DE69839300T2

DE69839300T2 - Licht-emittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69839300T2
Application number: DE69839300T
Authority: DE
Inventors: You Yamato-shi KONDOH; Satoshi Yokohama Watanabe; Yawara Chigasaki-shi Kaneko; Shigeru Kawasaki Nakagawa; Norihide Yamada
Original assignee: Philips Lumileds Lighing Co LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: EP1928034A3; US20010015442A1; US7262436B2; DE69839300D1; EP0926744B8; US6900472B2; US20050179051A1; EP1928034A2; EP0926744A3; US6194743B1; EP0926744A2; EP0926744B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Licht emittierende elektronische Vorrichtungen, z. B. basierend auf Nitrid-Halbleitern.
Die Entwicklung von Licht kurzer Wellenlänge emittierenden Vorrichtungen ist von großem Interesse auf dem Fachgebiet der Halbleitertechnik. Derartige Kurzwellenlängen-Vorrichtungen versprechen die Bereitstellung erhöhter Speicherdichte für optische Disks sowie Vollfarbdisplays und Weißlichtquellen bei Verwendung in Verbindung mit Vorrichtungen, welche Licht längerer Wellenlängen emittieren.
Eine vielversprechende Klasse von Licht kurzer Wellenlänge emittierenden Vorrichtungen basiert auf Gruppe III-Nitrid-Halbleitern. Wie hierin verwendet, umfasst die Klasse der Gruppe III-Nitrid-Halbleiter GaN, AlN, InN, BN, AlInN, GaInN, AlGaN, BAlN, BInN, BGaN und BAlGaInN. Zur Vereinfachung der folgenden Diskussion umfasst der Ausdruck "GaN-Halbleiter" GaN- und Gruppe III-Nitrid-Halbleiter, deren primäre Komponente das GaN ist, wie bei GaInN, AlGaN, BGaN und BAlGaInN.
Licht emittierende Dioden (LEDs) werden hergestellt auf einem GaN-Halbleiter mit einer aktiven Schicht, welche Licht erzeugt durch die Rekombination von Löchern und Elektronen. Die aktive Schicht ist sandwichartig zwischen P-Typ- und N-Typ-Kontakten angeordnet, um eine P-N- oder N-P-Diodenstruktur zu bilden. Eine P-Elektrode und eine N-Elektrode werden verwendet, um den P-Kontakt bzw. den N-Kontakt mit der zum Treiben der LED verwendeten Leistungsquelle zu verbinden. Die Gesamteffizienz der LED kann definiert werden als das nach außen emittierte Licht, welches pro Watt Treiberleistung erzeugt wird. Zur Maximierung der Lichteffizienz sind sowohl das pro Watt Treiberleistung in der aktiven Schicht erzeugte Licht als auch die aus der LED in einer geeigneten Richtung austretende Lichtmenge zu berücksichtigen.
In Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist ein beträchtlicher Aufwand investiert worden zur Maximierung des Lichts, welches von der aktiven Schicht pro Watt Treiberleistung erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass der Widerstand der P-Typ-Nitrid-Halbleiterschicht viel größer ist als der Widerstand der N-Typ-Nitrid-Halbleiterschicht. Wenn die P-Elektrode auf der P-Typ-Nitrid-Halbleiterschicht gebildet wird, wird ein Halbleiterübergang oder ohmscher Übergang gebildet. In jedem Falle gibt es einen Spannungsabfall über den Übergang und somit wird Leistung an dem Übergang verschwendet. Um diesen Spannungsabfall zu verringern, ist die P-Elektrode üblicherweise viel breiter als die N-Elektrode, um die Kontaktspannung zu verringern.
Während die Erhöhung der Größe der P-Elektrode die in der aktiven Region pro Watt Eingangsleistung erzeugte Lichtmenge erhöht, führt sie zu einer Verminderung der Lichtmenge, die aus der Vorrichtung austritt, weil der größte Teil des die Vorrichtung verlassenden Lichts nun durch die P-Elektrode passieren muss. Demgemäß wurden Versuche unternommen, die Transmittanz der P-Elektrode zu maximieren. Eine P-Elektrode mit einer Transmittanz von 40 bis 50% ist konstruiert worden unter Verwendung eines mehrschichtigen Films von Nickel und Gold, mit einer 8 nm-Goldfilmschicht auf einer 1 nm Nickelschicht. Allerdings besteht selbst mit dieser relativ hohen Transmittanz noch beträchtlicher Raum für Verbesserungen.
Ferner ist diese transparente P-Elektrode zu dünn zum Bonden an die elektrischen Leiter, die zum Zuführen der Leistung zu der LED verwendet werden. Somit ist eine dickere P-Elektrodenregion erforderlich, um ein Bonding-Pad zu bilden. Ein mehrschichtiger Film von Nickel und Gold mit einer Dicke von mehreren Hundert Nanometer wird oft als Bonding-Pad verwendet. Das Bonding-Pad ist typischerweise ein Rechteck in der Größenordnung von 100 Mikrometer auf einer Seite. Somit geht eine beträchtliche Lichtmenge in den dickeren Bonding-Pad-Regionen verloren.
Jedoch beträgt selbst bei den besten Ausführungen nach dem Stand der Technik die aus der LED austretende Lichtmenge 50% der in der aktiven Region erzeugten Lichtmenge. Versucht man, die Ausgabe durch die Verwendung dünnerer P-Elektroden zu erhöhen, nimmt der Widerstand der Elektrode zu. Als eine Folge sind höhere Treiberspannungen erforderlich, um den erhöhten Widerstand zu überwinden, und die Effizienz nimmt ab.
Die EP 0 772 249 offenbart eine Nitrid-Halbleiter-Vorrichtung mit einer Nitrid-Halbleiterschichtstruktur. Die Struktur umfasst eine aktive Schicht von einer Quantum-Well-Struktur, welche einen Indium-haltigen Nitrid-Halbleiter enthält. Eine erste Nitrid-Halbleiterschicht mit einer Bandlückenenergie, die größer ist als diejenige der aktiven Schicht, ist in Kontakt mit der aktiven Schicht bereitgestellt. Eine zweite Nitrid-Halbleiterschicht mit einer Bandlückenenergie, die kleiner ist als diejenige der ersten Schicht, ist über der ersten Schicht bereitgestellt. Ferner ist eine dritte Nitrid-Halbleiterschicht mit einer Bandlückenenergie, die größer ist als diejenige der zweiten Schicht, über der zweiten Schicht bereitgestellt.
Die JP 09-321389 offenbart eine P-Typ-Nitridverbindungs-Halbleiterschicht, wobei einer P-Typ-GaN-Schicht und einer P-Typ-AlGaN-Schicht Magnesium und Kohlenstoffverunreinigungen beigemengt werden. Kohlenstoff in den P-Typ-Schichten bildet einen tiefen Akzeptor-Level zur Kompensierung von Restdonator und unterstützt so die Trägerkonzentrationserhöhung von Magnesium, welches einen relativ flachen Akzeptor-Level bildet.
Die EP 0 550 963 offenbart eine LED, wobei sich eine optische Kavität der LED, welche eine aktive Schicht oder Region und begrenzende Schichten umfasst, innerhalb einer resonanten Fabry-Perot-Kavität befindet. Die Fabry-Perot-Kavität ist von einem reflektiven mehrschichtigen Distributed-Bragg-Reflektorspiegel und einem Spiegel mit einer niedrigen bis moderaten Reflektivität gebildet, z. B. durch die Grenzfläche zwischen einer Kontaktschicht und Luft in einer Öffnung in einer Top-Elektrode. Der Spiegel, platziert in der Resonanz kavität-LED-Struktur zwischen dem Substrat und der begrenzenden Bodenschicht, wird als ein Bodenspiegel verwendet.
Die US 5 362 977 offenbart lichtemittierende Dioden mit einem einzigen Spiegel mit verbesserter Intensität. Die LEDs sind Gruppe-III-V- und/oder -II-IV-Verbindungs-Halbleiterstrukturen mit einem einzigen Metallspiegel. Eine aktive Region der LED mit zwei bis zehn, z. B. vier bis acht Quantum-Wells ist platziert an einem Anti-Knoten des optischen Knotens der Vorrichtung, erzeugt durch einen in der Nähe gelegenen Metallspiegel.
Evans et al. (1995), Applied Physics Letters 67, 3168-70, offenbaren kantenemittierende Laserdioden, wobei ein Distributed-Bragg-Bodenreflektorspiegel mit einer reflektiven Top-P-Kontakt-Metallisierung (Ag) kombiniert ist. Die Ag-Schicht ist ein 150 μm breiter Streifen.
Ganz allgemein liegt ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer verbesserten LED-Ausführung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer LED mit erhöhter Lichtausgabeeffizienz.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Licht emittierende Vorrichtung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 spezifiziert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer Licht emittierenden Vorrichtung wie in Anspruch 12 spezifiziert.
Die bevorzugte Licht emittierende Vorrichtung ist auf einem Substrat konstruiert. Die Vorrichtung umfasst eine N-Typ-Halbleiterschicht in Kontakt mit dem Substrat, eine aktive Schicht zum Erzeugen von Licht, wobei die aktive Schicht in elektrischem Kontakt mit der N-Typ-Halbleiterschicht steht. Eine P-Typ-Halbleiterschicht ist in elektrischem Kontakt mit der aktiven Schicht, und eine P-Elektrode ist in elektrischem Kontakt mit der P-Typ-Halbleiterschicht. Die P-Elektrode umfasst eine Silberschicht in Kontakt mit der P-Typ-Halbleiterschicht. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die N-Typ-Halbleiterschicht und die P-Typ-Halbleiterschicht aus Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterialien konstruiert. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Silberschicht dick genug, um den größten Teil des auf sie einfallenden Lichts zu reflektieren, und das Licht tritt über das Substrat aus, welches transparent ist. Eine Fixierungsschicht ist über der Silberschicht bereitgestellt. Die Fixierungsschicht ist ein Leiter.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung beschrieben; es zeigen:
1 eine querschnittliche Darstellung einer LED gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine querschnittliche Darstellung einer Ausführungsform einer LED mit einer reflektiven P-Elektrode, bestehend aus einer dreischichtigen Struktur;
3(A)–(C) querschnittliche Darstellungen einer LED und einer Einheit vor und nach Montage der LED an der Einheit;
4 ist eine querschnittliche Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen LED.
Die bevorzugte Ausführungsform erzielt ihre Vorteile durch die Verwendung einer Silber-basierten P-Elektrode. Eine LED gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist konstruiert mit einer reflektiven P-Elektrode und einem transparenten Substrat. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche eine reflektive P-Elektrode verwenden, werden beschrieben.
Das in der aktiven Region der LED erzeugte Licht verlässt die LED durch das Substrat, wenn eine reflektive P-Elektrode verwendet wird. Aus der aktiven Region in der Richtung der P-Elektrode austretendes Licht wird durch die reflektive P-Elektrode in Richtung zu dem Substrat zurückreflektiert. Die P-Elektrode verwendet Silber als die erste Metallschicht in mindestens einem Teil der P-Elektrode. In einer optoelektronischen Vorrichtung ist eine Silberschicht auf der P-Typ-Nitrid-Halbleiterschicht aufgedampft und fungiert als die P-Elektrode und als ein Spiegel zum Zurückreflektieren von Licht in Richtung zu dem transparenten Substrat.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, welche eine querschnittliche Darstellung einer ersten Ausführungsform einer LED zeigt und gemäß welcher eine LED 10 konstruiert ist auf einem Saphir-Substrat 2 durch Deposition einer N-Schicht 3, einer aktiven Schicht 4, die üblicherweise eine Multi-Quantum-Well-Schicht von einem Nitrid-Halbleiter ist, und einer P-Schicht 5. Diese Serie von Schichten entspricht im Wesentlichen derjenigen, die bei der Konstruktion einer konventionellen LED deponiert wird, bis zu dem Punkt des Bereitstellens der P-Elektrode. Die LED 10 verwendet eine Silber-(Ag-)Schicht 21 als die erste Metallschicht der P-Elektrode. Eine zweite Metallschicht zum Bonden des P-Anschlussdrahtes 6 ist aus Nickel und Gold konstruiert und bei 21A gezeigt. Ferner ist eine N-Elektrode 7 in konventioneller Weise zusammen mit einem Bonding-Pad zum Verbinden des N-Anschlussdrahtes 7A bereitgestellt.
Das Verfahren, nach dem die LED 10 hergestellt wird, wird nun detaillierter erläutert. Zunächst werden konventionelle Prozesse, wie CVD, verwendet, um nacheinander die N-Schicht 3, die aktive Schicht 4 und die P-Schicht 5 auf einem Saphir-Substrat 2 zu bilden. Als nächstes wird die LED unter Verwendung von Nickel als Maske photolithographisch strukturiert und durch reaktives Ionenätzen in die N-Schicht 3 zurückgeätzt zur Bildung des Pads für die N-Elektrode 7. Die Nickelmaske wird dann durch Anwendung von Königswasser bei Raumtemperatur entfernt.
Das Entfernen der Maske via Königswasser reinigt auch die Oberfläche der P-Schicht 5, und deshalb wird Königswasser vor anderen Ätzmitteln zur Entfernung der Nickelmaske bevorzugt.
Der Teil wird für 30 Minuten bis 1 Stunde in dem Königswasser gelassen. Wenn die Ätzzeit kürzer ist als 30 Minuten, ist die Reinigung der P-Schichtoberfläche unzureichend, auch wenn die Nickelmaske entfernt wird. Unzureichende Reinigung führt zu einem Stabilitätsverlust des Silbers, welches in den nachfolgenden Depositionsschritten auf die P-Oberfläche aufgedampft wird. Eine Reduzierung der Immersionszeit auf wesentlich weniger als 30 Minuten muss daher vermieden werden.
Als nächstes wird der LED-Teil für fünf Minuten mit dem Saphir-Substrat 2 bei 900°C in einer Stickstoffatmosphäre aktiviert. Nach der Aktivierung wird der LED-Teil in Flusssäure für 10 Minuten bei Raumtemperatur gereinigt. Eine 100 nm-Schicht von Ag wird dann auf die P-Schicht 5 aufgedampft, um die erste Schicht 21 der P-Elektrode zu bilden. Es sei angemerkt, dass die Reflektanz der Ag-Schicht nicht wesentlich verbessert wird, wenn die Dicke auf mehr als 100 nm erhöht wird.
Als nächstes werden ca. 300 nm Nickel und 50 nm Gold sukzessive aufgedampft und strukturiert, um eine Elektrodenmetallschicht 21A zum Bonden an die P-Elektrode zu bilden, und ein erstes Annealing wird durchgeführt (Annealing 1).
Als nächstes werden 10 nm Ti und 200 nm Al sukzessive auf den N-Typ-GaN-Teil aufgedampft, um die N-Elektrode 7 zu bilden. Sodann wird eine zweite Annealing-Operation durchgeführt. Die LED kann dann von den anderen, auf dem gleichen Wafer gebildeten Vorrichtungen, z. B. von den anderen LEDs, getrennt werden. Die LED wird dann in eine geeignete Einheit montiert (nicht gezeigt), der P-Anschlussdraht 6 wird zwischen der Elektrodenmetallschicht 21A und einem ersten Bond-Pad (nicht gezeigt), welches Teil der Einheit bildet, angeschlossen, und der N-Anschlussdraht 7A wird zwischen der N-Elektrode 7 und einem zweiten Bond-Pad (nicht gezeigt), welches Teil der Einheit bildet, angeschlossen. Die LED ist in der Einheit in einer Richtung orientiert, die es erlaubt, dass durch das Substrat 2 transmittiertes Licht von der Einheit abgestrahlt wird.
Es sei angemerkt, dass Annealing 1 weggelassen werden kann. Annealing 1 wird bei oder unterhalb 200°C durchgeführt, und Annealing 2 wird oberhalb 200°C durchgeführt, vorzugsweise oberhalb 400°C. Es wurde experimentell gefunden, dass die Annealing-Operationen den Widerstand des P-Kontaktes verringern.
Die Charakteristika einer LED gemäß vorliegender Erfindung sind abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Silber deponiert wird, und von der Temperatur des Saphir-Substrates während der Bedampfung. Es wurde experimentell gefunden, dass die bevorzugten Depositionsbedingungen sind: eine Bedampfungsgeschwindigkeit von ca. 0,05 nm/Sekunde oder weniger und eine Temperatur des Saphir-Substrates 2 von 200°C oder weniger. Bei Temperaturen von 400°C wird die Silberschicht ungleichmäßig, und der Widerstand der Silberschicht nimmt zu. Wie oben angemerkt, ist der Widerstand der P-Elektrode ein signifikanter Faktor in der Gesamteffizienz der LED und somit sind derartige Erhöhungen des Widerstandes zu vermeiden.
Die Silber-basierte P-Elektrode gemäß vorliegender Erfindung ist besonders gut geeignet für reflektive Elektroden im blauen oder grünen Bereich des Spektrums. Während Palladium-, Platin-, Nickel-, Gold-, Aluminium-, Chrom- und Titan-Schichten verwendet werden könnten, um eine reflektive Elektrode zu erzeugen, weist Silber eine wesentlich höhere Reflektanz auf als die anderen Kandidaten. Hinzu kommt, dass Silber, im Gegensatz zu Gold, Aluminium, Chrom und Titan, einen ohmschen Übergang an dem P-Typ-GaN bildet.
Die Teile der Silberschicht, die nicht von dem Montage-Pad 21A bedeckt sind, sind vorzugsweise von einer Fixierungsschicht bedeckt, welche Reduzierungen in der Reflektanz der Ag-Schicht über der Zeit verhindert. Die Fixierungsschicht kann ein Metall sein.
Bei einer Ausführungsform ist die Fixierungsschicht eine Metallschicht, welche die gesamte Silberschicht bedeckt und als eine Passivierungsschicht wirkt, welche die Diffusion des Metalls aus der Bonding-Schicht in die Silberschicht verhindert. Es wird nun auf 2 Bezug genommen, welche eine querschnittliche Darstellung einer LED 15 ist, die eine reflektive P-Elektrode aufweist, bestehend aus einer dreischichtigen Struktur, welche eine Diffusionsbarriereschicht 102 umfasst. Zur Vereinfachung der Diskussion sind diejenigen Elemente in der LED 15, welche der gleichen Funktion dienen wie die entsprechenden Elemente in der in 1 gezeigten LED 10, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Silberschicht 101 ist mit einer Diffusionsbarriereschicht 102 bedeckt. Die Diffusionsbarriereschicht 102 ist von der Bonding-Schicht 103 bedeckt, mit der Draht- oder andere Bonding-Verbindungen hergestellt werden.
Die Diffusionsbarriereschicht 102 verhindert, dass die Bestandteile der Bonding-Schicht 103 in die Silberschicht 101 diffundieren. Die Diffusionsbarriereschicht ist vorzugsweise aus Nickel konstruiert und auf eine Dicke von bis zu 300 nm aufgedampft. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be deckt die Diffusionsbarriereschicht 102 ferner die Seitenflächen der Silberschicht 101 und siegelt die P-Schicht 5 und die Silberschicht 101. Diese Siegelfunktion ist aber möglicherweise nicht immer erforderlich. Als nächstes wird das Metall für die Bonding-Schicht 103 aufgedampft. Gold mit einer Dicke von 50 nm ist bevorzugt.
In der Abwesenheit einer Diffusionsbarriereschicht diffundiert Gold aus der Bonding-Schicht in die Silberschicht und vermindert die Reflektivität der Silberschicht. Wenn die Bonding-Schicht nur eine kleine Fraktion der P-Elektrode bedeckt, ist die Minderung der Gesamtreflektivität der P-Elektrode relativ klein. Wenn aber die Bonding-Schicht eine signifikante Fraktion der P-Elektrode belegt, ist die Minderung der Reflektivität signifikant und somit stellt die Diffusionsbarriereschicht eine signifikante Verbesserung bereit.
Die Diffusionsbarriereschicht 102 verbessert ferner die Stabilität der darunterliegenden Silberschicht 101. Die Diffusionsbarriereschicht fungiert ferner als eine Metallfixierungsschicht, welche die mechanischen und elektrischen Charakteristika der darunterliegenden Silberschicht verbessert. Als eine Folge dieser Verbesserungen kann die Substrattemperatur während des Bedampfungsschrittes, in dem die Silberschicht gebildet wird, gesenkt und die Bedampfungsgeschwindigkeit erhöht werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden jeweils eine einzige Schicht für die Diffusionsbarriereschicht 102 und die Bonding-Schicht 103. Es sei angemerkt, dass die Diffusionsbarriereschicht 102 und/oder die Bonding-Schicht 103 auch mehrschichtige Strukturen sein können.
Die oben diskutierte reflektive P-Elektrode ist gut geeignet für LEDs, welche nach dem Flip-Chip-Verfahren montiert werden sollen. Es wird nun auf die 3(A)–(C) Bezug genommen, welche querschnittliche Darstellungen einer LED 130 und einer Einheit 140 vor und nach Montage der LED 130 an der Einheit 140 zeigen. Die LED 130 ist auf einem transparenten Substrat 132 konstruiert. Die P-Elektrode der LED 130 ist bei 113 gezeigt und umfasst eine Bonding-Schicht oder ein Bonding-Pad wie oben beschrieben. Die N-Elektrode ist bei 117 gezeigt. Bei der Packaging-Operation ist die P-Elektrode 113 mit einem Leiter 118 an der Einheit zu verbinden und die N-Elektrode 117 ist mit einem Leiter 119 zu verbinden.
Die in 2 gezeigte Bonding-Schicht 103 ist so gewählt, dass sie eine kompatible Oberfläche zur Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden und den Leitern in der Einheit bereitstellt. Die Verbindungen werden bereitgestellt durch Deposition von höckerförmigen Erhebungen ("Bumps") 120 von einem niedrigschmelzenden Metall, z. B. Indium, auf die Leiter der Einheit. Ähnlich wird eine Beschichtung von einem Metall, welches das niedrigschmelzende Metall benetzt, auf die Oberfläche der N-Elektrode und der P-Elektrode deponiert, wie bei 116 gezeigt. Die LED 130 wird dann invertiert und in Kontakt mit der Einheit 140 platziert. Die Teile werden dann ausreichend erwärmt, um das niedrigschmelzende Metall zu schmelzen und dadurch die erforderlichen Verbindungen herzustellen. Das finale gepackte Teil ist in 3(C) gezeigt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden eine reflektive Silber-basierte P-Elektrode, wobei das Licht die LED durch ein transparentes Substrat verlässt. Eine transparente P-Elektrode kann auch unter Verwendung von Silber konstruiert werden. Es wird nun auf 4 Bezug genommen, welche eine querschnittliche Darstellung einer anderen, nicht erfindungsgemäßen LED zeigt. Zur Vereinfachung der folgenden Diskussion werden Teile, welche der gleichen Funktion dienen wie die entsprechenden Teile in 1, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die LED 50 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten LED 10 darin, dass eine Silberschicht 51 dünner ist als die in 1 gezeigte Silberschicht 21 und dass eine TiO₂-Schicht 52 auf der P-Elektrode deponiert ist. Die Schicht 52 hilft dabei, die Silberschicht zu schützen und zu stabilisieren. Ferner vermindert die TiO₂-Schicht 52 die Reflektanz der P-Elektrode, wie unten beschrieben. Die dünnere Silberschicht verbessert die Transmittanz der P-Elektrode.
Die Elektrodenmetallschicht 51A stellt ein Bonding-Pad bereit zum Anschließen des P-Elektrodendrahts 6. Dieses Pad ist ähnlich der in 1 gezeigten Elektrodenmetallschicht 21A.
Bei dieser LED weist die Silberschicht 51 eine Dicke von 3 bis 20 nm auf, vorzugsweise 10 nm. Eine Silberschicht wird transparent, wenn ihre Dicke geringer ist als 20 nm. Es sei angemerkt, dass bei Wellenlängen unterhalb von 500 nm die Absorption von Silber kleiner ist als die von Gold. Somit ist die LED geeignet für die Konstruktion von Kurzwellenlängen-LEDs mit transparenten P-Elektroden.
Es sei angemerkt, dass ein kombinierter TiO₂ (25 nm)/Ag (10 nm)-Film eine höhere Transmittanz bei Wellenlängen oberhalb von ca. 360 nm aufweist als ein einziger Silberfilm. Somit verbessert der TiO₂-Film ferner die Transmission der P-Elektrode. Die optimale Dicke für den TiO₂-Film ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts, welches von der LED erzeugt wird. Der TiO₂-Film stellt eine optische Matching-Schicht bereit, welche die Reflexionen von der Silberschicht vermindert. Die optimale Dicke der TiO₂-Schicht ist unabhängig von der Dicke der Silberschicht und wird angenähert durch 25λ/450, worin λ die Wellenlänge (in nm) des erzeugten Lichts ist.
Die TiO₂-Schicht 52 wird vorzugsweise durch Aufdampfen deponiert. Wenn die TiO₂-Schicht 52 verwendet wird, sind die Bedingungen, unter denen die Silberschicht 51 deponiert wird, weniger kritischer als für den oben beschriebenen Fall mit Bezug auf die in 1 gezeigte LED 10. Insbesondere kann die Bedampfungsgeschwindigkeit des Silbers erhöht werden.
Es sei angemerkt, dass andere dielektrische Filme an Stelle von TiO₂ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Schicht 52 aus SiO₂ oder Al₂O₃ konstruiert sein.
Bei der LED von 4 ist entweder die Grenzfläche von Substrat-Einheit 8 und Substrat 2 oder die Grenzfläche von Substrat 2 und N-Schicht 3 reflektiv für Licht der Wellenlänge, die in der aktiven Schicht 4 erzeugt wird. Eine derartige reflektive Schicht gewährleistet, dass Licht, welches die aktive Schicht 4 in Richtung zu dem Substrat 2 hin verlässt, zu der transparenten P-Elektrode hin zurückreflektiert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden ein Saphir-Substrat. Aus der vorstehenden Diskussion wird für den Fachmann jedoch offensichtlich sein, dass andere Substrate verwendet werden können. Ferner kann das Substrat eine oder mehrere Pufferschichten umfassen, wobei die N-Typ-Halbleiterschicht auf der letzten dieser Pufferschichten deponiert ist. Demgemäß ist der Terminus "Substrat" so zu verstehen, dass er derartige Pufferschichten umfasst.
Ähnlich sind die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden mit Bezug auf eine P-Typ-Halbleiterschicht und eine N-Typ-Halbleiterschicht mit einer sandwichartig zwischen ihnen angeordneten aktiven Schicht, die Licht erzeugt, wenn ein Potential über die Halbleiterschichten angelegt wird. Aus der vorstehenden Diskussion wird jedoch für den Fachmann evident sein, dass diese Schichten eine Anzahl von Subschichten umfassen können. Demgemäß versteht es sich, dass der Terminus "Schicht", wie hierin verwendet, mehrschichtige Strukturen umfasst.
Für den Fachmann werden verschiedene Modifikation der vorliegenden Erfindung aus der vorstehenden Beschreibung und der beigefügten zeichnerischen Darstellung erkennbar werden. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung allein durch den Bereich der nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Licht emittierende Vorrichtung, umfassend: ein transparentes Substrat (2, 132); eine N-Halbleiter-Schicht (3); eine aktive Schicht (4) zum Erzeugen von Licht, wobei die aktive Schicht (4) in elektrischem Kontakt mit der N-Halbleiter-Schicht steht; eine P-Halbleiter-Schicht (5) in elektrischem Kontakt mit der aktiven Schicht (4); und eine P-Elektrode in elektrischem Kontakt mit der P-Halbleiter-Schicht (5), wobei die P-Elektrode umfasst: eine reflektierende Silberschicht (21, 101), welche eine erste Oberfläche benachbart der P-Halbleiter-Schicht und eine zweite Oberfläche gegenüberliegend der ersten Oberfläche aufweist, wobei die Silberschicht in elektrischem Kontakt mit der P-Halbleiter-Schicht (5) steht; eine Bonding-Schicht (21A, 103), welche auf der zweiten Oberfläche der Silberschicht liegt und in elektrischem Kontakt mit der Silberschicht steht zum Herstellen elektrischer Verbindungen mit der Silberschicht; und eine leitende Fixierungsschicht (102), welche mindestens auf einem Teil der zweiten Oberfläche der Silberschicht liegt; wobei Licht aus der Vorrichtung durch das transparente Substrat emittierbar ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die N-Halbleiter-Schicht (3) und die P-Halbleiter-Schicht (5) Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterialien umfassen.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Silberschicht eine Dicke größer oder gleich 20 nm aufweist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Fixierungsschicht (102) zwischen der Bonding-Schicht und der Silberschicht in elektrischem Kontakt mit der Silberschicht angeordnet ist, wobei die Fixierungsschicht (102) ein Metall umfasst, welches aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium und Platin gewählt ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend: eine N-Elektrode (7) umfassend eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material in elektrischem Kontakt mit der N-Halbleiter-Schicht (3); und eine Einheit (140) umfassend erste und zweite Leiter jeweils zum Zuführen von Strom zu der P-Elektrode und der N-Elektrode (7).
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bonding-Schicht (21A, 103) eine Metallschicht zwischen dem ersten Leiter und der P-Elektrode ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Bonding-Schicht ein Metall umfasst, welches aus der Gruppe bestehend aus Gold und Aluminium ausgewählt ist.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Bonding-Schicht (21A, 103) ein Metall umfasst, welches aus der Gruppe bestehend aus Gold und Aluminium ausgewählt ist, wobei die Bonding-Schicht (21A, 103) weniger als die Hälfte der Silberschicht bedeckt.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fixierungsschicht (102) zwischen der Bonding-Schicht und der Silberschicht in elektrischem Kontakt mit der Silberschicht angeordnet ist, wobei die Fixierungsschicht (102) betriebsfähig ist, um Bestandteile aus der Bonding-Schicht am Interdiffundieren mit der Silberschicht zu hindern.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fixierungsschicht die Silberschicht einkapselt.
Licht emittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fixierungsschicht eine Multilagenstruktur ist.
Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Vorrichtung, umfassend die Schritte: Ausbilden eines transparenten Substrats (2, 132); Ausbilden einer N-Halbleiter-Schicht (3); Ausbilden einer aktiven Schicht (4) auf der N-Halbleiter-Schicht (3), wobei die aktive Schicht (4) Licht erzeugt durch die Rekombination von Löchern und Elektronen darin; Ausbilden einer P-Halbleiter-Schicht (5) auf der aktiven Schicht (4); Aktivieren der Licht emittierenden Vorrichtung durch Erwärmen der Vorrichtung; Bereitstellen einer P-Elektrode auf der P-Halbleiter-Schicht, wobei die P-Elektrode umfasst: eine reflektierende Silberschicht (21, 101), welche eine erste Oberfläche benachbart der P-Halbleiter-Schicht und eine zweite Oberfläche gegenüberliegend der ersten Oberfläche aufweist, wobei die Silberschicht in elektrischem Kontakt mit der P-Halbleiter-Schicht steht; eine elektrisch leitfähige Bonding-Schicht (21A, 103), welche auf der zweiten Oberfläche der Silberschicht liegt und in elektrischem Kontakt mit der Silberschicht (21, 101) steht zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit der Silberschicht (21, 101); und eine leitfähige Fixierungsschicht (102), welche mindestens auf einem Teil der zweiten Oberfläche der Silberschicht liegt; wobei Licht aus der Licht emittierenden Vorrichtung durch das transparente Substrat emittierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bereitstellens einer P-Elektrode das Abscheiden von Silber durch Bedampfen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Silber mit einer Rate nicht größer als 0,05 nm/Sekunde und bei einer Temperatur von weniger oder gleich 200°C aufgedampft wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei der Schritt des Aktivierens der Licht emittierenden Vorrichtung das Aufwärmen der Vorrichtung in einer Stickstoffatmosphäre auf eine Temperatur größer als 200°C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Fixierungsschicht (102) zwischen der Bonding-Schicht und der Silberschicht in elektrischem Kontakt mit der Silberschicht angeordnet wird, wobei die Fixierungsschicht (102) betriebsfähig ist, um Bestandteile der Bonding-Schicht am Interdiffundieren mit der Silberschicht zu hindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Fixierungsschicht die Silberschicht einkapselt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Fixierungsschicht eine Multilagenstruktur ist.