DE10223797B4

DE10223797B4 - Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen mit niedriger Ansteuerspannung und Herstellverfahren dafür

Info

Publication number: DE10223797B4
Application number: DE10223797.2A
Authority: DE
Inventors: Werner K. Goetz; Nathan F. Gardner; Scott R. Kern; Andrew Y. Kim; Anneli Munkholm; Stephen A. Stockman; Christopher P. Kocot; Richard P. Schneider
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: US6630692B2; JP2003037289A; US20020190259A1; TW558845B; DE10223797A1

Abstract

Licht emittierende Anordnung mit: einem Substrat; einer auf dem genannten Substrat angeordneten Nukleationsschicht; einer über der genannten Nukleationsschicht angeordneten Fehlstellenreduzierungsstruktur und einer über der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur angeordneten III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ, welche n-Schicht eine Dicke hat, die größer oder gleich etwa einem Mikrometer ist, und eine Silicium-Dotierstoffkonzentration größer oder gleich etwa 1 × 1019 cm–3, wobei die genannte Fehlstellenreduzierungsstruktur eine Fehlstellenreduzierungsschicht umfasst, die eine Spiralversetzungsdichte in der genannten n-Schicht auf weniger als etwa 2 × 109 cm–2 reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Licht emittierende Halbleiteranordnungen und insbesondere auf Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen.
Das US-Patent US 6 194 742 B1 offenbart eine Licht emittierende Diode mit einem Substrat, einer Pufferschicht, die über dem Substrat gebildet ist, und einer Grenzflächenschicht, die über der Pufferschicht gebildet ist, wobei die Grenzflächenschicht eine Zusammensetzung aufweist, die eine Affinität für Sauerstoff enthaltende Verbindungen hat. Die Licht emittierende Diode umfasst des Weiteren eine n-Typ-Schicht, die direkt auf der Grenzflächenschicht ausgebildet ist, einen aktiven Bereich, der über der n-Typ-Schicht gebildet ist, eine p-Typ-Schicht, die über dem aktiven Bereich gebildet ist, und zwei elektrische Kontakte, von denen der eine mit der n-Typ-Schicht und der andere mit der p-Typ-Schicht verbunden ist.
III-Nitrid-Halbleiter sind eine wichtige Klasse von III-V-Verbindungshalbleitern. Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen beruhen auf halbleitenden Legierungen von Stickstoff mit Elementen aus der Gruppe III des Periodensystems. Beispiele für solche III-Nitrid-Anordnungen enthalten auf In_xAl_yGa_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x + y ≤ 1) beruhende Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LDs). Solche Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen sind wirtschaftlich wertvolle Quellen für beispielsweise ultraviolettes, blaues und grünes Licht mit hoher Helligkeit.
Der Steckdosenwirkungsgrad einer Licht emittierenden Anordnung ist das Verhältnis der aus der Anordnung ausgekoppelten optischen Leistung zu der der Anordnung zugeführten elektrischen Leistung. Ein hoher Steckdosenwirkungsgrad ist allgemein vorteilhaft. Der Steckdosenwirkungsgrad einer LED oder LD ist umgekehrt proportional zu der Ansteuer(Durchlass)spannung V_f, die an die Anordnung angelegt werden muss, um Licht auszusenden, wenn sie bei dem Sollstrom I_f betrieben wird. Die theoretische untere Grenze für V_f wird durch die Energie der durch die Anordnung emittierten Photonen bestimmt. Unglücklicherweise ist die Ansteuerspannung herkömmlicher Licht emittierender III-Nitrid-Anordnungen typischerweise viel höher als diese untere Grenze.
Die hohe Ansteuerspannung herkömmlicher Licht emittierender III-Nitrid-Anordnungen resultiert teilweise aus dem hohen Serienwiderstand in den n-Schichten einer III-Nitrid-Anordnung. Potentialenergiebarrieren (n-Kontaktbarrieren) an der Grenzfläche von n-Schichten einer Halbleiteranordnung mit elektrischen Kontakten (typischerweise aus Metall) tragen auch zu diesen hohen Ansteuerspannungen bei.
Der Serienwiderstand in III-Nitrid-Schichten vom n-Typ und zu diesen Schichten gehörende n-Kontaktbarrieren können durch Erhöhen der Dotierungsdichte von Elektronendonatorverunreinigungen, typischerweise Si-Atome, in der III-Nitrid-Schicht verkleinert werden. Für planare Anordnungen kann der Serienwiderstand auch durch Vergrößern der Dicke der III-Nitrid-Schichten vom n-Typ verkleinert werden. Aufnahme von Si-Atomen in einer III-Nitrid-Schicht erzeugt jedoch in der Schicht eine Zugbelastung in der Ebene. Bei einer genügend hohen Si-Dotierungsdichte lässt die Zugbelastung die III-Nitrid-Schicht reißen und kann sie so als Licht emittierende Anordnung unbrauchbar machen. Die Si-Dotierungsdichte, bei der Rissbildung einer III-Nitrid-Schicht auftritt, nimmt ab, wenn die Schicht dicker gemacht wird.
1A veranschaulicht Beziehungen zwischen Si-Dotierungsdichte, III-Nitrid-Schichtdicke und Rissbildung. Kombinationen aus Si-Dotierungskonzentration und Schichtdicke bilden Gebiete, wo Übergänge von nicht gerissenen nach gerissenen Schichten auftreten. Linie 1 gibt Kombinationen von Si-Dotierungsdichte und GaN-Schichtdicke bei einem Übergang zwischen gerissenen und nicht gerissenen GaN-Schichten an, die mit einem herkömmlichen ”Zweischritt”-Aufwachsprozess hergestellt worden sind, bei dem die GaN-Schicht direkt auf eine Niedertemperatur-Nukleationsschicht mittels metallorganischem Abscheiden aus der Gasphase (MOCVD: metall-organic chemical vapor deposition) aufgewachsen wird. Mit diesem herkömmlichen Prozess hergestellte GaN-Schichten, die eine Siliciumdotierung und Dickenkombinationen oberhalb der Linie 1 haben, reißen typischerweise. Für beispielsweise eine 1 Mikrometer (μm) dicke GaN-Schicht ist bei einer mit dem herkömmlichen Zweischritt-Verfahren hergestellten GaN-Schicht die Si-Dotierungskonzentration durch Rissbildung bis auf weniger als 1 × 10¹⁹ pro Kubikzentimeter (cm^–3) begrenzt. Entweder das Erhöhen der Si-Dotierungskonzentration oder das Erhöhen der Dicke der Schicht wird ein Reißen der Schicht bewirken.
Derartige Dotierungs/Dickenbegrenzungen werden von den Erfindern und anderen typischerweise für herkömmliches Zweischrittaufwachsen von Si-dotierten GaN-Schichten beobachtet. (Datenpunkt 3 stammt von Murakami et al., J. Crystal Growth 115 (1991) 648–651.) Von S. Nakamura et al., Japanese Journal of Applied Physics 31, 2883–2888 (1992), ist jedoch die Bildung nicht gerissener, 4 μm dicker GaN-Schichten mit einer Si-Dotierungskonzentration von ≈ 2 × 10¹⁹ cm^–3 direkt auf einer Niedertemperatur-Nukleationsschicht berichtet worden. Nakamura et al. schlossen, dass die Verwendung eines nicht herkömmlichen Zweifluss-MOCVD-Reaktors sie befähigte, die rissfreien GaN-Schichten mit hoher Si-Konzentration zu erzeugen. In diesem Zweiflussreaktor wird ein zusätzlicher vertikaler Teilstrom von Inertgas mit horizontal injizierten Quellengasen kombiniert. Solche nicht herkömmlichen Reaktoren stehen nicht allgemein zur Verfügung.
Die hohen Ansteuerspannungen herkömmlicher Licht emittierender III-Nitrid-Anordnungen ergeben sich teilweise auch aus der piezoelektrischen Natur der III-Nitrid-Kristallstrukturen. Die aktiven Gebiete von Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen enthalten typischerweise eine oder mehrere Quantentopf-Schichten und eine oder mehrere Barriereschichten. Diese Schichten haben typischerweise Zusammensetzungen, die sich voneinander und von den umgebenden Schichten in der Anordnung unterscheiden. Daher werden diese Schichten typischerweise verformt. Infolge dieser Verformung und der piezoelektrischen Natur der III-Nitrid-Kristallstruktur treten in den Gebieten nahe den Grenzflächen von Quantentopf-Schichten und in Barriereschichten in den aktiven Gebieten von Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen piezoelektrische Felder auf. Diese piezoelektrischen Felder, in Kombination mit Heteroübergangsbandoffsets, erzeugen Grenzflächenenergiebarrieren, die den Transport von Elektronen und Löchern in das aktive Gebiet behindern und die Ansteuerspannung der Licht emittierenden Anordnung erhöhen.
Was benötigt wird, ist eine Licht emittierende III-Nitrid-Anordnung, die obigen Nachteile herkömmlicher III-Nitrid-Anordnungen überwindet.
Es werden Licht emittierende Anordnungen mit verbesserter Leistungsfähigkeit verschafft. Bei einer Ausführungsform enthält eine Licht emittierende Anordnung ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Nukleationsschicht, eine über der Nukleationsschicht angeordnete Fehlstellenreduzierungsstruktur und eine über der Fehlstellenreduzierungsstruktur angeordnete III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ. Die n-Schicht hat beispielsweise eine Dicke, die größer oder gleich etwa ein Mikrometer ist und eine Silicium-Dotierstoffkonzentration größer oder gleich etwa 10¹⁹ cm^–3.
Bei einer Realisierung enthält die Fehlstellenreduzierungsstruktur eine Fehlstellenreduzierungsschicht. Die Fehlstellenreduzierungsschicht kann die Fehlstellendichte in der n-Schicht auf etwa 2 × 10⁹ cm^–2 oder weniger verringern und Druckbelastung in der III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ erhöhen, sodass der a-Gitterparameter kleiner als 318,7 nm (3187 Ångström (Å)) ist. Die Fehlstellenreduzierungsschicht kann beispielsweise aus Quellengasen gebildet werden, die NH₃, Trimethylgallium und H₂ enthalten, wobei das Verhältnis des Partialdruckes von NH₃ zum Partialdruck von Trimethylgallium etwa 200 bis etwa 1500 und das Verhältnis des Partialdruckes von NH₃ zum Partialdruck von H₂ etwa 0,05 bis etwa 0,35 beträgt.
Bei einer anderen Realisierung enthält die Fehlstellenreduzierungsstruktur eine III-Nitrid-Halbleiterschicht, auf der ein Silicium enthaltendes Material angeordnet ist. Bei einer anderen Realisierung enthält die Fehlstellenreduzierungsstruktur eine oder mehrere Nukleationsschichten. Bei einer anderen Realisierung wird eine Aufwachsfläche der Fehlstellenreduzierungsstruktur vor dem Aufwachsen der n-Schicht aufgeraut. Eine solche raue Aufwachsfläche kann beispielsweise durch Unterbrechen des Aufwachsens einer III-Nitrid-Schicht und Aussetzen dieser Schicht an eine ätzende Umgebung für etwa 1 bis etwa 1000 Sekunden erzeugt werden.
Bei einigen Realisierungen sind Barriereschichten in dem aktiven Gebiet der Licht emittierenden Anordnung mit Akzeptor- und/oder Donatorverunreinigungen dotiert. Die Konzentrationsprofile der Verunreinigungen können entweder räumlich gleichmäßig oder räumlich ungleichmäßig sein.
Bei einer anderen Ausführungsform enthält eine Licht emittierende Anordnung ein aktives Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die entweder gleichmäßig mit einer Verunreinigung dotiert ist oder mit einer Verunreinigung dotiert ist, die eine in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem aktiven Gebiet verlaufende Konzentration hat. Die Konzentration der Verunreinigung kann verlaufend sein, um zumindest teilweise eine Wirkung eines piezoelektrischen Feldes in dem aktiven Gebiet aufzuheben.
Licht emittierende Anordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise niedrigen Serienwiderstand, niedrige n-Kontaktbarriere und niedrige Ansteuerspannung aufweisen. Vorteilhafterweise können Licht emittierende Anordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise in herkömmlichen MOCVD-Reaktoren mit unidirektionalem Fluss gefertigt werden.
1A ist eine grafische Darstellung, die Kombinationen von GaN-Schichtdicke und Si-Konzentration veranschaulicht, die zu gerissenen und nicht gerissenen Schichten führen.
1B ist eine grafische Darstellung von Gitterparametern für mit Silicium dotierte und undotierte GaN-Schichten.
2 veranschaulicht schematisch die Verwendung einer Fehlstellenreduzierungsstruktur, die eine Fehlstellenreduzierungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
3 veranschaulicht schematisch die Verwendung einer Fehlstellenreduzierungsstruktur, die Mikromasken gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
4 veranschaulicht schematisch die Verwendung einer Fehlstellenreduzierungsstruktur, die mehrfache Nukleationsschichten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
5 veranschaulicht schematisch die Verwendung einer Fehlstellenreduzierungsstruktur, die III-Nitrid-Schichten mit aufgerauten Oberflächen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
6 ist eine schematische Darstellung einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Darstellung des aktiven Gebietes einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine grafische Darstellung der Ansteuerspannung von Leuchtdioden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Funktion der Siliciumkonzentration in den Barriereschichten ihrer aktiven Gebiete.
9 veranschaulicht schematisch das Siliciumkonzentrationsprofil in dem aktiven Gebiet einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 veranschaulicht schematisch das Siliciumkonzentrationsprofil in dem aktiven Gebiet einer Leuchtdiode gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine grafische Darstellung der Stromdichte als Funktion der Ansteuerspannungskurven für Leuchtdioden gemäß mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine grafische Darstellung der Leitungsbandkantenenergie als Funktion der Lage für Leuchtdioden gemäß mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine grafische Darstellung des Serienwiderstandes und der n-Kontaktbarrierenhöhe als Funktion der Si-Dotierungskonzentration in einer n-GaN-Schicht.
14 ist eine grafische Darstellung der Ansteuerspannung als Funktion der dominanten Wellenlänge für herkömmliche Leuchtdioden und für Leuchtdioden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Es sei bemerkt, dass die Abmessungen in den verschiedenen Figuren nicht maßstabsgetreu sind. Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Teile in den verschiedenen Ausführungsformen.
Zahlreiche Fehlstellenreduzierungsstrukturen sind bekannt, die Konzentration ausgedehnter Strukturdefekte (primär Spiralversetzungen) in III-Nitrid-Halbleiteranordnungen reduzieren. Solche Fehlstellenreduzierungsstrukturen, die typischerweise eine oder mehrere III-Nitrid-Schichten enthalten, werden typischerweise über einer herkömmlichen Niedertemperatur-Nukleationsschicht aufgewachsen, die auf einem Substrat aufgewachsen ist. Über solchen Fehlstellenreduzierungsstrukturen aufgewachsene III-Nitrid-Halbleiterschichten haben typischerweise eine niedrigere Versetzungsdichte als III-Nitrid-Halbleiterschichten, die in herkömmlicher Weise direkt auf einer herkömmlichen Niedertemperatur-Nukleationsschicht aufgewachsen worden sind.
Die Erfinder haben erkannt, dass solche Fehlstellenreduzierungsstrukturen die Druckbelastung in der Ebene in über ihnen aufgewachsenen III-Nitrid-Schichten erhöhen. Die Erfinder haben auch erkannt, dass die durch solche Fehlstellenreduzierungsstrukturen induzierte erhöhte Druckbelastung es ermöglicht, über ihnen aufgewachsene III-Nitrid-Halbleiterschichten mit Silicium bei hohen Konzentrationen ohne Rissbildung zu dotieren. Insbesondere haben die Erfinder erkannt, dass III-Nitrid-Halbleiterschichten hoher Qualität über solchen Fehlstellenreduzierungsstrukturen mit Dicken und Siliciumkonzentrationen aufgewachsen werden können, die höher sind als in III-Nitrid-Halbleiterschichten erreichbar ist, die in herkömmlichen Einzelfluss-MOCVD-Reaktoren direkt auf einer auf einem Substrat aufgewachsenen herkömmlichen Nukleationsschicht aufgewachsen sind. Die Erfinder glauben, dass sie die ersten sind, die die Wirkung von Fehlstellenreduzierungsstrukturen auf die erreichbaren Siliciumdotierungskonzentrationen in rissfreien III-Nitrid-Halbleiterschichten erkannt haben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine III-Nitrid-Nukleationsschicht (wie z. B. eine Schicht aus GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN oder einer beliebigen Zusammensetzung von AlInGaN) bei niedriger Temperatur auf einem Substrat aufgewachsen. Das Substrat ist beispielsweise ein Saphirsubstrat, ein Siliciumcarbidsubstrat oder ein Siliciumsubstrat. Bei Ausführungsformen, die SiC-Substrate enthalten, wird die Nukleationsschicht typischerweise bei höherer Temperatur aufgewachsen. Substratoberflächen können parallel zu einer Kristallhauptebene des Substrats liegen oder in Bezug auf eine Kristallhauptebene des Substrats fehlorientiert sein. Eine Fehlstellenreduzierungsstruktur wird über der Nukleationsschicht aufgewachsen. Eine oder mehrere III-Nitrid-Halbleiterschichten werden über der Fehlstellenreduzierungsstruktur aufgewachsen. Zumindest eine der über der Fehlstellenreduzierungsschicht aufgewachsenen III-Nitrid-Schichten ist eine hoch mit Silicium dotierte n-Schicht.
Bei manchen Ausführungsformen sind die Fehlstellenreduzierungsstruktur und die hoch mit Silicium dotierte(n) III-Nitrid-Halbleiterschicht oder -schichten vom n-Typ in einer Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnung enthalten, wie z. B. einer LED oder einer LD, die wegen der hohen Si-Dotierung und einer dicken n-Schicht bei einer vorteilhaft niedrigen Ansteuerspannung arbeitet. Die III-Nitrid-Schicht vom n-Typ kann beispielsweise eine etwa 2 Mikrometer dicke und mit Si bis zu einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 dotierte GaN-Schicht sein. Solche Anordnungsstrukturen sind typischerweise rissfrei. Erhöhen des Si-Dotierungsniveaus der n-Schicht auf über etwa 3 × 10¹⁹ cm^–3 führt typischerweise zum Aufrauen der Oberfläche der n-Schicht vor der Rissbildung.
Es werden Ausführungsformen beschrieben, die vier Arten einer Fehlstellenreduzierungsstruktur enthalten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Andere Substrate, andere Nukleationsschichten und andere Fehlstellenreduzierungsstrukturen können auch verwendet werden. Vorzugsweise erlaubt eine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltene Fehlstellenreduzierungsstruktur das Aufwachsen über der Fehlstellenreduzierungsstruktur von III-Nitrid-Schichten mit Spiralversetzungsdichten von weniger als etwa 2 × 10⁹ cm^–2. Spiralversetzungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie den Kristall im Wesentlichen in Aufwachsrichtung durchdringen. Diese Versetzungen können Kanten-, Schrauben- oder gemischte Natur haben. Für diese Fehlstellenreduzierungsstrukturen ist es charakteristisch, dass sie während des Aufwachsen ”in-situ” eingebaut werden können.
Die verschiedenen III-Nitrid-Halbleiterschichten in den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen sind mittels MOCVD in einem herkömmlichen MOCVD-Reaktor mit unidirektionalem Fluss unter Verwendung von Trimethylgallium (TMG) oder Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle, Trimethylaluminium (TMAl) als Aluminiumquelle, Trimethylindium (TMIn) als Indiumquelle, Ammoniak (NH₃) als Stickstoffquelle, Silan (SiH₄) als Siliciumquelle und Wasserstoff (H₂) oder Stickstoff (N₂) als Trägergas aufgewachsen worden. Es können jedoch beispielsweise auch andere MOCVD-Reaktoren, andere Quellen- und Trägergase und andere Aufwachsverfahren, wie z. B. Molekularstrahlepitaxie(MBE: molecular beam epitaxy) oder Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE: hydride vapor Phase epitaxy) verwendet werden.
Mit Bezug auf 2 wird in einer Ausführungsform eine Niedertemperatur-III-Nitrid Nukleationsschicht 14 mit einer Dicke von etwa 20 nm (200 Å) bis etwa 50 nm (500 Å), typischerweise etwa 25 nm (250 Å), auf einem Saphirsubstrat 12 bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 600°C, typischerweise etwa 550°C, aufgewachsen. Anschließend wird eine Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a über der Nukleationsschicht 14 aufgewachsen und über der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a wird eine Hochtemperatur-III-Nitrid-Schicht 18 aufgewachsen.
Die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a enthält eine auf einer Nukleationsschicht 14 bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C, typischerweise etwa 1050°C, aufgewachsene GaN-Fehlstellenreduzierungsschicht 20. Die Verhältnisse von Partialdrücken NH₃/TMG und NH₃/H₂ (allgemeiner V/III und V/H₂, wobei V und III Elemente aus den Gruppen V und III des Periodensystems bezeichnen,) während des Aufwachsens der Fehlstellenreduzierungsschicht 20 sind im Vergleich zu denen, die zum Beibehalten einer glatten Aufwachsflächenmorphologie erforderlich sind, klein. Bereiche und typische Werte für diese Partialdruckverhältnisse beim Aufwachsen der GaN-Fehlstellenreduzierungsschicht 20 sind in Zeile (a) der Tabelle 1 weiter unten aufgelistet. Die Fehlstellenreduzierungsschicht 20 wird unter diesen Bedingungen bis zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 1 μm, typischerweise etwa 0,5 μm, aufgewachsen. Der Fluss von TMG kann dann gestoppt werden und die Fehlstellenreduzierungsschicht 20 kann den kontinuierlichen Wasserstoff- und Ammoniakströmen etwa 1 Sekunde bis etwa 1000 Sekunden lang, typischerweise etwa eine Minute lang, ausgesetzt werden. Die H₂- und NH₃-Umgebung ätzt die Oberfläche der Fehlstellenreduzierungsschicht 20. Diese Wachstums- und Ätzbedingungen begünstigen die Bildung einer rauen Oberfläche 21, die einzelne unabhängige GaN-Körner oder -Inseln enthält, mit typischerweise einem Durchmesser von etwa 0,1 μm bis etwa 1 μm.
Bei einigen Realisierungen wird eine optionale GaN-Koaleszenzschicht 22 (als gestricheltes Kästchen angedeutet) auf der Fehlstellenreduzierungsschicht 20 bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C, typischerweise etwa 1050°C, aufgewachsen. Die Aufwachstemperatur und das Verhältnis der Partialdrücke NH₃/TMG und NH₃/H₂ werden so gewählt, dass sie schnelles laterales (parallel zur Substratoberfläche) Wachstum begünstigen und zu Koaleszenz der GaN-Körner und Bildung einer glatten epitaktischen Aufwachsfläche führen. Bereiche und typische Werte für diese Partialdruckverhältnisse beim Aufwachsen der GaN-Koaleszenzschicht 22 sind in Zeile (b) von Tabelle 1 weiter unten aufgelistet. Die Koaleszenzschicht 22 hat beispielsweise eine Dicke von etwa 0,5 μm bis etwa 2 μm, typischerweise etwa 1 μm. Bei einigen Realisierungen ist die Koaleszenzschicht 22 mit Silicium bis zu einer Konzentration von beispielsweise etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert.
Bei einigen Realisierungen wird eine optionale Hochtemperatur(Standard)-GaN-Schicht 24 (auch als gestricheltes Kästchen angedeutet) auf der Koaleszenzschicht 22, sofern vorhanden, oder auf der Fehlstellenreduzierungsschicht 20 aufgewachsen. Die GaN-Schicht 24 wird bei einer Temperatur von etwa 950°C bis 1150°C, typischerweise etwa 1050°C aufgewachsen. Bereiche und typische Werte für die Partialdruckverhältnisse NH₃/TMG und NH₃/H₂ beim Aufwachsen einer Standard-GaN-Schicht 24 sind in Zeile (c) von Tabelle 1 weiter unten aufgelistet. Diese Wachstumsbedingungen sind gewählt worden, um eine glatte Aufwachsflächenmorphologie und eine hohe Wachstumsrate zu begünstigen. Die GaN-Schicht 24 hat eine Dicke von beispielsweise etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm, typischerweise etwa 2 um. Bei einigen Realisierungen ist Schicht 24 entweder undotiert oder mit Silicium bis zu einer Konzentration von beispielsweise etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 oder höher n-dotiert.
Die Sequenz 26 einschließlich Fehlstellenreduzierungsschicht 20, optionaler Koaleszenzschicht 22 und optionaler Hochtemperatur-GaN-Schicht 24 kann mehrere Male in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a wiederholt werden, um die Fehlstellendichte weiter zu reduzieren und die Druckbelastung bei Raumtemperatur in der III-Nitrid-Schicht 18 zu erhöhen. Eine solche optionale Wiederholung der Sequenz 26 wird in 2 mit dem gestrichelten Kästchen, mit 26 bezeichnet, und den Auslassungszeichen darüber und darunter angedeutet. Tabelle 1
Infolge des Vorhandenseins der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a haben III-Nitrid-Schichten 18 und 24 und darauf aufgewachsene III-Nitrid-Schichten (nicht abgebildet) typischerweise eine Versetzungsdichte von weniger als etwa 2 × 10⁹ cm^–2 und können hoch mit Silicium dotiert sein, ohne dass Rissbildung auftritt. Wiederum mit Bezug auf 1A deutet Linie 5 beispielsweise Kombinationen aus Si-Dotierungsdichte und GaN-Schichtdicke bei einem Übergang zwischen gerissenen und nicht gerissenen GaN-Schichten an, die über einer Fehlstellenreduzierungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgewachsen sind. Solche GaN-Schichten mit Siliciumdotierung und Dickenkombinationen unterhalb der Linie 5 sind typischerweise rissfrei.
III-Nitrid-Halbleiterschichten werden typischerweise mit einer Wurtzit-Kristallstruktur aufgewachsen, die eine c-Achse nahezu senkrecht zur Substratoberfläche und a-Achsen senkrecht zur c-Achse und nahezu in der Ebene der Schicht (die somit ungefähr eine c-Ebene ist) hat. 1B veranschaulicht auch das Rissbildungsphänomen von mit Silicium dotiertem III-Nitrid in einer graphischen Darstellung der c-Gitterkonstante als Funktion der a-Gitterkonstante für beispielsweise mit Silicium dotierte und undotierte GaN-Schichten bei Raumtemperatur. Datenpunkt 2 gibt die Gitterkonstanten einer nicht verformten homoepitaktischen GaN-Schicht an (a = 3187,8 nm (31878 Ångström), c = 5185,0 nm (51850 Ångström)). Die Gitterparameter von bei hoher Temperatur (z. B. 1050°C) mittel metallorganischer Gasabscheidung (MOCVD) auf einem Saphirsubstrat aufgewachsenen undotierten und mit Silicium dotierten GaN-Schichten liegen typischerweise entlang der gestrichelten Linie 4. Erhöhen der a-Gitterkonstante und Erniedrigen der c-Gitterkonstante, relativ zu Datenpunkt 2, geben Zugebelastung in der Ebene an. Auf einem Saphirsubstrat aufgewachsene undotierte GaN-Schichten weisen bei Raumtemperatur eine Druckbelastung in der Ebene auf und liegen somit entlang der gestrichelten Linie 4 oberhalb und links vom Datenpunkt 2. Zufügen von Silicium zu einer GaN-Schicht erhöht deren Zugbelastung in der Ebene und bewegt sie somit entlang der gestrichelten Linie 4 in Richtung von Pfeil 6. Mit Silicium dotierte GaN-Schichten, die entlang der gestrichelten Linie 4 nahe oder unterhalb und rechts vom Datenpunkt 2 liegen, weisen Risse auf.
Die Gitterparameter einer herkömmlich aufgewachsenen GaN-Beispielsschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm und einer Si-Dotierungsdichte von etwa 5 × 10¹⁸ cm^–3 werden in 1B durch Datenpunkt 8 angegeben. Zum Vergleich gibt Datenpunkt 10 die Gitterparameter einer III-Nitrid-Beispielsschicht 18 aus n-GaN mit einer Dicke von etwa 2 μm und einer Siliciumdotierungskonzentration von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 an. Datenpunkt 10 liegt oberhalb und links vom Datenpunkt 8, was angibt, dass die III-Nitrid-Beispielsschicht 18 viel weniger anfällig für Rissbildung ist als die durch Datenpunkt 8 repräsentierte herkömmliche GaN-Schicht. Typischerweise haben über Fehlstellenreduzierungsstrukturen aufgewachsene GaN-Schichten a-Gitterparameter, die kleiner oder gleich 318,7 nm (3187 Å) sind.
Bei einigen Realisierungen ist die III-Nitrid-Schicht 18 eine Silicium dotierte n-GaN-Schicht, die auf der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C, typischerweise etwa 1050°C aufgewachsen ist. Bereiche und typische Werte für die Partialdruckverhältnisse NH₃/TMG und NH₃/H₂ beim Aufwachsen einer solchen GaN-Schicht 18 sind im Wesentlichen die gleichen wie die für eine Standard-GaN-Schicht 24, die in Zeile (c) von Tabelle 1 aufgelistet sind. Diese Wachstumsbedingungen sind gewählt worden, um eine glatte Aufwachsflächenmorphologie zu begünstigen. Die Dicke der III-Nitrid-Schicht 18 ist bei solchen Realisierungen beispielsweise etwa 0,5 μm bis etwa 10 μm, typischerweise etwa 2 μm. Die Siliciumkonzentration in der III-Nitrid-Schicht 18 ist bei solchen Realisierungen typischerweise etwa 1 × 10¹ ⁹ cm^–3 oder höher.
Bei anderen Realisierungen enthält die III-Nitrid-Schicht 18 andere Gruppe-III- und/oder Gruppe-V-Elemente zusätzlich zu oder anstelle von Gallium und Stickstoff. Bei solchen Realisierungen kann die III-Nitrid-Schicht 18 Dicken und hohe Siliciumdotierungskonzentrationen haben, die ähnlich denen sind, die oben für Realisierungen beschrieben worden sind, bei denen die Schicht 18 eine hoch mit Silicium dotierte GaN-Schicht ist. Bei einigen Realisierungen ist die III-Nitrid-Schicht 18 nicht hoch mit Silicium dotiert, aber darüber aufgewachsene III-Nitrid-Schichten haben Dicken und hohe Siliciumdotierungskonzentrationen, die den oben beschriebenen ähnlich sind.
Obwohl in den obigen Beispielen die Schichten 20, 22 und 24 in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a von GaN aus gebildet sind, können bei anderen Realisierungen diese Schichten von anderen III-Nitrid-Materialien aus, wie z. B. InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlInGaNAs, AlInGaNP oder Kombinationen davon, gebildet werden. Von solchen anderen III-Nitrid-Materialien aus aufgewachsene Schichten werden Gitterparameter haben, die sich von denen in 1B für GaN gezeigten unterscheiden. Wachstumsbedingungen für Fehlstellenreduzierungsstrukturen ähnlich der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a werden in J. Han et al., Applied Physics Letters 71 (21), 3114 (1997) beschrieben, das in seiner Gesamtheit durch Nennung als hier aufgenommen betrachtet werden soll.
Mit Bezug auf 3 ersetzt bei einer anderen Ausführungsform die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16b die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16a von 2. Substrat 12, Nukleationsschicht 14 und III-Nitrid-Schicht 18 sind nahezu die gleichen wie in der vorhergehenden Ausführungsform.
Die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16b enthält die auf der Nukleationsschicht 14 bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C, typischerweise etwa 1050°C aufgewachsene Hochtemperatur-GaN-Schicht 28. Bereiche und typische Werte für die Partialdruckverhältnisse NH₃/TMG und NH₃/H₂ beim Aufwachsen einer solchen GaN-Schicht 28 können im Wesentlichen die gleichen sein wie die für eine Standard-GaN-Schicht 24 oder Koaleszenzschicht 22, die in den Zeilen (b) und (c) von Tabelle 1 aufgelistet sind. Diese Wachstumsbedingungen sind gewählt worden, um eine glatte Aufwachsflächenmorphologie zu begünstigen. Bei einigen Realisierungen ist die Schicht 28 mit Silicium bis zu einer Konzentration von beispielsweise etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 oder höher n-dotiert.
Schicht 28 wird bis zu einer Dicke von beispielsweise etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm, typischerweise etwa 1 μm, aufgewachsen. Der Fluss von TMG wird dann gestoppt und Schicht 28 wird SiH₄ oder Si₂H₆ ausgesetzt, um etwa 0,1 Monoschichten bis etwa 1,5 Monoschichten, typischerweise etwa 1 Monoschicht, aus Silicium auf der Oberfläche 29 von Schicht 28 abzuscheiden. Angenommen wird, dass das abgeschiedene Silicium in Schicht 28 mit Stickstoff reagiert, um Mikromasken (Inseln) 30 zu bilden, die Abschnitte der Oberfläche 29 bedecken. Wenn anschließend das Aufwachsen von III-Nitrid auf der Oberfläche 29 wieder aufgenommen wird, bildet das III-Nitrid-Material an unbedeckten Abschnitten der Oberfläche 29 Keime, wächst vertikal und wächst dann lateral über die Masken 30, um eine Schicht mit niedriger Fehlstellendichte zu bilden.
Bei einigen Realisierungen wird eine optionale Koaleszenzschicht 22 über den Masken 30 unter nahezu gleichartigen Bedingungen aufgewachsen, wie sie in der vorhergehenden Ausführungsform (2) beschrieben werden. Die Sequenz 32 einschließlich der Hochtemperatur-GaN-Schicht 28, Masken 30 und der optionalen Koaleszenzschicht 22 kann mehrere Male in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16b wiederholt werden, um die Fehlstellendichte weiter zu reduzieren und die Druckbelastung in der III-Nitrid-Schicht 18 zu erhöhen.
Obwohl in diesem Beispiel die Schichten 28 und 22 in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16b von GaN aus gebildet werden, können bei anderen Realisierungen diese Schichten von anderen III-Nitrid-Materialien aus, wie z. B. InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlInGaNAs, AlInGaNP oder Kombinationen davon, gebildet werden. Weiterhin kann die Si-Quelle Disilan (Si₂H₆) oder andere Si-haltige Verbindungen sein. Ähnliche Fehlstellenreduzierungsstrukturen wie die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16b werden bei S. Tanaka et al., Japanese Journal of Applied Physics 39, L831 (2000) beschrieben, das in seiner Gesamtheit durch Nennung als hier aufgenommen betrachtet werden soll. Mikromaskierungstechniken, wie sie in dieser Ausführungsform verwendet werden, können in dem Fachgebiet als ”Siliciumdosierung” oder Anti-Surfactant-Verfahren bezeichnet werden.
Mit Bezug auf 4 enthält eine andere Ausführungsform eine Fehlstellenreduzierungsstruktur 16c. Das Substrat 12, Nukleationsschicht 14, Hochtemperatur-GaN-Schicht 28 und III-Nitrid-Schicht 18 sind im Wesentlichen die gleichen wie in der vorhergehenden Ausführungsform.
Die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16c enthält die auf der Hochtemperatur-GaN-Schicht 28 aufgewachsene Niedertemperatur-GaN-Nukleationsschicht 34. Die Nukleationsschicht 34 ist beispielsweise unter ähnlichen Bedingungen aufgewachsen wie denen, die beim Aufwachsen der Nukleationsschicht 14 verwendet worden sind, und bis auf ähnliche Dicke aufgewachsen. Eine solche Verwendung von mehrfachen Nukleationsschichten reduziert die Fehlstellendichte und erhöht die Druckbelastung von nachfolgend aufgewachsenen III-Nitrid-Schichten. Daher kann die Sequenz 36, die Hochtemperatur-GaN-Schicht 28 und Niedertemperatur-Nukleationsschicht 34 enthält, mehrere Male in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16c wiederholt werden.
Obwohl bei diesem Beispiel die Schicht 28 von GaN aus gebildet worden ist, kann bei anderen Realisierungen die Schicht 28 in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16c aus anderen III-Nitridmaterialien gebildet werden. Fehlstellenreduzierungsstrukturen, die mehrfache Nukleationsschichten enthalten wie bei der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16c, werden in M. Iwaya et al., Japanese Journal of Applied Physics 37, 316 (1998), beschrieben, das in seiner Gesamtheit durch Nennung als hier aufgenommen betrachtet werden soll.
Mit Bezug auf 5 enthält eine andere Ausführungsform die Fehlstellen reduzierungsstruktur 16d. Das Substrat 12, die Nukleationsschicht 14 und die III-Nitrid-Schicht 18 sind im Wesentlichen die gleichen wie in den vorhergehenden Ausführungs formen.
Die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16d enthält eine auf der Nukleations schicht 14 bei einer Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C, typischerweise etwa 1050°C, aufgewachsene GaN-Schicht 38. Bereiche und typische Werte für die Partialdruckverhältnisse NH₃/TMG und NH₃/H₂ beim Aufwachsen einer solchen GaN-Schicht 38 können im Wesentlichen die gleichen sein wie die für eine Standard-GaN-Schicht 24 oder Koaleszenzschicht 22, die in den Zeilen (b) und (c) von Tabelle 1 aufgelistet sind. Schicht 38 wird bis zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm, typischerweise etwa 1 μm, aufgewachsen. Der Fluss von TMG (allgemeiner von Gruppe III-Elementen) wird dann gestoppt und das Verhältnis des Partialdrucks von NH₃ zu dem von H₂ wird etwa 1 Sekunde bis etwa 1000 Sekunden, typischerweise etwa eine Minute lang auf zwischen etwa 0,05 und etwa 0,35, typischerweise etwa 0,15, verringert. Die H₂- und NH₃-Umgebung ätzt und raut die Oberfläche 40 von Schicht 38 auf. Wiederaufnahme des Aufwachsens von III-Nitrid-Material auf der Oberfläche 40 führt zu erneuter Nukleation, Fehlstellenreduzierung und erhöhter Druckbelastung in nachfolgend aufgewachsenen III-Nitrid-Schichten. Aufwachsen einer aufgerauten III-Nitrid-Schicht wie z. B. Schicht 38 kann in der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16d mehrere Male wiederholt werden, um die Fehlstellendichte weiter zu reduzieren und die Druckbelastung in nachfolgend aufgewachsenen III-Nitrid-Schichten zu erhöhen.
Obwohl in diesem Beispiel die Schicht 38 in der Fehlstellenreduzierungs struktur 16d von GaN aus gebildet wird, kann bei anderen Realisierungen die Schicht 38 von anderen III-Nitrid-Materialien aus, wie z. B. InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlInGaNAs, AlInGaNP oder Kombinationen davon, gebildet werden. Fehlstellenreduzierungsstrukturen, die III-Nitrid-Schichten enthalten, die in Wachstumspausen mittels Ätzen aufgeraut worden sind, wie bei der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16d, werden in W. Zhang et al., Proc. Int. Workshop an Nitrid-Halbleiters IPAP Conf. Series 1, 27–29, beschrieben, das in seiner Gesamtheit durch Nennung als hier aufgenommen betrachtet werden soll.
Andere Ausführungsformen enthalten eine Fehlstellenreduzierungsstruktur, die Kombinationen von beispielsweise Fehlstellenreduzierungsschichten, mehrfachen Nukleationsschichten, aufgerauten Oberflächen und Si-dosierten Oberflächen enthält, die anhand der Fehlstellenreduzierungsstrukturen 16a–16d beschrieben worden sind.
Eine Beispiels-LED 42 (6) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine auf einem Substrat 12 aufgewachsene Niedertemperatur-Nukleationsschicht 14 und eine auf einer Nukleationsschicht 14 aufgewachsene Fehlstellenreduzierungsstruktur 16. Die Fehlstellenreduzierungsstruktur 16 kann beispielsweise irgendeine der oben beschriebenen Fehlstellenreduzierungsstrukturen 16a–16d sein. Das aktive III-Nitrid-Gebiet 44 ist zwischen einem oberen III-Nitrid-Gebiet 46 vom p-Typ und einem unteren III-Nitrid-Gebiet 48 angeordnet. Das aktive Gebiet 44 enthält typischerweise eine oder mehrere Quantentopf-Schichten und eine oder mehrere Barriereschichten.
Das untere III-Nitrid-Gebiet 48 enthält die oben beschriebene, auf der Fehlstellenreduzierungsstruktur 16 aufgewachsene III-Nitrid-Schicht 18. Das III-Nitrid-Gebiet 48 kann optional auch eine oder mehrere zusätzliche, über der Schicht 18 aufgewachsene III-Nitrid-Schichten enthalten, wie z. B. die Schichten 50 und 52. Diese zusätzlichen Schichten können beispielsweise Confinement-, Deck- oder Kontaktschichten sein. Zumindest eine der Schichten im unteren III-Nitrid-Gebiet 48 ist eine III-Nitrid-Schicht vom n-Typ mit einer Siliciumkonzentration größer oder gleich etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3. Eine solche hoch mit Silicium dotierte Schicht hat eine Dicke von beispielsweise etwa 1 μm bis etwa 10 μm, typischerweise etwa 2 μm.
Ein ohmscher p-Kontakt 54 und eine Metallschicht 56 sind miteinander und mit dem oberen III-Nitrid-Gebiet 46 elektrisch gekoppelt. Der ohmsche n-Kontakt 58 ist mit dem unteren III-Nitrid-Gebiet 48 elektrisch gekoppelt. Anlegen einer geeigneten Durchlassvorspannung an die Kontakte 54 und 58 führt zu Emission von Licht aus dem aktiven Gebiet 44. Die Metallschicht 56 kann für Licht, das vom aktiven Gebiet 44 emittiert wird, halbdurchlässig sein. Alternativ kann die Metallschicht 56 für Licht, das vom aktiven Gebiet 44 emittiert wird, hoch reflektierend sein, und die LED 42 kann als Flip-Chip mit einer Teilmontierung zugewandten Kontakten 54 und 56 montiert werden.
Vorteilhafterweise verschaffen die hoch mit Silicium dotierte (≥ etwa 10¹⁹ cm^–3) und dicke (≥ etwa 2 μm) III-Nitrid-Schicht oder Schichten vom n-Typ in einer Licht emittierenden Anordnung, wie z. B. LED 42 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen kleinen Serienwiderstand zwischen beispielsweise dem n-Kontakt 58 und dem aktiven Gebiet 44 (6). Darüber hinaus sind die zu diesen Schichten gehörenden n-Kontaktbarrieren niedriger als die, die für n-Schichten mit geringeren Siliciumkonzentrationen typisch sind. Die Verkleinerung des Serienwiderstandes und der n-Kontaktbarrieren in Leuchtdioden gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 13 veranschaulicht, in der Serienwiderstand und n-Kontaktbarrierenhöhe gegen die Siliciumdotierungskonzentration für ≈ 2 μm dicke n-GaN-Schichten aufgetragen ist. Die Datenpunkte 90a und 90b charakterisieren eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgewachsene, rissfreie GaN-Schicht, die eine Si-Konzentration von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 hat. Die Datenpunkte 92a und 92b charakterisieren GaN-Schichten mit wesentlich niedrigeren Si-Konzentrationen. Der niedrige Serienwiderstand und die niedrigen n-Kontaktbarrieren von Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung tragen zu einer Verringerung der erforderlichen Ansteuerspannung für diese Anordnungen bei.
Mit Bezug auf 7 enthält bei einer Ausführungsform das aktive Gebiet 44 der LED 42 In_xGa_1-xN-Quantentopf-Schichten 60, 62 und 64 und GaN-Barriereschichten 68 und 70, wobei die Quantentopf-Schicht 60 am dichtesten beim Substrat 12 liegt (6). Die Quantentopf-Schichten 60, 62 und 64 sind 1 nm (10 Å) bis etwa 10 nm (100 Å) (typischerweise etwa 2,5 nm (25 Å)) dick. Die Barriereschichten 68 und 70 sind etwa 2,5 nm (25 Å) bis etwa 50 nm (500 Å) (typischerweise etwa 12,5 nm (125 Å)) dick. Obwohl 7 drei Quantentopf-Schichten und zwei Barriereschichten zeigt, enthalten andere Ausführungsformen entweder mehr oder weniger solche Quantentopf- und Barriereschichten. Bei anderen Ausführungsformen können die Quantentopf- und Barriereschichten beispielsweise aus Halbleitermaterialien gebildet werden, die GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN und Kombinationen davon enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind. Die Quantentopf-Schichten können auch Si-dotiert sein.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wirkung von in dem aktiven Gebiet einer Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnung durch piezoelektrisch und durch spontane Polarisation induzierte Ladungen in Kombination mit Heteroübergangsbandoffsets erzeugten Energiebarrieren durch Dotierung von Abschnitten des aktiven Gebietes mit Donator- und/oder Akzeptordotierstoffen verkleinert werden kann. Die Donator- und Akzeptordotierstoffe verschaffen stationäre positive bzw. negative Ladungen und reduzieren die an den Heterogrenzflächen vorhandenen Netto-Ladungen. Außerdem verschafft die Dotierung freie Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die sich an Heterogrenzflächen in dem aktiven Gebiet sammeln (zwischen Barrieren und Quantentöpfen beispielsweise) und die Breiten der piezoelektrischen Energiebarrieren verringern.
Bei einer Ausführungsform sind beispielsweise eine oder mehrere der GaN-Barriereschichten im aktiven Gebiet 44 bei einer Konzentration größer als etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3 gleichmäßig mit Silicium dotiert. Bei einigen Realisierungen sind Abschnitte der Barriereschichten mit Silicium bei einer Konzentration größer als etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 dotiert. Vorteilhafterweise wird hierdurch die Ansteuerspannung der LED 42 verringert. Mit Bezug auf 8 geben beispielsweise die Datenpunkte 76, 78, und 80 die bei einer Durchlassstromdichte von etwa 30 A/cm² für LEDs mit Silicium dotierten Barriereschichten gemäß der vorliegenden Erfindung erforderliche Durchlassansteuerspannung an. Die den Datenpunkten 76, 78, und 80 entsprechenden LEDs enthalten je drei Quantentöpfe und drei Barriereschichten (alle Barriereschichten mit Silicium dotiert) und eine GaN-Schicht vom n-Typ (beispielsweise in Gebiet 48 von 6) mit einer Dicke von etwa 2 μm und einer Siliciumkonzentration von etwa 10¹⁹ cm^–3.
Die Leistungsfähigkeit von Leuchtdioden mit n-GaN-Schichten (≈ 2 μm dick, Si-Konzentration ≈ 1 × 10¹⁹ cm^–3) und Si-dotierten Barriereschichten gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch in 14 gekennzeichnet, in der die Ansteuerspannung gegen die dominante Wellenlänge aufgetragen ist. Die Linien 94 und 96 geben die Leistungsfähigkeit solcher Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung bei Ansteuerstromdichten von etwa 30 A/cm² bzw. etwa 50 A/cm² an. Zum Vergleich gibt Linie 98 die Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Leuchtdioden bei einer Ansteuerstromdichte von etwa 30 A/cm² an. Die Ansteuerspannung für eine III-Nitrid-Leuchtdiode gemäß der vorliegenden Erfindung kann deutlich viel kleiner sein als die einer herkömmlichen III-Nitrid-Leuchtdiode, die bei etwa der gleichen dominanten Wellenlänge emittiert.
Die Barriereschichten können gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise gleichmäßig mit anderen Donatorverunreinigungen, wie z. B. Ge, S, Se, Te, Sn oder O in beispielsweise ähnlich hohen Konzentrationen dotiert sein. Solche anderen Donatorverunreinigungen können anstelle von oder zusätzlich zu Silicium verwendet werden. Die Barriereschichten können auch vorteilhafterweise mit Akzeptorverunreinigungen wie z. B. Mg, Zn, Ca, Cd, C und Be oder Kombinationen davon gleichmäßig dotiert sein.
Bei anderen Ausführungsformen ist eine oder sind mehrere der GaN-Barriereschichten räumlich nicht gleichmäßig mit Donator- und/oder Akzeptorverunreinigungen dotiert. Nicht gleichmäßige Dotierung einer Barriereschicht wird durch Verändern des Flusses des Dotierstoff-Präkursorgases (beispielsweise Silan) während des Aufwachsens der Barriereschicht erreicht.
Bei der in 9 veranschaulichten Ausführungsform sind beispielsweise die Barriereschichten nicht gleichmäßig mit Silicium dotiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Siliciumkonzentration in jeder Barriereschicht in einem vom Substrat abgewandten Abschnitt der Barriereschicht (der unter der Schicht 60 liegt) höher als im Rest der Barriereschicht. Insbesondere hat das Siliciumkonzentrationsprofil in jeder Barriereschicht eine Zacke an der Seite der Barriereschicht, die am weitesten vom Substrat entfernt liegt (der Hinterkante). Die Gebiete der Barriereschichten, in denen die Konzentrationszacken auftreten, haben Dicken von beispielsweise etwa 0,5 nm (5 Å) bis etwa 10 nm (100 Å), typischerweise etwa 2 nm (20 Å). Die Siliciumkonzentration in den Zackengebieten ist beispielsweise größer als etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3. Bei einigen Realisierungen ist die Siliciumkonzentrationen in den Zackengebieten größer als etwa 1 x 10¹⁹ cm^–3 ^. Die Siliciumkonzentration in den Barrieren außerhalb der Zackengebiete ist beispielsweise kleiner als etwa 5 × 10¹⁸ cm^–3.
Bei der in 10 veranschaulichten Ausführungsform ist die Siliciumkonzentration in jeder Barriereschicht in einem Abschnitt der Barriereschicht nahe dem Substrat höher als im Rest der Barriereschicht. Insbesondere hat das Siliciumkonzentrationsprofil in jeder Barriereschicht eine Zacke an der am nächsten beim Substrat liegenden Seite der Barriereschicht (der Vorderkante). Die Siliciumkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zackengebiete sind beispielsweise so, wie für die in 9 veranschaulichte Ausführungsform beschrieben.
Räumlich nicht gleichmäßige Dotierstoffkonzentrationen, die in einer Barriereschicht als Funktion des Abstandes in einer Richtung nahezu senkrecht zum Substrat variieren, werden hier als verlaufende Konzentrationsprofile bezeichnet. Zusätzlich zu den in den 9 und 10 dargestellten Konzentrationsprofilen enthalten verlaufende Konzentrationsprofile beispielsweise Konzentrationsprofile, die innerhalb einer Barriereschicht linear variieren und Konzentrationsprofile, die eine Zacke enthalten, die in einem zentralen Abschnitt einer Barriereschicht liegt.
11 zeigt herkömmlich berechnete Strom-Spannungs-(I/U-)Kennlinien für drei LEDs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Kurve 76 stellt die I/U-Kennlinie für eine LED dar, die Hinterkanten-Siliciumkonzentrationszacken von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in Barriereschichten enthält, die im Übrigen bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert sind. Kurve 78 stellt die I/U-Kennlinie für eine LED dar, die Vorderkanten-Siliciumkonzentrationszacken von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in Barriereschichten enthält, die im Übrigen bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert sind. Kurve 80 stellt die I/U-Kennlinie für eine LED dar, die gleichmäßig mit Silicium bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotierte Barriereschichten enthält. Die drei I/U-Kurven geben an, dass die Ansteuerspannung für die LEDs mit Siliciumkonzentrationszacken allgemein niedriger ist als die für die LED mit gleichmäßig mit Silicium dotierten Barriereschichten. LEDs mit gleichmäßig dotierten Barriereschichten haben eine niedrigere Ansteuerspannung als LEDs mit undotierten Barriereschichten.
12 zeigt die herkömmlich berechnete Leitungsbandkantenenergie als Funktion der Lage im aktiven Gebiet 44 für vier LEDs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Kurve 82 stellt die Leitungsbandkante für eine LED dar, die Hinterkanten-Siliciumkonzentrationszacken von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in Barriereschichten enthält, die im Übrigen bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert sind. Kurve 84 stellt die Leitungsbandkante für eine LED dar, die Vorderkanten-Siliciumkonzentrationszacken von etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in Barriereschichten enthält, die im Übrigen bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert sind. Kurve 86 stellt die Leitungsbandkante für eine LED dar, die gleichmäßig mit Silicium bei einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotierte Barriereschichten enthält. Kurve 88 stellt die Leitungsbandkante für eine LED dar, die keine Dotierung in den Barriereschichten aufweist. Die vier Leitungsbandkantenkurven veranschaulichen, dass das Biegen des Bandes in den aktiven Gebieten (teilweise infolge von spontaner Polarisation und piezoelektrischen Feldern) durch das Vorhandensein von Dotierungszacken verringert wird. Insbesondere Dotierungszacken an den Hinterkanten der Barriereschichten sind besonders effektiv bei der Kompensation der piezoelektrischen Felder.
Bei anderen Ausführungsformen ist eine oder sind mehrere der Barriereschichten nicht gleichmäßig mit einer Akzeptorverunreinigung dotiert, wie z. B. Mg, Zn, Ca, Cd, C, und Be oder Kombinationen davon. Die Konzentrationsprofile der Akzeptorverunreinigungen können beispielsweise ähnlich denen sein, die in 9 und 10 für Silicium gezeigt werden. Zu erwarten ist, dass die Wirkung einer Zacke in einer Akzeptorverunreinigungskonzentration an der Vorderkante einer Barriereschicht ähnlich der einer Zacke in einer Donatorverunreinigungskonzentration an der Hinterkante der Barriereschicht ist. Ebenso ist zu erwarten, dass die Wirkung einer Zacke in einer Akzeptorverunreinigungskonzentration an der Hinterkante einer Barriereschicht ähnlich der einer Zacke in einer Donatorverunreinigungskonzentration an der Vorderkante der Barriereschicht ist. Bei manchen Ausführungsformen sind Barriereschichten nicht gleichmäßig mit Donatorverunreinigungen und Akzeptorverunreinigungen dotiert.
Normalerweise wird erwartet, dass Barrierendotierung mit sowohl Akzeptorals auch Donatorverunreinigungen die Ansteuerspannung der LED erhöht. Im Fall einer III-Nitrid-LED bewirkt jedoch das Vorhandensein von piezoelektrischen Feldern in den Barriere- und Quantentopf-Schichten an den Grenzflächen zwischen den Barriere- und Quantentopf-Schichten eine Ansammlung von räumlich festen Flächen mit Ladungen mit positiven und negativen Vorzeichen. Weil die Ladung einer ironisierten Akzeptorverunreinigung negativ ist, wenn die Akzeptorverunreinigungen in Gebieten der Barriereschichten aufgenommen werden, die nahe den durch das piezoelektrische Feld induzierten festen negativen Flächenladungen liegen, kann dann die Ansteuerspannung der LED verringert werden. Diese Verringerung der Ansteuerspannung kann auftreten, wenn der Rest der Barriereschicht entweder räumlich gleichmäßig oder nicht gleichmäßig mit Donatorverunreinigungen dotiert ist. Diese Verringerung der Ansteuerspannung kann auch auftreten, wenn der Rest der Barriereschicht nicht mit irgendeiner Verunreinigung oder mit einer Kombination aus Donator- und Akzeptorverunreinigungen dotiert ist. Verbesserungen sind für LEDs beschrieben worden, die bei Stromdichten von 30–50 A/cm² arbeiten. Eine Verringerung der Durchlassspannung kann für LEDs, die bei Stromdichten größer oder gleich etwa 100 A/cm² arbeiten und für LDs sogar noch erheblicher sein.
Eine Dotierung von Barriereschichten auf räumlich gleichmäßige und räumlich nicht gleichmäßige Weise, wie oben beschrieben, ist auch bei Ausführungsformen vorteilhaft, die keine Fehlstellenreduzierungsstruktur und/oder hoch mit Silicium dotierte n-Schicht enthalten. Wieder mit Bezug auf 6 kann beispielsweise bei solchen Ausführungsformen das untere III-Nitrid-Gebiet 48 direkt auf der Nukleationsschicht 14 aufgewachsen werden.
Obwohl in den dargestellten Ausführungsformen die hoch mit Si dotierte III-Nitrid-Schicht vom n-Typ zwischen dem aktiven Gebiet und einem Substrat angeordnet ist, kann in anderen Ausführungsformen das aktive Gebiet zwischen einem Substrat und einer hoch mit Si dotierten III-Nitrid-Schicht vom n-Typ angeordnet sein.

Claims

Licht emittierende Anordnung mit: einem Substrat; einer auf dem genannten Substrat angeordneten Nukleationsschicht; einer über der genannten Nukleationsschicht angeordneten Fehlstellenreduzierungsstruktur und einer über der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur angeordneten III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ, welche n-Schicht eine Dicke hat, die größer oder gleich etwa einem Mikrometer ist, und eine Silicium-Dotierstoffkonzentration größer oder gleich etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3, wobei die genannte Fehlstellenreduzierungsstruktur eine Fehlstellenreduzierungsschicht umfasst, die eine Spiralversetzungsdichte in der genannten n-Schicht auf weniger als etwa 2 × 10⁹ cm^–2 reduziert.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat entweder Saphir, Siliciumcarbid oder Silicium umfasst.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die genannte Nukleationsschicht ein aus Gallium, Indium, Aluminium, Stickstoff und Kombinationen davon ausgewähltes Material umfasst.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat Saphir umfasst, die genannte n-Schicht GaN umfasst und die genannte Fehlstellenreduzierungsstruktur einen ”a”-Gitterparameter der genannten n-Schicht auf weniger als etwa 318,7 nm reduziert.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die genannte Fehlstellenreduzierungsstruktur eine III-Nitrid-Halbleiterschicht umfasst, auf der ein Silicium enthaltendes Material angeordnet ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die genannte Fehlstellenreduzierungsstruktur zumindest eine andere Nukleationsschicht umfasst.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die genannte n-Schicht direkt auf der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur aufgewachsen ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die genannte n-Schicht eine Dicke größer oder gleich etwa 2 Mikrometer hat.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die gleichmäßig mit einer Verunreinigung bei einer Konzentration größer oder gleich etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die mit einer Verunreinigung dotiert ist, die eine in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem genannten Substrat verlaufende Konzentration hat.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei die genannte Verunreinigung eine Donatorverunreinigung ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei die genannte Verunreinigung Silicium ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei die genannte Verunreinigung eine Donatorverunreinigung mit einer Konzentration größer als etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in einem von dem genannten Substrat abgewandten Gebiet der genannten Barriereschicht ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei die genannte Verunreinigung eine Akzeptorverunreinigung ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei die genannte Verunreinigung Mg ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 10, wobei das genannte aktive Gebiet zumindest eine Barriereschicht enthält, die mit einer Akzeptorverunreinigung dotiert ist, die eine in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem aktiven Gebiet verlaufende Konzentration hat, und zumindest eine Barriereschicht enthält, die mit einer Donatorverunreinigung dotiert ist, die eine in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem aktiven Gebiet verlaufende Konzentration hat.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die mit einer Verunreinigung dotiert ist, die eine verlaufende Konzentration hat, um zumindest teilweise eine Wirkung eines piezoelektrischen Feldes in dem genannten aktiven Gebiet aufzuheben.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die in einem von dem genannten Substrat abgewandten Gebiet der genannten Barriereschicht mit einer Donatorverunreinigung dotiert ist, die eine Konzentration größer oder gleich etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 hat.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die in einem dem genannten Substrat nahen Gebiet der genannten Barriereschicht mit einer Akzeptorverunreinigung dotiert ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem aktiven Gebiet, das zumindest eine Barriereschicht enthält, die in einem von dem genannten Substrat abgewandten Gebiet der genannten Barriereschicht mit einer Donatorverunreinigung dotiert ist, die eine Konzentration größer oder gleich etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 hat, und das zumindest eine Barriereschicht enthält, die in einem dem genannten Substrat nahen Gebiet der genannten Barriereschicht mit einer Akzeptorverunreinigung dotiert ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat ein Saphirsubstrat ist; die genannte Fehlstellenreduzierungsschicht eine III-Nitrid-Halbleiter-Fehlstellenreduzierungsschicht ist; und die III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ eine n-GaN-Schicht ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 21, wobei die genannte n-GaN-Schicht einen Gitterparameter hat, der kleiner ist als etwa 318,7 nm.
Verfahren zum Bilden einer Licht emittierenden Anordnung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Nukleationsschicht auf einem Substrat; Bilden einer Fehlstellenreduzierungsstruktur über der genannten Nukleationsschicht und Bilden einer III-Nitrid-Halbleiterschicht vom n-Typ über der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur, wobei die genannte n-Schicht eine Dicke hat, die größer oder gleich etwa einem Mikrometer ist, und eine Siliciumdotierstoffkonzentration größer oder gleich etwa 10¹⁹ cm^–3, wobei zur Bildung der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur eine Fehlstellenreduzierungsschicht gebildet wird, die eine Spiralversetzungsdichte in der genannten n-Schicht auf weniger als etwa 2 × 10⁹ cm^–2 reduziert.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Fehlstellenreduzierungsschicht aus NH₃, Trimethylgallium und H₂ enthaltenden Quellengasen gebildet wird, wobei ein Verhältnis eines Partialdrucks von NH₃ zu einem Partialdruck von Trimethylgallium etwa 200 bis etwa 1500 beträgt und ein Verhältnis eines Partialdrucks von NH₃ zu einem Partialdruck von H₂ etwa 0,05 bis etwa 0,35.
Verfahren nach Anspruch 23, das weiterhin das Abscheiden eines Silicium enthaltenden Materials auf einer III-Nitrid-Halbleiterschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, das weiterhin das Bilden zumindest einer anderen Nukleationsschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, das weiterhin das Aufrauen einer Aufwachsfläche der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die genannte n-Schicht direkt auf der genannten Fehlstellenreduzierungsstruktur aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die genannte n-Schicht in einem Reaktor für metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) mit unidirektionalem Fluss aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bilden eines aktiven III-Nitrid-Halbleitergebietes, das zumindest eine Barriereschicht enthält, welche Barriereschicht mit einer Verunreinigung dotiert ist, die eine in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem genannten Substrat verlaufende Konzentration hat.
Verfahren nach Anspruch 30, weiterhin mit einem Verlauf der genannten Konzentration der genannten Verunreinigung, um zumindest teilweise eine Wirkung eines piezoelektrischen Feldes in dem genannten aktiven Gebiet aufzuheben.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die genannte Verunreinigung eine Donatorverunreinigung ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die genannte Verunreinigung Silicium ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die genannte Verunreinigung eine Donatorverunreinigung mit einer Konzentration größer als etwa 1 × 10¹⁹ cm^–3 in einem von dem genannten Substrat abgewandten Gebiet der genannten Barriereschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die genannte Verunreinigung eine Akzeptorverunreinigung ist.