DE10208021A1 - Erhöhen der Helligkeit von Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen - Google Patents

Abstract

LEDs, bei denen Licht emittierendes aktives III-Nitrid-Gebiet verwendet wird, das auf einer Basisschicht über einem Substrat aufgebracht ist, weisen verbesserte optische Eigenschaften auf, wenn die Basisschicht auf einem absichtlich fehlausgerichteten Substrat mit einer Dicke größer als 3,5 mum aufgewachsen ist. Verbesserte Helligkeit, verbesserte Quantenausbeute und eine Verringerung des Stroms, bei dem maximale Quantenausbeute auftritt, gehören zu den verbesserten optischen Eigenschaften, die sich aus der Verwendung eines fehlausgerichteten Substrates und einer dicken Basisschicht ergeben. Zur Veranschaulichung werden Beispiele von Fehlausrichtungswinkeln im Bereich von 0,05 DEG bis 0,50 DEG und Basisschichten im Bereich von 6,5 bis 9,5 mum gegeben, obwohl größere Werte sowohl für den Fehlausrichtungswinkel als auch die Basisschichtdicke verwendet werden können. In machen Fällen liefert die Verwendung dickerer Basisschichten ausreichende Unterstützung der Struktur, um ein vollständiges Entfernen des Substrates von der Anordnung zuzulassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Erhöhen der Helligkeit von III-Nitrid- Leuchtdioden.

Leuchtdioden ("LEDs") stellen eine äußerst widerstandsfähige Halbleiter­ lichtquelle dar, die hohe Helligkeit erreichen kann und die zahlreiche Anwendungen hat, einschließlich unter anderem Displays, Illuminatoren, Anzeigen, Drucker und Leser für optische Platten. Halbleiter mit direkter Bandlücke sind die Materialien der Wahl für die Herstellung von LEDs, die Licht aus Elektrizität erzeugen. Eine wichtige Klasse Licht emittierender Systeme beruht auf Mischlegierungen von Atomen der Gruppe III (insbesondere In, Ga, Al) und Stickstoff N, typischerweise abgekürzt als "III-Nitride". Eine der Familien von III-Nitrid-Verbindungen hat die allgemeine Zusammensetzung (In_xGa_1-x)_yAl_1-yN, wobei 0 ≦ (x,y) ≦ 1. III-Nitride können Licht emittieren, das einen großen Teil des sichtbaren und des nahen ultravioletten elektromagnetischen Spektrums umspannt, einschließlich ultravioletter, blauer, grüner, gelber und roter Wellenlängen. Verbesserung der Helligkeit und anderer optischer Eigenschaften von LEDs ist ein wichtiges technologisches Ziel.

Ein Teil einer typischen LED-Struktur nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt. Andere Komponenten von LEDs wie in der Technik bekannt (Elektroden, Fenstermaterialien usw.) sind der Deutlichkeit halber weggelassen worden.

Eine LED hat typischerweise eine oder mehrere Schichten, die vor der Bildung des Licht emittierenden aktiven Gebietes epitaktisch auf einer Oberfläche eines Substrates aufgebracht worden sind. Diese Epitaxieschichten bilden eine "Basisschicht", die n-Leitfähigkeit haben kann. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Basisschicht mit einer GaN- Schicht unter einer n-GaN-Schicht.

Das Licht emittierende aktive Gebiet, in dem Strahlungskombination von Elektronen und Löchern auftritt, wird oben auf der Basisschicht gebildet, typischerweise in Form zumindest einer Quantum-Well, obwohl Einzel- und Doppelheterostrukturen und Homoübergänge auch verwendet werden können. Über dem aktiven Gebiet liegen p-leitende Injektions- und Confinementgebiete. Positive und negative Kontakte (in Fig. 1 weg­ gelassen) sind auch vorgesehen.

Es bleibt ein Bedarf an LEDs mit verbesserter optischer Leistungsfähigkeit einschließlich höherer LED-Helligkeit und höherer Quantenausbeute.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strukturen für Licht emittierende Anordnungen, insbesondere LEDs, bei denen ein auf einer n-leitenden Basisschicht aufgebrachtes Licht emittierendes aktives III-Nitrid-Gebiet verwendet wird. Das Substrat, auf dem die Basisschicht aufgewachsen ist, wird absichtlich fehlausgerichtet zu einer Haupt­ kristallebene geschnitten. Zusätzlich zu der absichtlichen Substratfehlausrichtung werden Basisschichten verwendet, die dicker sind als 3,5 µm. Bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefert das Vorhandensein einer dicken Basisschicht ausreichende mechanische Unterstützung für die Anordnung, sodass das Substrat vollständig von dem Licht emittierenden System entfernt werden kann, was die Leistungsfähigkeit der Anordnung weiter verbessert.

Für den illustrativen Fall von auf einem Saphirsubstrat fehlausgerichtet zur c- Achse aufgebrachten dicken Basisschichten werden Beispiele gegeben. Fehlausrichtungs­ winkel liegen im Bereich von 0,05° bis ungefähr 0,50°. Die vorliegende Erfindung nutzt auch Basisschichten, die dicker sind als 3,5 µm, vorzugsweise im Bereich von 7 µm - 10 µm. Die Kombination von auf den fehlausgerichteten Substraten aufgewachsenen Basisschichten < 3,5 µm führt zu überraschend verbesserter Lichtemission.

Die Zeichnung hier ist nicht maßstabsgetreu.

Fig. 1 schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnittes einer geschichteten LED-Struktur nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 schematische Darstellung einer Saphir-Einheitszelle.

Fig. 3a und 3b relative Lichtausbeute für auf fehlorientierten c-Ebenen- Saphirsubstraten mit Fehlorientierungswinkeln von 0,3° und 0,5° aufgewachsene LEDs. Daten werden für LED-Strukturen mit Basisschichten, die den Verspannungszustand A (a) und B (b) haben, gezeigt.

Fig. 4 schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnittes einer geschichteten LED-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnittes einer geschichteten LED-Struktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 Helligkeit als Funktion der vorherrschenden Wellenlänge für LEDs mit dünnen (3,5 µm) und dicken (6,5 µm), achsennah (Kippwinkel kleiner als 0,05°) und achsenfern (Kippwinkel im Bereich von etwa 0,20° bis etwa 0,40°) aufgewachsenen Basisschichten.

Fig. 7 relative Lichtausbeute als Funktion des Durchlassstroms für die in Fig. 5 dargestellte, achsennah (0,03°) und achsenfern (0,39°) aufgewachsene LED mit dicker Basisschicht (6,5 µm).

Fig. 8 Helligkeit als Funktion der vorherrschenden Wellenlänge für vier Experimente mit gleicher, mit einer dicken Basisschicht (6,5 µm) auf Substraten mit und ohne Fehlausrichtung aufgewachsener Anordnungsstruktur.

Fig. 9 Display-Anordnung, die die LEDs mit hoher Helligkeit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Epitaxieschichtdicke und Kristallorientierung für Leuchtdioden ("LEDs") und insbesondere auf die Substratorientierung und die Basisschichtdicke zwischen dem Substrat und dem Licht emittierenden aktiven Gebiet, die zu verbesserten Licht emittierenden Eigenschaften führen. Die Basisschicht ist die Schicht oder sind die Schichten zwischen dem Substrat und dem aktiven Gebiet, einschließlich Schichten nahe dem Substrat, wie z. B. Puffer- oder Nukleationsschichten und Schichten nahe dem aktiven Gebiet, wie z. B. Übergangsschichten. Spezielle Beispiele sind im Zusammenhang mit LEDs enthalten, die auf einem Licht emittierenden aktiven Doppelheterostruktur-Multi-Quantum-Well-Gebiet beruhen, das aus Indium-Galliumnitrid (InGaN) besteht, welches auf einer n-leitenden Basisschicht auf einem Saphirsubstrat aufgebracht ist. Diese Beispiele dienen nur der Erläuterung. Die vorliegende Erfindung ist auf Homoübergänge, auf Einzel- und Doppelheterostrukturen und auf Einzel- oder Multi-Quantum-Well-Ausführungsformen anwendbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Substrat absichtlich fehlausgerichtet zu einer Hauptkristallebene geschnitten und auf den fehlausgerichteten Substraten sind dicke Basisschichten aufgewachsen. Höhere Helligkeit und verbesserter Wirkungsgrad gehören zu den Verbesserungen, die in verschiedenen Ausführungsformen mit achsenfernem Aufwachsen einer dicken Basisschicht aufgezeigt werden. Eine Ausführungs­ form ist das Aufwachsen einer dicken n-GaN-Basisschicht auf einem achsenfernen Saphirsubstrat.

Substratorientierung und Basisschichten

Die Substrate, auf denen LEDs hergestellt werden können, enthalten unter anderem Saphir, SiC, GaN, GaAs, und GaP. Beispiele sind für den speziellen Fall des Aufwachsens einer fehlausgerichteten Basisschicht auf einem Saphirsubstrat enthalten. Saphir wird hier jedoch als illustratives Beispiel beschrieben und ist nicht als Einschränkung der verschiedenen Ausführungsformen gemeint.

Saphir, oder αAl₂O₃, hat eine hexagonale Struktur, die zu der Raumgruppe R3c gehört. Die Grundstruktur besteht aus hexagonal dichtgepackten Ebenen aus Sauerstoff mit dazwischen liegenden Ebenen aus Aluminumatomen. Fig. 2 zeigt die Struktur einer Einheitszelle des Saphirkristalls und die üblicherweise mit a, c, m und r bezeichneten Ebenen. Die {0001}-Ebene wird als "c-Ebene" bezeichnet und die "c-Achse" steht senkrecht zur c-Ebene. Saphir und III-Nitride haben jedoch eine große Gitterfehlanpassung. Um III- Nitrid-Schichten oben auf Saphirsubstraten aufzubringen, muss erst eine dünne III-Nitrid- Nukleationsschicht, auch Pufferschicht genannt, aufgebracht werden. Dann kann der Rest der Basisschicht aufgebracht werden. Die Basisschicht sorgt für den Trägertransport zu der Licht emittierenden Schicht. Die Basisschicht umfasst typischerweise ein oder mehrere III-Nitrid- Materialien (undotiert, n-Typ oder p-Typ).

Wir betrachten das Beispiel einer n-dotierten GaN-Basisschicht, die dotierte, mäßig dotierte, undotierte und/oder unabsichtlich dotierte GaN-Teilschichten enthält, wobei wir uns bewusst sind, dass auch andere Materialien für die Basisschicht verwendet werden können. Es kann auch eine Basisschicht mit einer verlaufenden Dotierung verwendet werden. Das Dotierungsniveau der Basisschicht kann in Richtung zum Substrat niedriger sein und in Richtung zum aktiven Gebiet höher, obwohl das Gebiet nahe dem aktiven Gebiet oder dem Substrat diesem Dotierungsverlauf nicht zu folgen braucht. Typische Prozesse zum Aufbringen von n-Basisschichten, Herstellen des aktiven MQW-Gebietes und Aufbringen von p-Schichten werden in mehreren Standardbezugsschriften beschrieben, einschließlich Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes, Hrsg. S. Nakamura und S. F. Chichibu, (Taylor & Francis, 2000) und "InGaN Light emitting Diodes with Quantum-Well Structures" von S. Nakamura, erscheinend in Materials Research Society Symposium Proceedings, Bd. 395, Gallium Nitride and Related Materials, Hrsg. F. A. Ponce, R. D. Dupuis, S. Nakamura, J. A. Edmond (Materials Research Society, 1996), S. 879-887.

Herkömmlicher Herstellungstechniken für LEDs beinhalten das Aufwachsen einer oder mehrerer Schichten, die gemeinsam eine Basisschicht umfassen und einen Übergang vom Substrat zum aktiven Gebiet liefern. Bei LEDs nach dem Stand der Technik, die ein Saphirsubstrat verwenden, werden Basisschichten herkömmlicherweise auf dem Saphirsubstrat entlang der c-Achse aufgewachsen, typischerweise "achsennahes" oder "ausgerichtetes" Aufwachsen genannt. "Achsennah" hebt hervor, dass der Saphirkristall möglichst genau entlang der kristallographischen c-Ebene (oder einer anderen Haupt­ kristallebene) geschnitten ist und die Basisschicht nahezu senkrecht zur c-Achse aufgewachsen ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist das Saphirsubstrat (oder ein anderes Substrat), auf dem die Basisschicht aufgewachsen ist, nicht genau senkrecht zur in Fig. 2 dargestellten c-Achse (oder einer anderen kristallographischen Hauptachse) geschnitten, sondern es ist mit einer geringen Abweichung von der Senkrechten geneigt. Die Substratoberfläche, auf der die Basisschicht gemäß dieser Ausführungsformen aufgebracht wird, liegt somit nicht genau in der in Fig. 2 dargestellten c-Ebene. Wir verwenden "Fehlausrichtung" oder "Kippwinkel", um den Winkel zwischen der Normalen zur Aufwachsebene und der c-Achse anzugeben. Fehlausgerichtetes, achsenfernes Aufwachsen gibt somit das Aufwachsen einer Basisschicht auf einer Substratoberfläche an, die zu einer solchen Hauptkristallebene fehlausgerichtet ist.

Die Richtung der Fehlausrichtung in Bezug auf eine angegebene kristallographische Achse kann auch spezifiziert werden. Für die hier betrachteten Beispiele für das Aufwachsen auf einem Saphirsubstrat ist es bequem, die Richtung der Fehlaus­ richtung der c-Achse zur m-Ebene als "m-Ebenenkippung " oder zu der a-Ebene als "a- Ebenenkippung" anzudeuten. Achsenferne Aufwachsebenen können jedoch eine beliebige Orientierung haben, nicht beschränkt rein auf m-Ebenen- oder rein auf a-Ebenenkippungen. Achsenfernes Aufwachsen kann für andere Substrate in vollkommen analoger Weise anhand der Richtung der Fehlausrichtung in Bezug auf eine kristallographische Hauptachse definiert werden.

Experimente lassen darauf schließen, dass sich die optische Leistungsfähigkeit verbessert, wenn Kippwinkel größer als etwa 0,05° in Kombination mit dicken Basis­ schichten verwendet werden. Im Allgemeinen zeigt sich, dass Aufwachsen einer dicken Basisschicht auf einem Substrat mit einer Fehlausrichtung von mehr als 0,05° die LED- Helligkeit und andere optische Eigenschaften ohne deutliche Obergrenze für den Fehlaus­ richtungswinkel verbessert. Es ist möglich, dass der Kippwinkel, der LEDs mit verbesserter Helligkeit ergibt, vom Verspannungszustand der III-Nitrid Basisschichten abhängt. Verspannung bezeichnet die Abweichung der Gitterkonstanten einer Epitaxieschicht in Bezug auf den Volumenkristall. Auf c-Ebene-Saphirsubstraten aufgewachsene III-Nitrid- Schichten sind im Allgemeinen "in Kompression" (die laterale Gitterkonstante ist kleiner als für einen Volumenkristall). Das Einbringen von Si in einen III-Nitridkristall kann jedoch den Grad der Kompression verringern und bei hohen Dotierungsniveaus dafür sorgen, dass der Kristall "in Dehnung" ist (die laterale Gitterkonstante ist größer als für einen Volumen­ kristall). In Fig. 3 wird die relative Lichtausbeute für LEDs gezeigt, die einen Verspannungszustand "A" und einen Verspannungszustand "B" haben (3a bzw. 3b). Während für den Verspannungszustand "A" ein Fehlausrichtungswinkel von 0,3° günstig ist, ergibt für den Verspannungszustand "B" ein Fehlausrichtungswinkel von 0,5° verbesserte Helligkeit. Verspannungszustand "B" gibt mehr Dehnung in Bezug auf den Verspannungs­ zustand "A" an und wurde mit höherer Si-Dotierung erhalten. Erwartet wird, dass für noch höhere Si-Dotierungskonzentration und oder dickere Basisschichten Kippwinkel < 0,5° günstig sein können und für einen Kippwinkel von 1° ist verbesserte Helligkeit beobachtet worden.

Bei bestimmten Aufwachsbedingungen für ein gitterfehlangepasstes Substrat kann die aufgewachsene Schicht reißen. Die Reißgrenze ist die maximale Dicke, mit der die Schicht (einer speziellen Dotierung) ohne signifikantes Reißen aufgewachsen werden kann, sodass die Leistungsfähigkeit der Anordnung nicht negativ beeinflusst wird. Es kann eine Wechselwirkung zwischen Dotierung und Dicke geben, je schwächer die Dotierung, desto dicker kann die Schicht aufgewachsen werden, bevor sie reißt.

Es sind m-Ebenen-, a-Ebenen und Zwischenrichtungskippungen von der c- Ebene aus in Bezug auf Basisschichtaufwachsen auf Saphir untersucht worden. Es wurde keine signifikante Änderung der optischen Leistungsfähigkeit bei Änderung der Kipprichtung im Verhältnis zur Genauigkeit der hier wiedergegeben Messungen beobachtet. Die meisten hier angegebenen Kippwinkel sind m-Ebenenkippungen von der c-Ebene aus. Kippwinkel kleiner als 0,05° unterscheiden sich nicht wesentlich von achsennah. Somit wird hier "achsennah" verwendet, um Kippwinkel von 0° bis 0,05° in jeder beliebigen Richtung anzudeuten.

Bei der Herstellung von Licht emittierenden Anordnungen auf einem Substrat wird eine Basisschicht, die eine oder mehrere Teilschichten umfasst, typischerweise auf dem Substrat als Übergangsgebiet zwischen dem Substrat und dem Licht emittierenden aktiven Gebiet aufgewachsen. Typischerweise wird metallorganisches Abscheiden aus der Gasphase (MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) verwendet, um die die Basisschicht umfassenden Teilschichten aufzuwachsen, obwohl auch andere Depositionstechniken verwendet werden können und diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Um bei unserer Diskussion konkret zu sein, beschreiben wir das spezielle Beispiel des Aufwachsens einer Basisschicht auf ein Saphirsubstrat, wobei andere Substrate, wie z. B. unter anderem SiC, GaN, GaAs, und GaP, nicht ausgeschlossen werden sollen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Querschnittes eines Abschnittes einer LED-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst eine Basisschicht von AlInGaN, die über einem achsenfernen Substrat bis auf eine Dicke größer als etwa 3,5 µm aufgewachsen worden ist. Die erste Schicht oder das erste Gebiet der Basisschicht ist typischerweise eine Pufferschicht oder Nukleations­ schicht (nicht abgebildet). Die letzte Schicht oder das letzte Gebiet der Basisschicht kann eine Übergangsschicht sein (nicht abgebildet), die einen Übergang zwischen der vorherigen aufgewachsenen Basisschicht und dem aktiven Gebiet verschafft. Ein aktives Gebiet zum Emittieren von Licht wird über der Basisschicht aufgewachsen. Das aktive Gebiet kann ein Homoübergang, eine Einzel- oder eine Doppelheterostruktur sein oder eine Einzel- oder Multi-Quantum-Well-Struktur. Eine AlInGaN-Confinementschicht ist über dem aktiven Gebiet aufgewachsen. Die AlInGaN-Schichten können eine beliebige Zusammensetzung von AlInGaN sein, einschließlich GaN, AlGaN, und InGaN, und können n-leitend, p-leitend, undotiert sein oder ein verlaufendes Dotierungsprofil haben. Die beiden AlInGaN-Schichten können voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Die AlInGaN-Basisschicht kann ein verlaufendes Dotierungsniveau haben, das allgemein in Richtung zum Substrat abnimmt und in Richtung zum aktiven Gebiet zunimmt, obwohl, wie bereits erwähnt, andere Gebiete oder Schichten nahe dem Substrat oder nahe dem aktiven Gebiet diesem Dotierungsverlauf nicht zu folgen brauchen. Die AlInGaN-Basisschicht kann aus Teilschichten zusammengesetzt sein, die eine Teilschicht enthalten, die näher bei dem Substrat liegt, und eine Teilschicht, die näher bei dem aktiven Gebiet liegt, sodass die Teilschicht näher beim aktiven Gebiet stärker dotiert ist als die Teilschicht näher beim Substrat. Die Teilschicht näher beim aktiven Gebiet kann stärker n- oder p-dotiert sein als die Teilschicht näher beim Substrat. Beispiele für Teilschichtdotierungen schließen ein: eine Teilschicht näher beim aktiven Gebiet, die stärker n-dotiert ist als eine n-Teilschicht näher beim Substrat; eine Teilschicht näher beim aktiven Gebiet, die stärker p-dotiert ist als eine p- Teilschicht näher beim Substrat; eine Teilschicht näher beim aktiven Gebiet, die stärker p­ dotiert ist als eine n-Teilschicht näher beim Substrat sowie eine Teilschicht näher beim aktiven Gebiet, die stärker n-dotiert ist als eine p-Teilschicht näher beim Substrat. p- Basisschichten zwischen dem Substrat und dem aktiven Gebiet können beispielsweise in Tunnelübergangsanordnungen und in n-Aufwärtsanordnungen auftreten, die ein elektrisches Feld mit entgegengesetzter Polarität haben gegenüber den üblicheren p-Aufwärtsanordnun­ gen. All diese Anordnungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten.

Fig. 5, die eine der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt, ist eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Abschnittes einer LED-Anordnung, die ein Saphirsubstrat 1 und die Basisschicht 3 zwischen dem Substrat und dem Licht emittierenden, aktiven Gebiet 5 zeigt; eine Basisschicht 2 aus n-GaN, die eine Teilschicht der Basisschicht 3 umfasst, die auf einer Pufferschicht (nicht abgebildet) auf einem Saphir­ substrat 1 fehlausgerichtet zu einer Hauptkristallebene aufgebracht ist. Das Aufwachsen der Pufferschicht aus Nitrid auf Saphir (achsennah oder achsenfern) wird wegen der Gitterfehl­ anpassung als nicht genau epitakisch angesehen. Die Anfangsstadien des Aufwachsens von Nitrid auf Saphir scheinen eher durch Festkörperkristallisation aus einer amorphen Phase von GaN, wie sie auf dem Saphir aufgebracht worden ist, zu erfolgen. Nachfolgende Basis­ schichten werden epitaktisch auf der Pufferschicht aufgebracht. Bei einer weiter unten beschriebenen Ausführungsform sind die Basisschichten n-GaN. Wenn keine speziellen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, neigt aufgebrachtes GaN dazu, n-leitend zu sein. Das heißt, wenn GaN ohne Einbringen spezieller Dotierstoffe aufgebracht wird, ergibt sich typischerweise n-Material. Diese "unabsichtliche" n-Dotierung kann zum Einbauen von n- Fremdatomen (beispielsweise Silicium und Sauerstoff) aus Hintergrundgasen in das GaN führen. n-dotiertes GaN kann jedoch auch als Basisteilschicht 2 verwendet werden, in der mäßige Mengen an Dotierstoffen speziell in das GaN eingebracht worden sind. Spezielles Einbringen von mäßigen Dotierstoffmengen können zu einer besser beherrschten, reprodu­ zierbaren LED-Struktur führen als unabsichtliche Dotierung. Bei den hier vorgelegten Beispielen ist die Teilschicht 2 unabsichtlich n-dotiert.

In der Praxis haben Dotierungsniveaus eine Auswirkung auf die Dicke, bis zu der die Teilschicht 2 aufgewachsen werden kann, bevor die Reißgrenze erreicht ist. Wir verwenden den Begriff "schwach dotiertes GaN", um eine GaN-Schicht anzudeuten, die unabsichtlich oder gemäßigt dotiert ist, mit einem genügend niedrigen Dotierungsniveau, typischerweise kleiner als etwa 5 × 10¹⁸ Dotieratome pro Kubikzentimeter. Das Verwenden einer schwach dotierten Teilschicht erlaubt es, die Basisschicht bis zu der gewünschten Dicke aufzuwachsen, ohne die Reißgrenze zu erreichen. Wenn "schwach dotiert" auf ein anderes Material als auf für die Teilschicht 2 verwendetes GaN angewendet wird, bezeichnet dies ebenso Dotierungsniveaus, die das Aufwachsen bis zu der gewünschten Dicke erlauben, bevor das Reißniveau erreicht ist. Bei einer Ausführungsform ist die schwach dotierte GaN- Teilschicht 2 4,5 µm dick.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Teilschicht 4 des n-dotierten GaN über der schwach dotierten GaN-Teilschicht 2 aufgewachsen. Bei dieser Ausführungsform ist die n-dotierte GaN-Teilschicht 4 2 µm dick. Das n-GaN der Teilschicht 4 ist typischerweise bis zu einer Konzentration im Bereich von ungefähr 10¹⁸-10²⁰ Dotieratome pro Kubik­ zentimeter dotiert. Bei dieser Ausführungsform hat das n-dotierte GaN der Teilschicht 4 eine Dotierstoffkonzentration der Größenordnung von ungefähr 10¹⁹ Dotieratome pro Kubik­ zentimeter. Bei den hier vorgelegten Beispielen wird ein Si-Dotierstoff verwendet, aber dies ist keine Einschränkung des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung. Si, Ge, Sn, O gehören zu den Dotieratomen, die für die n-Dotierung der III-Nitride verwendet wurden. p- Dotierstoffe schließen Mg, Zn, Be, C und Cd ein. Eine andere Schicht, andere Schichten oder Gebiete der Basisschicht 3 können dem aktiven Gebiet 5 vorangehen. Diese Übergangs­ schicht oder dieses Übergangsgebiet (nicht abgebildet) ist Teil der Basisschicht 3 und kann schwach dotiert sein und dient als Übergang zwischen dem vorherigen Teil der Basisschicht und dem aktiven Gebiet 5.

Über der Basisschicht 3 liegt das aktive, Licht emittierende Gebiet 5; in manchen Ausführungsformen eine Multi-Quantum-Well ("MQW"), die mehrere Quantum- Well-Schichten umfasst, die durch Barriereschichten aus Material mit höherer Bandlücke getrennt sind. Für InGaN-Quantum-Wells enthalten typische Barriereschichten InGaN, GaN, AlGaN und AlInGaN mit höherer Bandlücke. Obwohl die vorliegende Erfindung für InGaN- MQWs auf einem Saphirsubstrat mit n-GaN-Puffergebieten beschrieben worden ist, beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht von Natur aus auf diese LED-Struktur. Schichten mit p-Leitung, die als "Confinement-Schichten" und "Injektions­ schichten" bekannt sind, liegen gegenüber dem aus der n-Basisschicht gebildeten aktiven Gebiet, in Fig. 5 als 6 dargestellt. Typische Materialien, Abmessungen und Dotierstoff­ konzentrationen für die p-Schichten sind in der Technik bekannt und werden in den vorstehend zitierten Bezugsschriften angegeben und können beispielsweise 100-1000 Å p-Al_xGa_1-xN (0 < x < 0,25), gefolgt durch 100-3000 Å p-GaN sein. Über dem p-GaN kann eine stärker dotierte p-Schicht gebildet werden, um einen guten ohmschen Kontakt der p- Elektrode zu garantieren.

Bei typischen LEDs nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Basisschichten auf achsennahen Substraten mit einer Gesamtdicke von weniger als 3,5 µm aufgewachsen. Für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 5, dass die Basisschicht 3, die auf achsenfernen Substraten aufgewachsen ist, dicker ist als die von Fig. 1. Das heißt, dass die vorliegende Erfindung Basisschichten 3 mit einer Dicke größer als etwa 3,5 µm verwendet, aufgewachsen auf achsenfernen Substraten. Eine bevorzugte Dicke der Basisschicht 3 liegt zwischen ungefähr 6,5 und ungefähr 9,5 µm, aufgewachsen auf achsenfernen Substraten. Verbesserte Helligkeit ist ein günstiges Ergebnis bei der Verwendung dicker Basisschichten 3 in Kombination mit achsenfernem epitaktischen Aufwachsen. Der Kürze halber sprechen wird von "dünnen" und "dicken" Basisschichten, um die allgemeinen Bereiche unter 3,5 µm für "dünn" und über 3,5 µm für "dick" anzudeuten.

Die hier gegebenen Beispiele halten die n-GaN-Schicht 4 auf einer Dicke von etwa 2 µm und lassen die Basisschicht 3 dicker werden, indem sie die schwach dotierte GaN- Schicht 2 dicker werden lassen. Dies dient nur der Erläuterung und das hier beschriebene Dickerwerden der Basisschicht kann durch Verdickung beliebiger oder einer beliebigen Kombination von Teilschichten erreicht werden, die die Basisschicht umfassen.

Obwohl auf achsenfernen Substraten aufgewachsene Basisschichten 3, die dicker als etwa 3,5 µm sind und, vorteilhafterweise, im Bereich von ungefähr 6,5 µm bis etwa 9,5 µm liegen, in der Praxis der vorliegenden Erfindung zu angemessenen Ergebnissen führen, sind auch beträchtlich dickere Schichten bis zu ungefähr 200 µm, achsenfern aufgewachsen, möglich. Die Helligkeit nimmt mit zunehmender Dicke der achsenfern aufgewachsenen Basisschicht zu und die vorliegende Erfindung hat keine Obergrenze hinsichtlich der Dicke. Jedoch neigt die vergrößerte Dicke der gesamten LED-Struktur dazu, die Komplexität der Fertigung zu vergrößern, beispielsweise hinsichtlich Durchsatz und Vereinzelung der Anordnungen.

Substratentfernung

Die primäre Funktion des Substrats ist, einen Untergrund zu liefern, auf dem die unterschiedlichen Schichten der vollständigen Licht emittierenden Anordnung hergestellt werden können. Das Substrat verschafft so mechanische Stärke und Stabilität während der Herstellung und des Betriebs. Beim Betrieb der Licht emittierenden Anordnung können jedoch die optischen Eigenschaften des Substrats die effektive Lichtentnahme (neben anderen Eigenschaften) beeinträchtigen und so die Leistungsfähigkeit der Anordnung behindern. Die hier verwendeten dicken Basisschichten liefern in manchen Fällen ausreichende mechanische Stabilität, um eine Trennung des Substrats vom Rest der Anordnung nach der Herstellung der dicken Basisschichten zuzulassen.

Beispiele

In mehreren Beispielen werden Helligkeit und andere optische Eigenschaften der LED für unterschiedliche achsenferne Kippwinkel und für unterschiedliche Dicken von n-Basisschichten verglichen. Die Daten beziehen sich auf InGaN-MQW-LEDs, wie allgemein in Fig. 5 dargestellt.

Mehrere Chargen von LEDs wurden mit verschiedenen vorherrschenden Emissionswellenlängen hergestellt. Fig. 6 zeigt die LED-Helligkeit in Lumen als Funktion dieser vorherrschenden Wellenlänge für LEDs mit dünnen und dicken Basisschichten. In Fig. 6 sind "dünne" Basisschichten etwa 3,5 µm dick, während "dicke" Basisschichten etwa 6,5 µm dick sind. Überraschenderweise übersteigt die bei Verwendung dicker und achsenferner Basisschichten in Kombination erhaltene verbesserte Lichtemission deutlich die Summe der Einzelverbesserungen jedes Effekts für sich betrachtet. Beispielsweise für ungefähr 510 nm stellt Fig. 6 die von dünn achsennah bis dick achsennah erhaltene Verbesserung als Segment 100 dar. Die von dünn achsennah bis dünn achsenfern erhaltene Verbesserung ist als 100 + 101 dargestellt. Die durch die Kombination von dicken und achsenfernen Basisschichten erhaltene Verbesserung ist 100 + 101 + 102, was deutlich die Summe der Beiträge dicker und achsenferner Effekte, getrennt betrachtet, übersteigt (100 + 101 + 100 = Lichtstromniveau 200). Somit bewirkt die Kombination einer dicken Basisschicht zusammen mit dem Aufwachsen auf einem achsenfernen Substrat eine Verbesserung bei der Lichtemission, die unerwarterterweise und deutlich die Summe ihrer einzelnen Teile überschreitet.

Fig. 7 zeigt den relativen Wirkungsgrad beim Erzeugen von Licht als Funktion des Durchlassstroms, der die LED ansteuert. Die Daten sind hinsichtlich des absoluten Lichtstroms (Lumen) nicht kalibriert, sondern vergleichen eher den LED- Ansteuerungsstrom mit Strom, der von dem speziellen Photodetektor generiert wird, der zum Messen des gesamten emittierten Lichtes verwendet wird. So können aus Fig. 7 relative Änderungen der Lichtausbeute von Datenpunkt zu Datenpunkt und von Kurve zu Kurve entnommen werden.

Die Daten von Fig. 7 beziehen sich auf dicke Basisschichten, wie in Fig. 5 allgemein dargestellt (Schicht 3 ungefähr 6,5 µm), für zwei Winkel der Fehlorientierung von der c-Achse zur m-Ebene. Die obere Kurve ist an einer auf einem Substrat mit einem Fehlausrichtungswinkel von ungefähr 0,39° und einer Basisschichtdicke von etwa 6,5 µm aufgewachsenen Anordnung gemessen worden. Die untere Kurve ist an einer auf einem achsennahen Substrat mit einer Basisschichtdicke von etwa 6,5 µm aufgewachsenen Anordnung gemessen worden. Wir sehen in Fig. 7, dass für die beiden Anordnungen, die beide dicke Basisschichten von vergleichbarer Dicke haben, die achsenferne Deposition ein höheres Maximum in der Wirkungsgradkurve hat als die achsennahe Deposition. Zusätzlich ist zu sehen, dass achsenferne Deposition bei einer niedrigeren Stromstärke maximal wird als achsennahe Deposition, 7,9 Milliampere (mA) im Vergleich zu 12,6 mA.

Das Erreichen eines höheren Wirkungsgrades für achsenferne Deposition, wie in Fig. 7 dargestellt, ist sicherlich vorzuziehen, da es viel hellere LEDs bei gleichem Strom ergibt. Das Erreichen eines maximalen Wirkungsgrades bei einer niedrigeren Stromstärke ist jedoch auch Anzeichen einer günstigeren LED-Struktur. Die Lichtausbeute wird zum Teil durch Elektron-Loch-Strahlungsrekombination und strahlungslose Verlustmechanismen bestimmt. Strahlungslose Verluste neigen dazu, die Leistungsfähigkeit der LED bei niedrigeren Strömen zu dominieren. Höhere Ströme neigen dazu, Sättigung der strahlungs­ losen Verluste zu bewirken, was zu einer erhöhten Lichtausbeute bei höheren Strömen führt. Somit ist ein Spitzenwirkungsgrad bei niedrigerem Strom ein Anzeichen für weniger strahlungslose Verlustmechanismen und deutet weniger Defekte und insgesamt ein besseres LED-Material an.

Fig. 8 stellt vier Experimente dar, bei denen achsennahe und achsenferne Saphirsubstrate in den gleichen Reaktor geladen und LEDs unter im Übrigen gleichen Bedingungen hergestellt wurden. Bei allen in Fig. 8 dargestellten Experimenten wurden dicke Basisschichten, ungefähr 6,5 µm dick, verwendet. Somit erlaubt Fig. 8 einen deutlichen Vergleich der Auswirkung von gekippten gegenüber ungekippten Substraten auf die Lichtemission für dicke Basisschichten gemäß der vorliegenden Erfindung, unter Beseitigung der Auswirkungen anderer von Experiment zu Experiment auftretender Änderungen. Fig. 8 stellt deutlich die verbesserte Helligkeit dar, die sich aus dem Aufwachsen dicker Basisschichten auf gekippten Substraten ergibt.

Die gemäß der Erfindung gebildeten resultierenden LEDs mit hoher Helligkeit sind besonders für Farbdisplayschirme geeignet, die rote, grüne, und blaue LEDs als Pixelelemente verwenden. Derartige Displays sind wohlbekannt und werden in Fig. 9 dargestellt. Ein Displayschirm 300 hat eine Matrix aus roten, grünen bzw. blauen LEDs, die mittels wohlbekannter Elektronik selektiv beleuchtet werden, um ein Bild wiederzugeben. In Fig. 9 werden der Einfachheit halber nur drei Pixel gezeigt. Bei einer Ausführungsform ist jede Primärfarbe in Spalten angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen sind die Primär­ farben in anderen Mustern angeordnet, wie z. B. Dreiecken. Die LEDs mit hoher Helligkeit können auch zur Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Displays verwendet werden.

Nachdem die Erfindung im Detail beschrieben worden ist, wird dem Fachkundigen bewusst sein, dass, nach Einsicht der vorliegenden Offenbarung, Abwandlungen auf die Erfindung angewendet werden können, ohne vom Wesen des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Konzeptes abzuweichen. Daher ist nicht gemeint, dass der Rahmen der Erfindung auf die dargestellten und beschriebenen speziellen und bevorzugten Ausführungsformen beschränkt werden soll.

Claims (26)

1. Licht emittierende Struktur mit:
einer Licht emittierenden Anordnung mit:
einer Basisschicht, die eine etwa 3,5 Mikrometer übersteigende Dicke hat und über einem Substrat mit einer unter einem Winkel von zumindest 0,05° zu einer Hauptkristallebene des Substrats fehlausgerichteten oberen Fläche gebildet ist; und
einem über der Basisschicht gebildeten Licht emittierenden III-Nitrid-Gebiet.

2. Struktur nach Anspruch 1, wobei der genannte Fehlausrichtungswinkel im Bereich von 0,05° bis 10° liegt.

3. Struktur nach Anspruch 1, wobei der genannte Fehlausrichtungswinkel im Bereich von 0,05° bis 5° liegt.

4. Struktur nach Anspruch 1, wobei der genannte Fehlausrichtungswinkel im Bereich von 0,05° bis 1° liegt.

5. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke zwischen etwa 3,5 Mikrometer und etwa 200 Mikrometer liegt.

6. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke zwischen etwa 3,5 Mikrometer und etwa 20 Mikrometer liegt.

7. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke zwischen etwa 3,5 Mikrometer und etwa 10 Mikrometer liegt.

8. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke zwischen etwa 3,5 Mikrometer und etwa 7 Mikrometer liegt.

9. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke zwischen etwa 3,5 Mikrometer und der Reißgrenze liegt.

10. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Dicke ausreicht, um die genannte Licht emittierende Anordnung beim Entfernen des genannten Substrates zu tragen.

11. Struktur nach Anspruch 10, wobei das Substrat entfernt ist.

12. Struktur nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat aus der aus Saphir, Siliciumcarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid und Galliumphosphid bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

13. Struktur nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat Saphir ist und die genannte Hauptkristallebene die c-Ebene ist.

14. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht ein Dotierungsniveau hat, das in Richtung zu dem Licht emittierenden Gebiet zunimmt.

15. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht ein Dotierungsniveau hat, das in Richtung zu dem Licht emittierenden Gebiet abnimmt.

16. Struktur nach Anspruch 1, wobei die genannte Basisschicht eine Vielzahl von Teilschichten umfasst.

17. Struktur nach Anspruch 16, wobei die genannte Basisschicht eine erste Teilschicht über der genannten oberen Fläche des genannten Substrates und eine zweite Teilschicht über der genannten ersten Teilschicht umfasst, wobei die genannte zweite Teilschicht stärker dotiert ist als die genannte erste Teilschicht.

18. Struktur nach Anspruch 17, wobei die genannte erste Teilschicht schwach dotiert ist.

19. Struktur nach Anspruch 18, wobei die genannte erste Teilschicht schwach dotiertes Galliumnitrid umfasst.

20. Struktur nach Anspruch 19, wobei die genannte zweite Teilschicht n- Galliumnitrid umfasst.

21. Struktur nach Anspruch 17, die weiterhin eine dritte Teilschicht über der zweiten Teilschicht umfasst.

22. Struktur nach Anspruch 21, wobei die dritte Teilschicht schwach dotiert ist.

23. Struktur nach Anspruch 20, wobei die genannte zweite Teilschicht mit zumindest etwa 10¹⁸ Dotieratomen pro Kubikzentimeter dotiert ist.

24. Struktur nach Anspruch 1 mit einer Display-Anordnung, wobei die genannte Display-Anordnung zumindest eine blaues Licht emittierende Anordnung, zumindest eine grünes Licht emittierende Anordnung und zumindest eine rotes Licht emittierende Anordnung umfasst, wobei zumindest eine der blaues Licht emittierenden Anordnung, grünes Licht emittierenden Anordnung und rotes Licht emittierenden Anordnung umfasst:
eine Basisschicht, die eine etwa 3,5 Mikrometer übersteigende Dicke hat und über einem Substrat mit einer unter einem Winkel von zumindest 0,05° fehlausgerichteten oberen Fläche aus einer Hauptkristallebene des Substrats gebildet ist; und
ein über der Basisschicht gebildetes Licht emittierendes III-Nitrid-Gebiet.

25. Verfahren zum Herstellen einer Struktur für eine Licht emittierende Anordnung mit:

• a) Verschaffen eines Substrats mit einer oberen Fläche, wobei die genannte obere Fläche zu einer Hauptkristallebene des genannten Substrates um zumindest 0,05° fehlausgerichtet ist,
• b) Aufbringen einer Basisschicht über der genannten oberen Fläche des genannten Substrates, wobei die genannte Basisschicht eine etwa 3,5 Mikrometer überschreitende Dicke hat und
• c) Bilden eines Licht emittierenden III-Nitrid-Gebietes über der genannten Basisschicht.

26. Verfahren nach Anspruch 24, das weiterhin das Entfernen des genannten Substrats umfasst, dem das genannte Aufbringen der Basisschicht folgt.