GALLIUMNITRID-BASIERTE LED UND IHR HERSTELLUNGSVERFAHREN GALLIUM NITRIDE-BASED LED AND THEIR PRODUCTION PROCESS
Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalb- leiters und lichtemittierende Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten VerbindungshalbleitersMethod for producing a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor and light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleiters gemäß demThe present invention relates to a method for producing a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor according to the
Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine lichtemittierende Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleiters gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 18.The preamble of claim 1 and a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor according to the preamble of claim 18.
Zu lichtemittierenden Vorrichtungen oder Schichten gehören"'im folgenden Zusammenhang auch Vorrichtungen oder Schichte'h,' die nur oder unter anderem UV-Strahlung oder IR-Strahlung emittieren.In the following context, light-emitting devices or layers also include devices or layers which only or, among other things, emit UV radiation or IR radiation.
Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis - dies sind III- V-Verbindungshalbleiter die unter anderem Ga und N enthalten, wie zum Beispiel Galliumnitrid (GaN) , Galliumaluminiumnitrid (GaAlN) , Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Indiumaluminiumgalliumnitrid (InAlGaN) - haben eine direkte Bandlücke im Be- reich von 1,95 bis 6 eV und eignen sich deshalb gut für lichtemittierende Vorrichtungen, wie zum Beispiel Leuchtdioden oder Laserdioden.Compound semiconductors based on gallium nitride - these are III-V compound semiconductors that contain Ga and N, among others, such as gallium nitride (GaN), gallium aluminum nitride (GaAlN), indium gallium nitride (InGaN) and indium aluminum gallium nitride (InAlGaN) - have a direct band gap in the area from 1.95 to 6 eV and are therefore well suited for light-emitting devices, such as light-emitting diodes or laser diodes.
Eine lichtemittierende Vorrichtung auf der Basis eines Galli- umnitrid-basierten Verbindungshalbleiters liegt im Sinne der vorliegenden Erfindung bereits vor, wenn eine lichtemittierende Struktur der Vorrichtung mindestens eine Schicht aus einem Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis enthält.According to the present invention, a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor is already present if a light-emitting structure of the device contains at least one layer made of a gallium nitride-based compound semiconductor.
Es wurde festgestellt, dass beispielsweise mit einer aktiven, d.h. lichtemittierenden Schicht in Form eines oder mehrerer sogenannter Quantenfilme aus InGaN Leuchtdioden herstellbar
sind, die im grünen (500nm) , blauen (450 nm) oder violetten Spektralbereich (405 nm) in einem relativ engen Wellenlängenbereich (d.h. einer relativ kleinen FWHM) mit einer sehr hohen Lumineszenzausbeute abstrahlen. Derartige Leuchtdioden werden beispielsweise durch metallorganische chemische Abscheidung (MOCVD) einer GaN-Pufferschicht , einer mit Silizium dotierten GaN-Schicht, einer mit Silizium dotierten AlGaN- Schicht, einer ersten Uberzugsschicht aus mit Silizium dotiertem InGaN, der aktiven, beispielsweise undotierten InGaN- Schicht, einer zweiten Uberzugsschicht aus mit Magnesium dotiertem AlGaN und einer mit Magnesium dotierten GaN-Schicht aufgebaut. Für blaue Leuchtdioden wird als aktive Schicht beispielsweise In0,2Ga0,8 und für violette Leuchtdioden wird als aktive Schicht beispielsweise In0,o9Ga0,9N gewählt. Eine solche lichtemittierende Vorrichtung ist zum Beispiel in S. Nakamura et al . : „High-Power InGaN Single-Quantum-Well- Structure Blue and Violet Light-Emitting Diodes", Appl . Phys . Lett. 67 (1995), Seiten 1868-1870 beschrieben.It was found that, for example, an active, ie light-emitting layer in the form of one or more so-called quantum films can be produced from InGaN light-emitting diodes are in the green (500 nm), blue (450 nm) or violet spectral range (405 nm) in a relatively narrow wavelength range (ie a relatively small FWHM) with a very high luminescence yield. Such light-emitting diodes are produced, for example, by organometallic chemical deposition (MOCVD) of a GaN buffer layer, a GaN layer doped with silicon, an AlGaN layer doped with silicon, a first coating layer of InGaN doped with silicon, the active, for example undoped InGaN layer, a second coating layer composed of magnesium-doped AlGaN and a magnesium-doped GaN layer. For blue light-emitting diodes, for example, In 0 , 2 Ga 0 , 8 and for violet light-emitting diodes, for example, In 0, 9 Ga 0 , 9 N is selected as the active layer. Such a light-emitting device is described, for example, in S. Nakamura et al. : "High-Power InGaN Single-Quantum-Well-Structure Blue and Violet Light-Emitting Diodes", Appl. Phys. Lett. 67 (1995), pages 1868-1870.
Weiter ist aus der EP 0 599 224 Bl eine lichtemittierendeFurthermore, EP 0 599 224 B1 is a light-emitting one
Vorrichtung bekannt, auf welcher der Oberbegriff von Patentanspruch 1 basiert. Diese lichtemittierende Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleiters weist eine Doppel-HeteroStruktur auf, mit - einer lichtemittierenden Schicht mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, die aus einem InxGaι-xN-Verbin- dungshalbleiter mit 0 < x < 1 gebildet ist;Apparatus known on which the preamble of claim 1 is based. This light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor has a double heterostructure, with - a light-emitting layer with a first and a second main surface, which is formed from an In x Gaι- x N compound semiconductor with 0 <x <1 is;
- einer ersten Uberzugsschicht, die mit der ersten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht verbunden und aus einem n-Typ-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist, dessen Zusammensetzung sich von derjenigen des Verbindungshalbleiters der lichtemittierenden Schicht unterscheidet; unda first cladding layer bonded to the first major surface of the light-emitting layer and made of an n-type compound semiconductor based on gallium nitride, the composition of which differs from that of the compound semiconductor of the light-emitting layer; and
- einer zweiten Uberzugsschicht, die mit der zweiten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht verbunden und aus einem p-Typ-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist, dessen Zusammensetzung sich von derjeni-
gen des Verbindungshalbleiters der lichtemittierenden Schicht unterscheidet . Zur Verbesserung der Leuchtdichte bzw. der Lichtemissions-Ausgangsleistung ist die lichtemittierende Schicht mit einem p-Typ-Fremdstoff und/oder einem n-Typ-Fremdstoff dotiert.a second coating layer which is connected to the second main surface of the light-emitting layer and is formed from a p-type compound semiconductor based on gallium nitride, the composition of which differs from that differs gene of the compound semiconductor of the light emitting layer. In order to improve the luminance or the light emission output power, the light-emitting layer is doped with a p-type foreign substance and / or an n-type foreign substance.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalb- leiters zu entwickeln, die eine weiter verbesserte Lumineszenzausbeute aufweist.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to develop a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor which has a further improved luminescence yield.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch eine lichtemittierende Vor- richtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2-17 und 19-32.These objects are achieved by a method with the features of claim 1 and by a light-emitting device with the features of claim 18. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject of dependent claims 2-17 and 19-32.
Die lichtemittierende Vorrichtung auf Basis eines Galliumni- trid-basierten Verbindungshalbleiters gemäß der vorliegendenThe light emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor according to the present
Erfindung weist eine lichtemittierende Schicht mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, die aus einem Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist; eine erste Uberzugsschicht, die mit der ersten Hauptfläche der lich- temittierenden Schicht verbunden und aus einem n-Typ-Ver- bindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist; und eine zweite Uberzugsschicht, die mit der zweiten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht verbunden und aus einem p-Typ- Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist, auf, wobei sich die Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters der lichtemittierenden Schicht von denjenigen der Verbindungshalbleiter der ersten und der zweiten Uberzugsschicht unterscheidet. Die lichtemittierende Schicht und die erste und die zweite Uberzugsschicht werden nacheinander, vorzugs- weise mittels eines MOCVD-Verfahrens auf einem Substrat ausgebildet. Die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Dicke
der lichtemittierenden Schicht in der Nähe von Versetzungen geringer als im übrigen Bereich ist.The invention includes a light emitting layer having a first and a second main surface, which is formed from a compound semiconductor based on gallium nitride; a first cladding layer bonded to the first major surface of the light-emitting layer and formed from an n-type gallium nitride compound semiconductor; and a second cladding layer bonded to the second major surface of the light emitting layer and made of a p-type gallium nitride based compound semiconductor, the composition of the compound semiconductor of the light emitting layer being different from that of the compound semiconductors of the first and second cladding layers. The light-emitting layer and the first and second coating layers are formed in succession, preferably by means of an MOCVD process, on a substrate. The light emitting device according to the present invention is characterized in that the thickness the light-emitting layer near dislocations is less than in the rest of the area.
Insbesondere auf Fremdsubstraten wie Saphir oder Siliziumcar- bid (SiC) weisen die bekannten Verbindungshalbleiter auf Gal- liumnitridbasis eine sehr hohe Versetzungsdichte auf.In particular on foreign substrates such as sapphire or silicon carbide (SiC), the known compound semiconductors based on gallium nitride have a very high dislocation density.
Durch die Verringerung der Dicke der lichtemittierenden Schicht in der Nähe von Versetzungen werden bei den Versetzungen abschirmende Energiebarrieren aufgebaut, die eine Dif- fusion von Ladungsträgern zu den Versetzungen hin unterbinden und damit eine mögliche nichtstrahlende Rekombination von Elektron-Loch-Paaren an diesen Versetzungen verhindern (Pas- sivierung der Versetzungen) . Auch wenn zum Teil vermutet wird, dass die vorhandenen Versetzungen im Falle von Verbin- dungshalbleitern auf Galliumnitridbasis anders als bei den Verbindungshalbleitern auf Galliumphosphid- oder Galli- umarsenid-Basis nicht als nichtstrahlende Rekombinationszentren dienen und deshalb die Dichte der Versetzungen keine wesentlichen Auswirkungen auf die Lichtausbeute derart aufge- bauter lichtemittierender Vorrichtungen hat (S.D. Lester et al . : „High Dislocation Densities in High Efficiency GaN-Based Light-Emitting Diodes", Appl . Phys . Lett . 66 (1995), Seiten 1249-1251 und T. Mukai et al . : „InGaN-Based Blue Light- Emitting Diodes Grown on Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrates", Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37 (1998), SeitenBy reducing the thickness of the light-emitting layer in the vicinity of dislocations, shielding energy barriers are built up during the dislocations, which prevent diffusion of charge carriers towards the dislocations and thus prevent possible non-radiative recombination of electron-hole pairs at these dislocations ( Passivation of transfers). Even if it is partly assumed that the existing dislocations in the case of gallium nitride-based compound semiconductors, unlike the gallium phosphide or gallium arsenide-based compound semiconductors, do not serve as non-radiative recombination centers and therefore the density of the dislocations does not have any significant effects on the light output light-emitting devices constructed in this way (SD Lester et al.: "High Dislocation Densities in High Efficiency GaN-Based Light-Emitting Diodes", Appl. Phys. Lett. 66 (1995), pages 1249-1251 and T. Mukai et al.: "InGaN-Based Blue Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrates", Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37 (1998), pages
L839-L841) , konnten bei den lichtemittierenden Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung höhere Lumineszenzausbeuten als bei vergleichbaren herkömmlichen lichtemittierenden Vorrichtungen festgestellt werden. Es wird deshalb davon ausge- gangen, dass sich die Ausbildung von abschirmenden Energiebarrieren an Versetzungen günstig auf die Lichtausbeute auswirkt, da die Rekombination von Ladungsträgern in höherem Maße in Bereichen geringerer Bandlücken, d.h. in optisch aktiven Bereichen stattfinden.L839-L841), higher luminescence yields were found in the light-emitting devices according to the present invention than in comparable conventional light-emitting devices. It is therefore assumed that the formation of shielding energy barriers at dislocations has a favorable effect on the light yield, since the recombination of charge carriers to a greater extent in areas with smaller band gaps, i.e. take place in optically active areas.
Vorzugsweise reduziert sich die Dicke der lichtemittierenden Schicht in der Nähe von Versetzungen auf weniger als die
Hälfte der Dicke der lichtemittierenden Schicht im übrigen Bereich.Preferably, the thickness of the light emitting layer in the vicinity of dislocations is reduced to less than that Half the thickness of the light-emitting layer in the remaining area.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die lichtemittierende Schicht aus einem InxAlyGaι_x-yN-Verbin- dungshalbleiter mit 0 < x < 1, O ≤ y ≤ l und x +y < 1 gebildet. Die Erfindung ist dabei insbesondere auch für In-freie lichtemittierende Vorrichtungen, d.h. für x = 0, vorteilhaft anwendbar .In a preferred embodiment of the invention, the light-emitting layer is formed from an In x Al y Gaι_ x - y N compound semiconductor with 0 <x <1, O ≤ y ≤ l and x + y <1. The invention can in particular also advantageously be used for In-free light-emitting devices, ie for x = 0.
Die lichtemittierende Schicht kann mit einem p-Typ-Fremdstoff und/oder einem n-Typ-Fremdstoff dotiert sein. Bevorzugt ist die lichtemittierende Schicht ein intrinsischer Quantenfilm einer Quantenfilmstruktur, vorzugsweise einer (bevorzugt in- trinsischen) InGaN/GaN-Quantenfilmstruktur mit mindestens einem GaN-Quantenfilm.The light-emitting layer can be doped with a p-type foreign substance and / or an n-type foreign substance. The light-emitting layer is preferably an intrinsic quantum film of a quantum film structure, preferably an (preferably intrinsic) InGaN / GaN quantum film structure with at least one GaN quantum film.
Das generelles Konzept der Erfindung, zum Aufbau einer Energiebarriere in der Nähe von Versetzungen die Schichtdicke in der Nähe von Versetzungen zu reduzieren, um damit die Quantenausbeute zu erhöhen, kommt besonders bevorzugt bei Infreien Strahlungsemittierenden Schichten zum Tragen.The general concept of the invention, in order to build up an energy barrier in the vicinity of dislocations, to reduce the layer thickness in the vicinity of dislocations in order to increase the quantum yield, is particularly preferred for in-free radiation-emitting layers.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus- fuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:The invention is described below with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. In it show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundstruktur eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Vor- richtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und1 shows a schematic illustration of the basic structure of an exemplary embodiment of a light-emitting device according to the present invention; and
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt der lichtemittierenden Vorrichtung von Fig. 1 mit dem zugehörigen Energieverlauf der Band- lücke.
Die in Fig. 1 dargestellte Grundstruktur zeigt eine Leuchtdiode 1. Die Erfindung erstreckt sich aber ebenso auf Laserdioden als lichtemittierende Vorrichtungen.2 shows a schematic representation of an enlarged section of the light-emitting device from FIG. 1 with the associated energy profile of the band gap. The basic structure shown in FIG. 1 shows a light-emitting diode 1. However, the invention also extends to laser diodes as light-emitting devices.
Die Leuchtdiode 1 besitzt eine sogenannte Doppel-Heterostruk- tur 9, bestehend aus einer aktiven, d.h. lichtemittierenden Schicht 2, einer ersten n-leitenden Uberzugsschicht 3 und einer p-leitenden zweiten Uberzugsschicht 4. Die lichtemittierende Schicht 2 ist aus einem InxAlyGax-x.yN-Verbindungshalb- leiter mit O ≤ x ≤ l, O ≤ y ≤ l und x +y ≤ 1 gebildet und erstreckt sich insbesondere auch auf In-freie Leuchtdioden mit einem AlyGaι_yN-Verbindungshalbleiter mit 0 < y ≤ 1 (d.h. x = 0) . Die erste Uberzugsschicht 3 ist aus einem GauAlι_uN- Verbindungshalbleiter mit 0 < u ≤ 1 gebildet und die zweite Uberzugsschicht 4 ist aus einem GavAlι_vN-Verbindungshalbleiter mit 0 < v < 1 gebildet. Die Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters unterscheidet sich sowohl in der ersten als auch in der zweiten Uberzugsschicht 3, 4 von derjenigen des Verbindungshalbleiters in der lichtemittierenden Schicht 2; die Zusammensetzungen der Verbindungshalbleiter in den beiden Überzugsschichten 3 und 4 können dabei einander gleich oder verschieden sein.The light-emitting diode 1 has a so-called double heterostructure 9, consisting of an active, ie light-emitting layer 2, a first n-type coating layer 3 and a p-type second coating layer 4. The light-emitting layer 2 is made of an In x AlyGax x .yN compound semiconductors with O ≤ x ≤ l, O ≤ y ≤ l and x + y ≤ 1 are formed and in particular also extend to In-free light-emitting diodes with an Al y Gaι_ y N compound semiconductor with 0 <y ≤ 1 (ie x = 0). The first coating layer 3 is formed from a Ga u Alι_ u N compound semiconductor with 0 <u 1 1 and the second coating layer 4 is formed from a Ga v Alι_ v N compound semiconductor with 0 <v <1. The composition of the compound semiconductor differs both in the first and in the second coating layer 3, 4 from that of the compound semiconductor in the light-emitting layer 2; the compositions of the compound semiconductors in the two coating layers 3 and 4 can be the same or different from one another.
Die Leuchtdiode 1 emittiert ultraviolettes Licht, wenn x nahe 0 ist, bis hin zu längerwelligem roten Licht, wenn x nahe 1 ist. Im Bereich 0 < x < 0,5 emittiert die Leuchtdiode 1 blaues bis gelbes Licht im Wellenlängenbereich von etwa 450 bis 550 nm.The light emitting diode 1 emits ultraviolet light when x is close to 0, up to longer-wave red light when x is close to 1. In the range 0 <x <0.5, the light-emitting diode 1 emits blue to yellow light in the wavelength range from approximately 450 to 550 nm.
Neben der Dotierung der ersten und der zweiten Uberzugsschicht 3 und 4 mit n-Typ- bzw. p-Typ-Fremdstoffen kann zur Verbesserung der Lumineszenzausbeute der Leuchtdiode auch die lichtemittierende Schicht 2 mit n-Typ-Fremdstoffen und/oder p-Typ-Fremdstoffen dotiert sein. Als p-Typ-Fremdstoff sind beispielsweise Beryllium, Magnesium, Kalzium, Zink, Strontium und Cadmium der II. Hauptgruppe des Periodensystems verwendbar, wobei für die lichtemittierende Schicht 2 Zink oder ins-
besondere Magnesium zu bevorzugen ist. Als n-Typ-Fremdstoff können zum Beispiel Silizium, Germanium und Zinn der IV. Hauptgruppe des Periodensystems oder Schwefel, Selen und Tellur der VI . Hauptgruppe des Periodensystems eingesetzt wer- den.In addition to doping the first and the second coating layers 3 and 4 with n-type or p-type foreign substances, the light-emitting layer 2 with n-type foreign substances and / or p-type foreign substances can also be used to improve the luminescence yield of the light-emitting diode be endowed. For example, beryllium, magnesium, calcium, zinc, strontium and cadmium of the 2nd main group of the periodic table can be used as the p-type foreign substance, 2 zinc or in total for the light-emitting layer special magnesium is to be preferred. As an n-type foreign substance, for example silicon, germanium and tin of the IV. Main group of the periodic table or sulfur, selenium and tellurium of the VI. Main group of the periodic table can be used.
Die erste, n-leitende Uberzugsschicht 3 hat eine Schichtdicke von etwa 0,05 bis 10 μm und die zweite, p-leitende Überzugs- schicht 4 eine Schichtdicke von etwa 0,05 μm bis 1,5 μm. Die Schichtdicke der lichtemittierenden Schicht 2 liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10 Ä bis 0,5 μm.The first, n-type coating layer 3 has a layer thickness of approximately 0.05 to 10 μm and the second, p-type coating layer 4 has a layer thickness of approximately 0.05 μm to 1.5 μm. The layer thickness of the light-emitting layer 2 is preferably in the range from approximately 10 Å to 0.5 μm.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist die Doppel-HeteroStruktur 9 üblicherweise über einer Pufferschicht 6 auf einem Substrat 5 ausgebildet. Als Substrat 6 kann beispielsweise Saphir, Sili- ziumcarbid (SiC) oder Zinkoxid (ZnO) verwendet werden. Für die Pufferschicht 6 mit einer Schichtdicke von etwa 0,002 bis 0,5 μm wird zum Beispiel A1N, GaN oder GamAli-mN mit 0 < m < 1 benutzt .As shown in FIG. 1, the double heterostructure 9 is usually formed over a buffer layer 6 on a substrate 5. For example, sapphire, silicon carbide (SiC) or zinc oxide (ZnO) can be used as substrate 6. For the buffer layer 6 with a layer thickness of about 0.002 to 0.5 microns, for example, A1N, GaN, or Ga m Ali N m is used with 0 <m <. 1
Sowohl die Pufferschicht 6, als auch die erste und die zweite Uberzugsschicht 3 und 4 sowie die lichtemittierende Schicht 2 werden vorzugsweise nacheinander mittels metallorganischer chemischer Abscheidung (MOCVD) auf das Substrat 5 aufge- bracht. Nach Bildung der Doppel-HeteroStruktur 9, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, werden die zweite Uberzugsschicht 4 und die lichtemittierende Schicht 2 teilweise weggeätzt, um die erste Uberzugsschicht 3 freizulegen, wie dies in der rechten Hälfte der Leuchtdiode 1 von Fig. 1 zu sehen ist. Auf der freigelegten Oberfläche der ersten Uberzugsschicht 3 wird eine n-Elektrode 7 gebildet, während auf der Oberfläche der zweiten Uberzugsschicht 4 eine p-Elektrode 8 gebildet wird.Both the buffer layer 6 and the first and second coating layers 3 and 4 and the light-emitting layer 2 are preferably applied to the substrate 5 in succession by means of organometallic chemical deposition (MOCVD). After the double heterostructure 9, as shown in FIG. 1, has been formed, the second coating layer 4 and the light-emitting layer 2 are partially etched away in order to expose the first coating layer 3, as is shown in the right half of the light-emitting diode 1 from FIG. 1 you can see. An n-electrode 7 is formed on the exposed surface of the first coating layer 3, while a p-electrode 8 is formed on the surface of the second coating layer 4.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf lichtemittierende Vorrichtung mit einem anhand von Fig. 1 beschriebenen Schichtaufbau erstrecken. Es sind insbesondere auch lichtemittie-
rende Vorrichtungen von der Erfindung erfasst, die weitere Verbindungshalbleiter-Schichten zwischen der Pufferschicht 6 und der ersten Uberzugsschicht 3 und/oder über der zweiten Uberzugsschicht 4 aufweisen können, um die Verspannungen zwi- sehen den einzelnen Übergängen unterschiedlicher Verbindungshalbleiter zu verringern.At this point it should be pointed out that the present invention does not only extend to light-emitting devices with a layer structure described with reference to FIG. 1. In particular, there are also light-emitting rende devices covered by the invention, which may have further compound semiconductor layers between the buffer layer 6 and the first coating layer 3 and / or over the second coating layer 4, in order to reduce the tension between the individual transitions of different compound semiconductors.
Während der oben anhand von Fig. 1 beschriebene Aufbau einer lichtemittierenden Vorrichtung 1 dem Grunde nach bereits be- kannt ist, zeichnet sich die lichtemittierende Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Besonderheit aus, die in dem vergrößerten Ausschnitt von Fig. 2 veranschaulicht ist .While the structure of a light-emitting device 1 described above with reference to FIG. 1 is already known in principle, the light-emitting device 1 according to the present invention is distinguished by a special feature which is illustrated in the enlarged section of FIG. 2.
Wie bereits oben erwähnt, weisen die lichtemittierenden Vorrichtungen auf Basis von Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleitern sehr hohe Versetzungsdichten auf. Derartige Versetzungen entstehen insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten der einzelnen Schichten 2 bis 6 der Vorrichtungen. In Fig. 2 ist beispielhaft eine Versetzung 10 durch eine etwa vertikal verlaufende, gestrichelte Linie dargestellt, die sich durch die beiden Überzugsschichten 3 und 4 und die lichtemittierende Schicht 2 erstreckt.As already mentioned above, the light-emitting devices based on gallium nitride-based compound semiconductors have very high dislocation densities. Such dislocations arise in particular due to the different lattice constants of the individual layers 2 to 6 of the devices. 2 shows an example of a dislocation 10 by an approximately vertical dashed line that extends through the two coating layers 3 and 4 and the light-emitting layer 2.
Wie deutlich in Fig. 2 dargestellt, ist die Dicke der lichtemittierenden Schicht 2 in der Nähe dieser Versetzung 10 deutlich geringer als im übrigen Bereich der lichtemittierenden Schicht. Vorzugsweise beträgt die Dicke in der Nähe der Versetzung 10 weniger als die Hälfte der Dicke der lichtemit- tierenden Schicht 2 im übrigen Bereich. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist eine Schichtdicke der lichtemittierenden Schicht 2 von etwa 3 nm gewählt, und die Schichtdicke ist in der Nähe der Versetzung 10 auf bis zu 1 nm verringert.As clearly shown in FIG. 2, the thickness of the light-emitting layer 2 in the vicinity of this dislocation 10 is significantly less than in the remaining area of the light-emitting layer. The thickness in the vicinity of the offset 10 is preferably less than half the thickness of the light-emitting layer 2 in the remaining region. In the example shown in FIG. 2, a layer thickness of the light-emitting layer 2 of approximately 3 nm is selected, and the layer thickness is reduced to up to 1 nm in the vicinity of the dislocation 10.
Aufgrund des starken piezoelektrischen Feldes in der Doppel- HeteroStruktur 9, das insbesondere durch die Wurtzit-Struktur der Gruppe-III-Nitride und die stark polare Natur der
Ga/In/Al-Stickstoff-Bindung bedingt ist, ergibt sich eine starke Abhängigkeit der effektiven Bandlücke von der Dicke der lichtemittierenden Schicht 2. Dieser Energieverlauf der Bandlücke über dem Ort ist schematisch in Fig. 2 über dem Aufbau der Doppel-HeteroStruktur 9 dargestellt. In dem hier dargestellten Beispiel wird bei einer Emissionswellenlänge von 420 nm in der lichtemittierenden Schicht aus In0,ιGa0,9N durch die Vergrößerung der effektiven Bandlücke um 250 meV eine entsprechende Energiebarriere aufgebaut, welche die Ver- setzung abschirmt.Because of the strong piezoelectric field in the double heterostructure 9, which is particularly due to the wurtzite structure of the group III nitrides and the strongly polar nature of the If the Ga / In / Al nitrogen bond is dependent, there is a strong dependence of the effective band gap on the thickness of the light-emitting layer 2. This energy profile of the band gap over the location is shown schematically in FIG. 2 above the structure of the double heterostructure 9 , In the example shown here, at an emission wavelength of 420 nm in the light-emitting layer made of In 0 , ιGa 0 , 9 N, a corresponding energy barrier is built up by increasing the effective band gap by 250 meV, which shields the dislocation.
Die so aufgebaute Energiebarriere verhindert, dass Ladungsträger in die Nähe der Versetzung diffundieren, wodurch wirksam eine nichtstrahlenden Rekombination von Elektron-Loch- Paaren an Versetzungen unterbunden werden kann. Die Ladungsträger werden so gezwungen, in anderen Bereichen der lichtemittierenden Schicht zu rekombinieren, bevorzugt in den Bereichen mit den kleinsten Bandlücken. Die Diffusion von Ladungsträgern wird selbst bei Temperaturen oberhalb Räumtempe- ratur noch effektiv ausgeschaltet.The energy barrier constructed in this way prevents charge carriers from diffusing in the vicinity of the dislocation, as a result of which a non-radiative recombination of electron-hole pairs at dislocations can be effectively prevented. The charge carriers are thus forced to recombine in other areas of the light-emitting layer, preferably in the areas with the smallest band gaps. The diffusion of charge carriers is effectively switched off even at temperatures above room temperature.
Zur Erzielung der obigen Energiebarriere wird bei der Bildung der Doppel -HeteroStruktur 9 auf dem Substrat 5 bzw. der Pufferschicht 6 das Wachstum der lichtemittierenden Schicht 2 gezielt gesteuert. Durch Modifikation der Wachstumsbedingungen, wie Wachstumstemperatur, V/III-Verhältnis, V/V-Verhält- nis, Wachstumsrate, TrägergasZusammensetzung, Zugabe von Sur- factants unterschiedlicher Art (z.B. In, Si) und dergleichen führen Versetzungen 10, die sich aus einem unter der licht- emittierenden Schicht 2 liegenden Schichtpaket 3, 6 in den Bereich der lichtemittierenden Schicht 2 fortsetzen, zu Wachstumsänderungen in der Umgebung solcher Versetzungen 10. Diese Wachstumsänderungen erkennt man beispielsweise an sogenannten V-Defekten, die ein klares Indiz für reduzierte Wachstumsraten an der Stelle des Defekts sind. Diese reduzierten Wachstumsraten führen in der Nähe der Versetzung 10
lokal zu verringerten Schichtdicken der lichtemittierenden Schicht 2, wie sie oben beschrieben worden sind.To achieve the above energy barrier, the growth of the light-emitting layer 2 is controlled in a targeted manner when the double heterostructure 9 is formed on the substrate 5 or the buffer layer 6. By modifying the growth conditions, such as growth temperature, V / III ratio, V / V ratio, growth rate, carrier gas composition, addition of different types of surfactants (eg In, Si) and the like, dislocations 10 result from an under of the light-emitting layer 2 layer pack 3, 6 in the area of the light-emitting layer 2, to growth changes in the vicinity of such dislocations 10. These growth changes can be recognized, for example, by so-called V-defects, which are a clear indication of reduced growth rates at the point of the defect. These reduced growth rates result near dislocation 10 locally to reduced layer thicknesses of the light-emitting layer 2, as described above.
Da sich durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung auf Basis eines Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleiters eine lichtemittierende Vorrichtung mit verbesserter Lumineszenzausbeute erzielen lässt, können gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise auch In-freie Vorrichtungen mit zufriedenstellen- der Lumineszenzausbeute hergestellt werden.Since the method according to the invention for producing a light-emitting device based on a gallium nitride-based compound semiconductor can achieve a light-emitting device with improved luminescence yield, according to the present invention, in-free devices can also advantageously be produced with satisfactory luminescence yield.
Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass In-freie Leucht- dioden erheblich geringere Lumineszenzausbeuten aufweisen als In-haltige Leuchtdioden. Als Ursachen hierfür sind sowohl ge- ringere piezoelektrische Felder als auch andere Wachstumsmechanismen möglich. Hierbei ist zu beachten, dass eine lichtemittierende Schicht 2 aus InGaN üblicherweise bei 700-800 °C hergestellt wird, während für lichtemittierende Schichten 2 aus GaN und AlGaN Temperaturen über 1000 °C erforderlich sind. Werden bei In-freien Leuchtdioden gezielt Verspannungen und piezoelektrische Felder eingebaut, so kann andererseits durch eine gezielte Steuerung des Wachstums im Hinblick auf eine geringere Dicke der lichtemittierenden Schichten 2 in der Nähe von Versetzungen 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Leuchtdiode mit ausreichender Lumineszenzausbeute erzielt werden.Previous studies have shown that In-free light-emitting diodes have significantly lower luminescence yields than In-containing light-emitting diodes. The causes for this are both smaller piezoelectric fields and other growth mechanisms. It should be noted here that a light-emitting layer 2 made of InGaN is usually produced at 700-800 ° C, while temperatures above 1000 ° C are required for light-emitting layers 2 made of GaN and AlGaN. If stresses and piezoelectric fields are specifically installed in In-free light-emitting diodes, then, on the other hand, a light-emitting diode with sufficient luminescence efficiency can be achieved by specifically controlling the growth with regard to a smaller thickness of the light-emitting layers 2 in the vicinity of dislocations 10 in accordance with the present invention.
An Stelle der in Verbindung mit der Figur 2 konkret beschriebenen Doppel-HeteroStruktur 9 ist vorzugsweise eine Einfach- oder Mehrfach-InGaN/GaN-Quantenfilmstruktur (bevorzugt in- strinsisch) vorgesehen, bei der ein oder ggf. mehrere bevorzugt instrinsische GaN-Quantenfilme als strahlungsemittieren- de Schichten vorgesehen sind und die erfindungsgemäßen Bereiche geringerer Dicke in der Nähe von Versetzungen aufweisen. Die obige Dartstellung an Hand der Doppel-HeteroStruktur 9 wurde der Einfachheit halber gewählt .
Instead of the double heterostructure 9 specifically described in connection with FIG. 2, a single or multiple InGaN / GaN quantum film structure (preferably intrinsically) is preferably provided, in which one or possibly more preferably intrinsic GaN quantum films emit as radiation - The layers are provided and the areas of reduced thickness according to the invention have near dislocations. The above illustration using the double heterostructure 9 was chosen for the sake of simplicity.