogene Linien dargestellt. Weiterhin ist für jede Probe ein Modell zur Vorhersage von c auf Basis von B als gestrichelte Linie dargestellt. Die Modelle sind die folgenden:

für 4nm dicke Proben, log₁₀(c) = -18,3+1,1*log₁₀(B)
für 2,5nm dicke Proben, log₁₀(c) = -17,3+1,15*log₁₀(B)

Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den vorhergesagten Werten von c ist bemerkenswert. Dies bedeutet, dass c vom B-Koeffizienten gemäß einem Potenzgesetz abhängt, nämlich c ~ B^1,1-1,15. Mit anderen Worten, hängt c von der Wellenfunktionsüberlappung einem Potenzgesetz entsprechend ab, nämlich c ∼ I^2,2-2,3.
Dieses Potenzgesetz zeigt sich ferner bei einer großen Anzahl von SQW-Proben, die in 18 (A) dargestellt sind. 18 (A) zeigt die Beziehung zwischen B und c in einer doppeltlogarithmischen Darstellung. Es wird darauf hingewiesen, dass jede Kurve in 18 (A) einer Probe entspricht, wobei die Kurven die Beziehung zwischen B und c bei einer Variation der Ladungsträgerdichte der LED (im Bereich von 3E18 - 3E19 cm-3) zeigen. Die durchgezogenen Kurven beziehen sich auf Proben mit einer Dicke von ca. 4nm und einer Zusammensetzung mit ca. 12 - 16%. Die gestrichelten Kurven beziehen sich auf SQW-Proben mit einer Dicke von etwa 2,5nm und einer Zusammensetzung mit etwa 22 - 27%. Jede der Kurven ist wie zuvor beschrieben nahezu exakt linear mit einer Steigung von etwa 1,1 - 1,15. Dies bestätigt, dass das Potenzskalierungsgesetz zwischen B und C systematisch eingehalten wird.
Die 18 (B) - (C) zeigen, dass die Steigung der Beziehung vom IQE der Probe abhängt. 18 (B) zeigt den Photolumineszenz-IQE von vier Proben (4nm dickes SQW, [In]=12 - 13%) mit unterschiedlichen Fehlstellenkonzentrationen und damit unterschiedlichen IQE. 18 (C) zeigt die Beziehung zwischen B und c für diese Proben. In allen Fällen ist die Beziehung ungefähr linear, was darauf hindeutet, dass B und c durch ein Potenzgesetz c - B^q verbunden sind. Der Wert des Exponenten q steht jedoch in direkter Beziehung zum IQE, wie sich aus der folgenden Tabelle ergibt:

Probe # maximaler IQE % q

1 93 1,26

2 85 1,21

3 59 0,92

4 44 0,58

5 21 0,09
Proben mit einem höheren IQE weisen einen größeren Exponenten auf, wobei der hier beobachtete Maximalwert in etwa 1,26 beträgt. Im Gegensatz dazu ist der Exponent bei Proben mit niedrigerem IQE kleiner. Bei anderen Proben hoher Qualität mit hohem Zusammensetzungsanteil ([In] ~ 25%) und dünneren Quantentöpfen (2,5nm) haben die Anmelder auch Exponenten von etwa 1,46 und maximale IQEs von über 70% beobachtet.
Diese Beobachtung eröffnet eine weitere Möglichkeit zur Charakterisierung von Proben mit einer ausreichend geringen Fehlstellendichte, d. h. mit einem Droop, der hauptsächlich durch den intrinsischen Koeffizienten C und nicht durch den extrinsischen Koeffizienten D bedingt ist. Bei solchen Proben ist c nahezu gleich C und die Beziehung zwischen B und c (bei variierter Leistungsdichte) entspricht einem Potenzgesetz mit einem großen Exponenten. Daher sind einige Ausführungsformen durch ein Potenzgesetz zwischen B und c mit einem ausreichend hohen Exponenten gekennzeichnet. Einige Ausführungsformen weisen einen Exponenten aus einem Bereich von 1 - 1,3 oder 0,8 - 1,3 auf. Konkret weisen einige Ausführungsformen eine lichtemittierende Zone auf, die Schichten mit hohem Indiumgehalt (mindestens 20% oder 25% oder 30%) enthält, wobei die Beziehung zwischen deren B- und c-Koeffizienten Potenzgesetzen mit einem hohen Exponenten (mindestens 0,8 oder 1 oder 1,1 oder 1,2 oder 1,3 oder 1,4 oder 1,5 oder 1,6) folgt.
Beispiel 6 - DOTIERUNGSEFFEKTE
Einige Ausführungsformen sind ferner mit einer dotierten aktiven Zone ausgestattet, wodurch deren Rekombinationskoeffizienten beeinflusst werden können. Die Dotierung kann durch Verunreinigungen oder Modulationsdotierung bewirkt sein.
Die 19 (A) - (F) zeigen ein Beispiel für eine Reihe von QWs mit Modulationsdotierung. Die Dotierungsreihe wird durch Variieren der Position des SQW innerhalb des intrinsischen Bereichs (Gesamtbreite 200nm) einer PIN-Diode erhalten. Die Position wird als Prozentsatz der Dicke, bei dem der QW positioniert ist, angegeben (wobei 0% der n-Seite und 100% der p-Seite entspricht). Eine Position von 50% entspricht der Mitte des intrinsischen Bereichs und einer minimierten Modulationsdotierung. Wenn die QW-Position auf beiden Seiten variiert wird, liegt eine Modulationsdotierung vor. Das Dotieren hat zwei Auswirkungen: (1) es ändert die Dynamik durch Hinzufügen eines Hintergrunddotierungsterms n0/p0; und (2) bewirkt es eine Feldabschirmung.
19 (A) zeigt den IQE einer jeden Probe, der in etwa konstant ist. 19 (B) zeigt die Lebensdauer, die mit höherer Dotierung (aufgrund von Feldabschirmung und Hintergrunddotierung) kürzer wird. 19 (C) zeigt die Wellenlänge, die mit zunehmender Dotierung (aufgrund der Feldabschirmung) kürzer wird. Die 19 (D) - (F) zeigen die sich ergebenden Koeffizienten A, B und c, die dem Dotierungsniveau folgend variieren.
Je nach Probe liegt das Dotierungsniveau im Bereich von 1E17 - 2E19 cm-3. Daher können einige Ausführungsformen n- oder p-dotierte aktive Schichten mit einem Dotierungsniveau von wenigstens 1E17 cm-3 oder 1E18 cm-3 oder 1E19 cm-3 oder aus einem Bereich von 1E17 - 1E20 cm-3 aufweisen.
Nachdem somit einige konkrete Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleuten ohne weiteres verschiedene Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen erkennen. Entsprechende, im Lichte dieser Offenbarung offensichtliche Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen werden, auch wenn diese in dieser Schrift nicht ausdrücklich angegeben sind, als Bestandteil dieser Beschreibung und vom Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung umfasst angesehen. Daher gibt die vorstehende Beschreibung nur Beispiele und ist nicht einschränkend. Die Erfindung wird nur durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62687186 [0001]

Claims

LED, die einem Prozess gemäß hergestellt ist, der umfasst: (a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen maximalen IQE von wenigstens 50% aufweist und wobei jede LED der Reihe die gleiche epitaktische Struktur aufweist; (b) Bestimmen einer Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten zwischen zumindest zwei LEDs der Reihe; (c) Herstellen von wenigstens einer zusätzlichen LED für die Reihe, wobei die Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte verringert wird; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme X der Fehlstellendichte mindestens 3% beträgt; und wobei die LED diese Zunahme von mindestens 3% gegenüber einer anderen LED der Reihe aufweist.
LED nach Anspruch 1, wobei X mindestens 50% beträgt.
LED nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Prozess ferner umfasst: (e) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer zumindest dem X entsprechenden Abnahme der Fehlstellendichte kleiner als 2% ist.
LED nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die hohen Stromdichten mehr als 100A.cm-2 betragen.
LED nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt (b) die Fehlstellendichte zwischen den beiden LEDs um den Faktor 1/X verringert wird und die Zunahme des IQE bei 100A.cm-2 -0,1*ln(1/X) beträgt.
LED nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt (b) die Fehlstellendichte zwischen den beiden LEDs um einen Faktor von 1/X verringert wird und die Zunahme des IQE -k*ln(1/X) beträgt, wobei k im Bereich von 0,05 - 0,15 oder im Bereich von 0,03 - 0,2 liegt.
LED, die einem Prozess gemäß hergestellt ist, der umfasst: (a) Herstellen einer Reihe von LEDs mit abnehmenden Fehlstellendichten, wobei jede LED der Reihe einen IQE bei J_low aufweist, und wobei jede LED der Reihe im Wesentlichen die gleiche epitaktische Struktur aufweist; (b) Bestimmen einer Zunahme des IQE bei J_low zwischen zumindest zwei LEDs der Reihe; (c) Herstellen von wenigstens einer zusätzlichen LED für die Reihe, wobei die Fehlstellendichte relativ zu der zuvor erhaltenen niedrigsten Fehlstellendichte verringert wird; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer Abnahme X der Fehlstellendichte mindestens 10% beträgt, wobei die Zunahme einer Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten von mehr als 3% entspricht. wobei die LED diese Zunahme von mindestens 3% gegenüber einer anderen LED der Reihe aufweist.
LED nach Anspruch 7, die ferner ein Bestimmen der Zunahme des IQE bei hohen Stromdichten von mehr als 3% umfasst.
LED nach Anspruch 7 oder 8, wobei X mindestens 50% beträgt.
LED nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend: (e) Wiederholen der Schritte (b) und (c), bis die Zunahme des IQE bei J_low zwischen zwei LEDs der Reihe mit einer zumindest dem X entsprechenden Abnahme der Fehlstellendichte kleiner als 2% ist.
Ziel-LED, die einem Prozess gemäß hergestellt ist, der umfasst: Bestimmen einer gewünschten Verbesserung des Hochstromdichten-IQE (Δ IQE) zwischen einer Ausgangs-LED und der Ziel-LED; Bestimmen des Faktors zur Verringerung der Fehlstellendichte (f), der erforderlich ist, um das genannte Δ IQE gemäß dem folgenden f = e^(Δ ^IQE/-k) zu erreichen, wobei k im Bereich von 0,05 - 0,15 oder im Bereich von 0,03 - 0,2 liegt; und Bewirken der Verringerung der Fehlstellendichte der Start LED um f bei der Ausbildung der Ziel-LED.
Zweite LED, die gemäß einem Prozess zur Verbesserung des Hochstromwirkungsgrads relativ zu einer ersten LED mit einer intrinsischen Fehlstellendichte X und einem ersten IQE bei 100A.cm-1 von mehr als 50% hergestellt wird, wobei der Prozess umfasst: Fertigen einer zweiten LED, die der ersten LED mit der Ausnahme entspricht, dass die Fehlstellendichte der zweiten LED geringer als X/2 ist; Testen der zweiten LED zum Bestimmen eines zweiten IQE bei 100A.cm-1; und wobei der zweite IQE mindestens 3% größer ist als der erste IQE.
Zweite LED nach Anspruch 12, wobei die erste LED einen ersten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B1*n²/(A1*n+B1*n²+c1*n³) gekennzeichnet ist, worin n die Elektronendichte in einer aktiven Zone des ersten LED-Materials ist, und A1, B1 und c1 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, wobei die zweite LED einen zweiten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B2*n²/(A2*n+B2*n²+c2*n³) gekennzeichnet ist, worin n die Elektronendichte in einer aktiven Zone der zweiten LED ist, und A2, B2 und c2 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, und wobei c2 < c1 ist.
Zweite LED nach Anspruch 13, wobei c2 < c1*0,8 ist.
Zweite LED, die einem Prozess gemäß hergestellt ist, der umfasst: Bestimmen des Wirkungsgrads einer ersten LED, wobei die erste LED einen ersten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B1*n²/(A1*n+B1*n²+c1*n³) gekennzeichnet ist, worin n eine Elektronendichte in einer aktiven Zone des ersten LED-Materials ist, und A1, B1 und c1 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, wobei die erste LED einen ersten maximalen IQE von mehr als 50% aufweist; Verringern der intrinsischen Fehlstellen der ersten LED, um die zweite LED zu erhalten; und Bestimmen des Wirkungsgrads der zweiten LED, wobei die zweite LED einen zweiten Wirkungsgradverlauf aufweist, der durch B2*n²/(A2*n+B2*n²+c2*n³) gekennzeichnet ist, worin n eine Elektronendichte in einer aktiven Zone der zweiten LED ist, und A2, B2 und c2 empirisch abgeleitete Koeffizienten sind, und wobei c2 < c1 ist.
Zweite LED nach Anspruch 15, wobei die zweite LED einen zweiten IQE bei 100A.cm-2 aufweist, der mindestens 3% größer ist als der erste IQE.
Vorrichtung, die aufweist: eine LED mit einer lichtemittieren aktiven Zone zum Emittieren von Licht mit einer Wellenlänge, die länger als X ist, wobei die LED eine SRH-Lebensdauer, die länger als Y ist, und einen IQE bei einer Stromdichte über 10 A.cm-2 aufweist, der höher als Z ist; und wobei X 500nm, Y 10µs und Z 50% entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die lichtemittierende Zone zumindest eine lichtemittierende Schicht mit einem Indiumgehalt der Zusammensetzung von mehr als 25% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Oberflächendichte von SRHverursachenden Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E8cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Oberflächendichte von SRHverursachenden Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E7cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Oberflächendichte von SRHverursachenden Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E6cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die SRHverursachende Fehlstelle eine Verunreinigung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die SRHverursachende Fehlstelle ein intrinsischer Defekt ist, der ausgewählt ist unter einem Zwischengitterplatz, einer Leerstelle und einem Komplex.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der intrinsische Defekt Ga betrifft.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der intrinsische Defekt N betrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei die aktive Zone eine Dicke von weniger als 10nm besitzt.
Vorrichtung, die aufweist: eine III-Nitrid-LED mit einer lichtemittierenden Zone, die durch eine Emissionswellenlänge von mehr als 550nm gekennzeichnet ist und Rekombinationskoeffizienten A, B, c mit A/B von kleiner 5E18 cm³ und c/B kleiner 5E-19 cm^-3 sowie einem maximalen IQE von mehr als 40% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Rekombinationskoeffizienten aus einer IQE-Anpassungskurve innerhalb von +/1 einer Stromdekade um einen Höchstwertstrom, der zu dem maximalen IQE gehört, ermittelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, wobei die lichtemittierende Zone wenigstens eine lichtemittierende Schicht mit einem Indiumanteil [In] der Zusammensetzung von mehr als 25% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Oberflächendichte SRHverursachender Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E8cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Oberflächendichte SRHverursachender Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E7cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Oberflächendichte SRHverursachender Fehlstellen in der aktiven Zone weniger als 1E6cm-2 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, wobei die SRHverursachende Fehlstelle eine Verunreinigung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, wobei die SRHverursachende Fehlstelle ein intrinsischer Defekt ist, der ausgewählt ist unter einem Zwischengitterplatz, einer Leerstelle und einem Komplex.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei der intrinsische Defekt Ga betrifft.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei der intrinsische Defekt N betrifft.
Vorrichtung, die aufweist: eine III-Nitrid-LED, die durch eine Emissionswellenlänge von mehr als 550nm, eine In-Konzentration in der aktiven Zone von mindestens 25%, einen maximalen IQE von mehr als 40%, eine Ladungsträgerdichte n und Rekombinationskoeffizienten A, B(n), c(n) gekennzeichnet ist, wobei c(n) proportional zu B(n)^qist, und wobei q wenigstens 1,0 beträgt.