DE112007001235B4

DE112007001235B4 - Licht emittierende Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112007001235B4
Application number: DE112007001235.8T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kamiyama; Hiroshi Amano; Isamu Akasaki; Motoaki Iwaya
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JPWO2007136097A1; WO2007136097A1; GB2453464A; GB0823453D0; DE112007001235T5; US20090065763A1; JP4959693B2; GB2453464B; US7985964B2

Abstract

Licht emittierende Halbleitervorrichtung; mit
einer ersten Elektrode (118, 218) aus einem hochreflektiven Metall;
einer zweiten Elektrode (119, 219);
einer Tunnelsperrschicht (117, 217), die aus einer Halbleiterschicht (117a, 217a) des p-Typs und einer Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs besteht und die mit der ersten Elektrode (118, 218) über einen ersten ohm'schen Kontakt verbunden ist und einen Tunnelstrom erzeugt, wenn eine Sperrvorspannung zwischen der ersten Elektrode (118, 218) und der zweiten Elektrode (119, 219) angelegt wird; und
einer Licht emittierende Schicht (114, 115, 214, 215) zwischen der Tunnelsperrschicht (117, 217) und der zweiten Elektrode (119, 219),
wobei die Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs der Tunnelsperrschicht (117, 217) eine Fluoreszenzschicht (117b, 217b) enthält, in die eine erste Akzeptorverunreinigung und eine erste Donatorverunreinigung eindotiert sind, wodurch die Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs ein Fluoreszenzlicht in Antwort auf Licht erzeugt, das von der Licht emittierenden Schicht (114, 115, 214, 215) emittiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung.
Licht emittierende Dioden sind beispielsweise in den Patentschriften JP 2002- 9 335 A ( japanische Anmeldung 2000-182542 ) und US 6 526 082 B1 beschrieben; welche eine Tunnelsperrschicht aus GaN haben, sowie eine Anode in ohm'schen Kontakt mit der Tunnelsperrschicht.
Die Tunnelsperrschicht erlaubt eine Lichtemission bei niedriger Spannung, sowie die Ausbildung einer Anode und Kathode aus gleichem Material. Somit können diese Elektroden effizient hergestellt werden. In der JP 2002- 9 335 A erwähnte Elektroden, die in der Lage sind, in befriedigender Weise in ohm'schen Kontakt mit der GaN-Tunnelsperrschicht zu gelangen, sind aus AuGe/Ni.
Bei der Licht emittierenden Diode wird die Elektrode als reflektierende Oberfläche verwendet, um Licht in eine Lichtemissions-Richtung zu lenken, so dass von der Elektrode reflektiertes Licht effizient abgegeben wird. Obgleich Licht mit hoher Effizienz abgegeben werden kann, wenn die Elektrode ein höheres Reflexionsvermögen hat, kann AuGe/Ni keine Elektrode mit höherem Reflexionsvermögen bilden. Somit kann eine Licht emittierende Diode, die mit Elektroden aus AuGe/Ni versehen ist, Licht mit hoher Effizienz nicht abgegeben.
US 2005 / 01 84 305 A1 offenbart eine Licht emittierende Halbleiter-Vorrichtung aus einer blauen Leuchtdiode, auf der eine rotes Licht emittierende Schicht epitaktisch aufgebaut ist und ein isolierendes Material mit einem YAG fluoreszierendem Material vorhanden ist. WO 01/ 0 24 285 A1 offenbart eine Licht emittierende Halbleiter-Vorrichtung, deren Substrat einen einkristallinen YAG-Verbund enthält.
JP 2005-203618 A und WO 2006/001462 A1 offenbaren ein Licht emittierendes Halbleiterelement mit einer Ag-Elektrode, welche durch eine Metall-Schutzschicht bedeckt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 oder einem oder mehreren der Unteransprüche.
Diese und weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsformen in Zusammenschau mit der Zeichnung und den nachfolgenden Ansprüchen.
Figurenliste
Es versteht sich, dass die Zeichnungen dem Zweck der Erläuterung von Beispielen dienen, aber nicht einschränkend auszulegen sind. In der Beschreibung wird das Wort „Beispiel“ oder sinnverwandte Ausdrücke ausschließlich in der Bedeutung „als Beispiel, Möglichkeit oder der Darstellung dienend“ verwendet. Jegliche als „Beispiel“ bezeichnete Ausführungsform muss nicht notwendiger Weise gegenüber anderen Ausführungsformen besonders bevorzugt oder vorteilhaft sein.

1 ist ein Beispiel einer Seitenansicht einer Tageslicht emittierenden Diode.
2 ist ein Beispiel einer Seitenansicht einer Elektrode.
3 ist ein Beispiel einer Seitenansicht einer Tageslicht emittierenden Diode.
4 ist ein Beispiel einer Seitenansicht einer Tageslicht emittierenden Diode.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung soll momentan bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen und soll nicht ausschließliche Möglichkeiten zeigen, nach denen die vorliegende Erfindung aufgebaut oder verwendet werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Reihenfolge beschrieben.

(1) Beispielhafter Aufbau einer Licht emittierenden Halbleitervorrichtung - technischer Hintergrund
(2) Erste Ausführungsform der Erfindung
(3) Zweite Ausführungsform der Erfindung
(4) Schlussbetrachtung

(1) Beispielhafter Aufbau einer Licht emittierenden Halbleitervorrichtung - technischer Hintergrund, nicht zur Erfindung gehörend 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Beispiels einer Tageslicht emittierenden Diode, d. h. einer Tageslicht emittierenden Halbleitervorrichtung. Gemäß 1 umfasst die Tageslicht emittierende Diode 1 ein Fluoreszenzsubstrat 10, eine Fluoreszenzschicht 11, eine Pufferschicht 12, eine Kontaktschicht 13 des n-Typs, eine Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14, eine Elektronenblockierschicht 15, eine Verbindungsschicht 16 des p-Typs, eine Tunnelsperrschicht 17, eine Anode 18 und eine Kathode 19. Die Anode 18 und die Kathode 19 sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine erste Elektrode bzw. eine zweite Elektrode. Das im Wesentlichen plattenförmige Fluoreszenzsubstrat 10, das die unterste Schicht bildet, ist ein SiC-Einkristall des 6H-Typs. Das Fluoreszenzsubstrat 10 enthält B (Bor), d. h. eine Akzeptorverunreinigung und N (Stickstoff), d. h. eine Donatorverunreinigung. Das Fluoreszenzsubstrat 10 hat eine B-Atom- und eine N-Atomkonzentration im Bereich von ungefähr 10¹⁷ bis ungefähr 10¹⁹ cm^-3.
Die Fluoreszenzschicht 11 ist auf dem Fluoreszenzsubstrat 10 ausgebildet. Die Fluoreszenzschicht 11 ist ähnlich wie das Fluoreszenzsubstrat 10 ein SiC-Einkristall des 6H-Typs und enthält N, d. h. eine Donatorverunreinigung, und AI (Aluminium), d. h. eine Akzeptorverunreinigung. Die Fluoreszenzschicht 11 hat eine B-Atom- und eine Al-Atomkonzentration im Bereich von ungefähr 10¹⁷ bis ungefähr 10¹⁹ cm^-3. Die Pufferschicht 12 überdeckt die Fluoreszenzschicht 11 und ist aus AlGaN. Die Kontaktschicht 13 des n-Typs überdeckt die Pufferschicht 12 und ist aus n-GaN gemacht. Die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 überdeckt die Kontaktschicht 13 des n-Typs und ist aus GaInN/GaN in einer Mehrfach-Quantum-Well-Konstruktion ausgebildet. Die Elektronenblockierschicht 15 überdeckt die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 und ist aus p-AlGaN gemacht. Die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 und die Elektronenblockierschicht 15 sind bei der vorliegenden Erfindung Licht emittierende Schichten. Die p-Verbindungsschicht 16 überdeckt die Elektronenblockierschicht 15 und ist aus p-GaN.
Die Tunnelsperrschicht 17 überdeckt die p-Verbindungsschicht 16 und besteht aus einer Halbleiterschicht 17a des p-Typs und einer Halbleiterschicht 17b des n-Typs. Die Halbleiterschicht 17a des p-Typs überdeckt die p-Verbindungsschicht 16 und ist aus p⁺-GaN. Die Halbleiterschicht 17a des p-Typs enthält Mg, d. h. eine Akzeptorverunreinigung mit einer Konzentration nicht unter 10¹⁹cm^-3. Somit hat die p-Halbleiterschicht 17a eine höhere Ladungsträgerkonzentration. Die Halbleiterschicht 17b des n-Typs überdeckt die Halbleiterschicht 17a des p-Typs, ist aus n^+-GaInN und enthält Si, d. h. eine Donatorverunreinigung, in einer Konzentration nicht unter 10¹⁹cm^-3. Somit hat die Halbleiterschicht 17b des n-Typs eine höhere Ladungsträgerkonzentration. Die Halbleiterschicht 17b des n-Typs enthält InN in einem molaren Anteil von 25 % und hat eine Dicke von 20 nm. Die Anode 18 überdeckt die Halbleiterschicht 17b des n-Typs der Tunnelsperrschicht 17. Die Kathode 19 ist auf der Kontaktschicht 13 des n-Typs ausgebildet. Die Halbleiterschichten 10 bis 17 der Tageslicht emittierenden Diode 1 mit Ausnahme des Fluoreszenzsubstrats 10 und der Fluoreszenzschicht 11 sind aus Nitrid-Halbleitern gebildet.
2 zeigt ein Beispiel der Anode 18. Da die Kathode 19 im Aufbau ähnlich zur Kathode 18 ist, werden deren Darstellung und Aufbau weggelassen. Bezugnehmend auf 2 besteht die Anode 18 aus einer Ag-Schicht 18a aus Ag, zwei Schutzschichten 18b1 und 18b2 aus Ti und einer Au-Schicht 18c aus Au. Zuerst wird die Schutzschicht 18b1 auf der Halbleiterschicht 17b des n-Typs gebildet und die Ag-Schicht 18a wird auf der Schutzschicht 18b1 ausgebildet. Dann werden die Schutzschicht 18b2 und die Au-Schicht 18c in dieser Reihenfolge auf der Ag-Schicht 18a gebildet. Beispielsweise hat die Schutzschicht 18b1 eine Dicke von 2 nm, die Ag-Schicht 18a hat eine Dicke von 100 nm, die Schutzschicht 18b2 hat eine Dicke von 20 nm und die Au-Schicht 18c hat eine Dicke von 300 nm. Die Ag-Schicht 18a muss nicht notwendiger Weise alleine aus Ag gebildet sein. Beispielsweise können Cu und Pd in Anteilen von einigen Prozent der Ag-Schicht 18a hinzugefügt werden, um eine thermische und chemische Stabilität der Ag-Schicht 18a sicherzustellen. Die thermische und chemische Stabilität der Ag-Schicht 18a kann auch sichergestellt werden, indem Bi in einem Anteil von einigen Prozent der Ag-Schicht 18a hinzugefügt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung der Tageslicht emittierenden Diode wird nachfolgend beschrieben. Das Fluoreszenzsubstrat 10 wird gebildet durch Aufwachsen eines Einkristalls von SiC des 6H-Typs durch einen Sublimationsprozess, wobei der Kristall auf geeignete Weise mit B und N dotiert wird. Dann wird die Fluoreszenzschicht 11 auf dem Fluoreszenzsubstrat 10 durch stufenweises Aufwachsen eines Einkristalls aus SiC des 6H-Typs durch einen nahen Sublimationsprozess abgeschieden, wobei der Kristall auf geeignete Weise mit AI und N dotiert wird. Dann werden die Schichten aus AIGaN, GaN, GaInN/GaN, AIGaN, GaN und GaInN, d. h. die Basismaterialien, sequentiell durch epitaxiales Wachstum mittels eines nahen Sublimationsprozesses aufgewachsen, wobei die Schichten auf geeignete Weise mit den angegebenen Verunreinigungen dotiert werden, um aufeinanderfolgend die Pufferschicht 12, die n-Kontaktschicht 13, die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14, die Elektronenblockierschicht 15, die p-Verbindungsschicht 17 und die Tunnelsperrschicht 17 in dieser Reihenfolge aufeinander abzuscheiden. Das Kristallwachstum der Halbleiterschicht 17b des n-Typs, welche InN in einem molaren Anteil von 25% enthält, kann bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur erfolgen.
Nachdem die Halbleiterschichten 10 bis 17 auf diese Weise ausgebildet worden sind, wird ein oberer Teil der Kontaktschicht 13 des n-Typs und werden Teile der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14, der Elektronenblockierschicht 15, der p-Verbindungsschicht 16 und der Tunnelsperrschicht 17 durch Ätzen entfernt, um einen Teil der oberen Oberfläche der n-Kontaktschicht 13 freizulegen. Dann werden die Anode 18 und die Kathode 19 auf die Halbleiterschicht 17b des n-Typs der Tunnelsperrschicht 17 bzw. auf dem freiliegenden Teil der Kontaktschicht 13 des n-Typs ausgebildet. Sowohl die Anode 18, als auch die Kathode 19 werden gebildet, in dem sequentiell Ti, Ag, Ti und Au in Schichten in dieser Reihenfolge beispielsweise durch einen Verdampfungsprozess abgeschieden werden. Es versteht sich, dass die Anode 18 und die Kathode 19 auch durch einen Nassabscheidungsprozess gebildet werden können.
Die Tageslicht emittierende Diode 1 emittiert Licht, wenn eine Vorwärtsspannung über die Anode 18 und die Kathode 19 angelegt wird, welche wie oben beschrieben ausgebildet wurden. Wenn die Vorwärtsspannung an der Anode 18 und der Kathode 19 anliegt, liegt eine Sperrvorspannung an der Tunnelsperrschicht 17 bestehend aus der Halbleiterschicht 17a des p-Typs und der Halbleiterschicht 17b des n-Typs vor, so dass ein p-n-Übergang gebildet wird. Folglich wird im Nahbereich der Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 17b des n-Typs und der Schutzschicht 18b1 in Kontakt mit der Halbleiterschicht 17b des n-Typs eine Verarmungsschicht gebildet. Da die Halbleiterschicht des n-Typs Si enthält, d. h. eine Donatorverunreinigung, und zwar in einer hohen Konzentration von nicht weniger als 10¹⁹ cm^-3, hat die Verarmungsschicht eine geringe Dicke in der Größenordnung von 10 nm, also kleiner als die Dicke der Halbleiterschicht 17b des n-Typs.
Die Schutzschicht 18b1 aus Ti kann durch den Tunneleffekt im Wesentlichen in ohm'schen Kontakt mit der Halbleiterschicht 17b des n-Typs gebracht werden. Da die Halbleiterschicht 17b des n-Typs InN in einem molaren Anteil von 25% enthält, hat die Halbleiterschicht 17b des n-Typs einen geringen Bandabstand in der Größenordnung von 2,1 eV und eine geringe Innenspannung aufgrund der Belastungsminderung durch Niedertemperaturwachstum. Damit kann ein Tunnelstrom mit Sicherheit mit niedriger Spannung in der Tunnelsperrschicht 17 erzeugt werden. Da Ti und Ag, welche die Anode 18 bilden, Metalle mit einer geringen Austrittsenergie sind und die Kathode 19 geringen Widerstand hat, kann ein Tunnelstrom mit niedriger Spannung erzeugt werden. Da die ohm'sche Kontaktoberfläche einen bescheidenen Widerstand in Dickenrichtung hat, hat die Tunnelsperrschicht 17 eine gleichförmige Stromdichte bezüglich der Oberflächenrichtung. Da eine Vorwärtsspannung an die Schnittstelle zwischen der Kontaktschicht 13 des n-Typs aus n-GaN und der Kathode 19 angelegt ist, fließt ein Strom durch die Kontaktschicht 13 des n-Typs und die Kathode 19.
Ein Strom kann veranlasst werden, von der Anode 18 zur Kathode 19 zu fließen, indem die Vorwärtsspannung zwischen der Anode 18 und der Kathode 19 angelegt wird. Somit fließt ein Strom durch die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 und die Elektronenblockierschicht 15, die zwischen der Anode 18 und der Kathode 19 gebildet ist und folglich wird die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 veranlasst, Licht zu emittieren. Die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 emittiert beispielsweise eine nahe Ultraviolettstrahlung von 385 nm Wellenlänge. Die nahe Ultraviolettstrahlung, die von der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 abgegeben wird, wandert durch das Fluoreszenzsubstrat 10 und die Fluoreszenzschicht 11, die mit der Akzeptorverunreinigung bzw. Donatorverunreinigung dotiert sind, und wird vom Fluoreszenzsubstrat 10 und der Fluoreszenzschicht 11 absorbiert. Donatorelektronen, die durch die nahe Ultraviolettstrahlung erregt werden, strahlen aus der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 aus und Akzeptorlöcher rekombinieren im Fluoreszenzsubstrat 10 und der Fluoreszenzschicht 11, um Fluoreszenzlicht zu emittieren.
Beide Basismaterialien des Fluoreszenzsubstrats 10 und der Fluoreszenzschicht 11 sind SiC-Einkristalle vom 6H-Typ und haben im Wesentlichen die gleiche Bandlücke. Jedoch sind die Akzeptorverunreinigungen, die jeweils dem Fluoreszenzsubstrat 10 und der Fluoreszenzschicht 11 hinzugefügt sind, unterschiedlich. D. h., das Fluoreszenzsubstrat 10 und die Fluoreszenzschicht 11 haben unterschiedliche Tiefen des Akzeptorniveaus. Somit emittieren das Fluoreszenzsubstrat 10 und die Fluoreszenzschicht 11 Fluoreszenzlicht mit einem Wellenlängenspektrum einschließlich Wellenlängen in unterschiedlichen Wellenlängenbändern. Das Fluoreszenzsubstrat 10, das Bor als Akzeptorverunreinigung enthält, emittiert Fluoreszenzlicht in einem weiteren Wellenlinienspektrum einschließlich Wellenlängen zwischen grün und rot. Die Fluoreszenzschicht 11, die Aluminium als Akzeptorverunreinigung enthält, emittiert Fluoreszenzlicht in einem weiteren Wellenlängenspektrum einschließlich Wellenlängen zwischen blau und grün. Die Fluoreszenzlichtstrahlen dieser Wellenlängen werden zusammengefasst, so dass weißes Licht mit befriedigender Farbwiedergabe erzeugt wird. Das weiße Licht wird nach außen durch die untere Oberfläche des Fluoreszenzsubstrats 10 abgegeben und für Anzeige- und Beleuchtungszwecke verwendet.
Die nahe Ultraviolettstrahlung, die in der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 erzeugt wird, wandert in der Tageslicht emittierenden Diode nach unten oder oben. Die nahe Ultraviolettstrahlung, die in der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 nach unten gewandert ist, erreicht die Fluoreszenzschicht 11 und das Fluoreszenzsubstrat 10 und veranlasst, dass die Fluoreszenzschicht 11 und das Fluoreszenzsubstrat 10 Fluoreszenzlicht emittieren. Demgegenüber wird die nahe Ultraviolettstrahlung, die in der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 nach oben gewandert ist und die Anode 18 erreicht hat, von der Anode 18 vollständig nach unten reflektiert und veranlasst die Fluoreszenzschicht 11 und das Fluoreszenzsubstrat 10, Fluoreszenzlicht zu emittieren. Da die Anode 18 die Ag-Schicht 18a mit sehr hohem Reflektionsvermögen hat, kann die nahe Ultraviolettstrahlung, welche die Anode 18 erreicht hat, im Wesentlichen verlustfrei nach unten reflektiert werden. Somit kann die von der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 erzeugte nahe Ultraviolettstrahlung effizient in Fluoreszenzlicht umgewandelt werden. Grenzflächen zwischen einander benachbarten jeweiliger Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes in der Tageslicht emittierenden Diode 1 reflektieren das Licht und in manchen Fällen kann ein Teil des Lichts die Kathode 19 erreichen. Die aus dem gleichen Material wie die Anode 18 gefertigte Kathode 19 kann mit Sicherheit Licht nach unten reflektieren, welches bis zu ihr gelangt ist.
Die Ag-Schicht 18a ist zwischen den Schutzschichten 18b1 und 18b2 eingeschlossen. Somit ist die Ag-Schicht 18a mit dem hohen Reflexionsvermögen mit einer Ti-Schicht bedeckt. Die Ti-Schicht ist nicht porös wie die Au-Schicht und hat einen kompakten Aufbau. Somit kann Sauerstoff, der in die Au-Schicht 18c eingedrungen ist, von der Schutzschicht 18b2 gestoppt werden, so dass der Sauerstoff daran gehindert wird, die Ag-Schicht 18a zu erreichen. Damit kann eine Oxidation der Ag-Schicht 18a verhindert werden und eine Verringerung des Reflexionsvermögens der Ag-Schicht 18a über die Zeit hinweg lässt sich verhindern. Folglich kann die Tageslicht emittierende Diode 1 über eine lange Zeit hinweg eine hohe Lichtemissionsleistung aufrechterhalten. Da die Schutzschicht 18b1, auf der Licht einfällt, eine Dicke von 2 nm hat, durchtritt das Licht die Schutzschicht 18b1 und kann von der Au-Schicht 18c reflektiert werden. Da die Ag-Schicht 18a eine Dicke von 100 nm hat, kann Licht die Ag-Schicht 18a nicht durchdringen und wird mit hohem Reflexionsvermögen reflektiert.
Obgleich die unter (1) beschriebene Licht emittierende Halbleitervorrichtung als Substrat SiC des 6H-Typs verwendet, kann auch ein Substrat aus SiC eines anderen Polytyps, beispielsweise des 4H-Typs, des 3C-Typs oder des 15R-Typs verwendet werden. Die Verwendung eines Einkristallsubstrats aus beispielsweise Saphir ist effektiv dahingehend, hohe Effizienz und niedrige Spannung zu erhalten. Das Material der Anode 18 und der Kathode 19 kann ein Material mit geringer Arbeitsfunktion und hohem Reflexionsvermögen anders als Ag sein, beispielsweise AI. Obgleich die unter (1) beschriebene Licht emittierende Halbleitervorrichtung ein Lichtemission mit hoher Effizienz durch Anheften der Elektronenblockierschicht 15 an die Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 14 erreicht, kann auch eine andere Lichtemissionsstruktur, beispielsweise eine Doppel-Hetero-Struktur verwendet werden.
(2) Erste Ausführungsform der Erfindung
3 ist eine typische Ansicht einer Tageslicht emittierenden Diode 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß 3 ist die Tageslicht emittierende Diode 2 der ersten Ausführungsform der Erfindung im Aufbau im Wesentlichen ähnlich zu der Tageslicht emittierenden Diode 1 der unter (1) beschriebenen Licht emittierenden Halbleitervorrichtung, mit der Ausnahme, dass die Tageslicht emittierende Diode 2 eine Tunnelsperrschicht 117 mit einer Halbleiterschicht 117b des n-Typs unterschiedlich zu der Tageslicht emittierenden Diode 1 hat. Die Halbleiterschicht 117b des n-Typs bei der ersten Ausführungsform der Erfindung hat eine Mehrfach-Quantum-Well-Struktur aus n⁺-GaInN/GaN. Die Halbleiterschicht 117b des n-Typs enthält Si als Donatorverunreinigung und Mg als Akzeptorverunreinigung. Während die Mg-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig in der Halbleiterschicht 117b des n-Typs verteilt ist, ist die Si-Konzentration um 10¹⁹cm^-3 oder darüber nur in der Nähe der Grenzflächen der Halbleiterschicht 117b des n-Typs höher als die Mg-Konzentration. Somit hat die Halbleiterschicht 117b des n-Typs eine höhere Ladungsträgerkonzentration in der Nähe ihrer Grenzflächen.
Da die Halbleiterschicht 117b des n-Typs eine hohe Ladungsträgerkonzentration in ihren Grenzflächen hat und in ohm'schen Kontakt mit einer Anode 118 ist, kann ähnlich wie bei der unter (1) beschriebenen Licht emittierenden Halbleitervorrichtung in einer Tunnelsperrschicht 117 ein Tunnelstrom erzeugt werden, indem eine Spannung über die Anode 118 und eine Kathode 119 angelegt wird. Damit kann eine Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 114, die zwischen der Anode 118 und der Kathode 119 ausgebildet ist, eine nahe Ultraviolettstrahlung emittieren.
Die nahe Ultraviolettstrahlung, die von der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 114 nach unten gestrahlt wird, erreicht direkt das Fluoreszenzsubstrat 110 und die Fluoreszenzschicht 111, um zu veranlassen, dass das Fluoreszenzsubstrat 110 und die Fluoreszenzschicht 111 Fluoreszenzlicht erzeugen. Nahe Ultraviolettstrahlung, die von der Mehrfach-Quantum-Well-Aktivschicht 114 nach oben abgestrahlt worden ist, erreicht die Halbleiterschicht 117 des n-Typs mit der Mehrfach-Quantum-Well-Struktur und Si, d. h. eine Donatorverunreinigung, und Mg, d. h. eine Akzeptorverunreinigung, enthaltend. Eine schmale Bandlücke wird in der Halbleiterschicht 117b des n-Typs durch Ausbilden der Mehrfach-Quantum-Well-Struktur von GaInN erzeugt, welche InN in einem hohen Molaranteil enthält. Da Mg, also eine Akzeptorverunreinigung, ein hohes Akzeptorniveau hat, kann die Übergangsenergie, die für die Rekombination von Donatorelektronen, welche durch die nahe Ultraviolettstrahlung erregt wurden, und den Akzeptorenlöchern in der Halbleiterschicht 117b des n-Typs benötigt wird, verringert werden. Damit kann die Halbleiterschicht 117b des n-Typs rotes Fluoreszenzlicht mit langer Wellenlänge emittieren. Da die Halbleiterschicht 117b des n-Typs die Mehrfach-Quantum-Well-Struktur hat, kann die nahe Ultraviolettstrahlung effizient in Fluoreszenzlicht gewandelt werden, indem der Effekt von Donatorelektronen und Akzeptorlöchern begrenzt wird. Ein Teil um eine Grenzfläche der Halbleiterschicht 117b des n-Typs, der die Tunnelsperrschicht bildet, hat hohe Ladungsträgerkonzentration und der Rest der Halbleiterschicht 117b des n-Typs hat eine Verunreinigungskonzentration, die ausreichend ist, die nahe Ultraviolettstrahlung in Fluoreszenzlicht umzuwandeln, so dass eine hohe Umwandlungseffizienz erreicht wird. Daher kann die Dicke der Halbleiterschicht 117b des n-Typs gering sein.
Das Fluoreszenzsubstrat 110 erzeugt Fluoreszenzlicht in einem weiten Wellenlängenspektrum einschließlich Wellenlängen zwischen grün und rot. Die Halbleiterschicht 117b des n-Typs hat eine Bandlücke kleiner als diejenige des Fluoreszenzsubstrats 110 und kann rötliches Fluoreszenzlicht mit längerer Wellenlänge erzeugen. Somit kann Weißlicht mit befriedigender Farbtreue abgegeben werden, indem das Fluoreszenzlicht von dem Fluoreszenzsubstrat 110, von der Fluoreszenzlichtschicht 111 und der Halbleiterschicht 117b des n-Typs zusammengesetzt wird. Eine Warmtonbeleuchtung mit Licht einer warmen Farbtonfarbe einer Farbtemperatur in der Größenordnung von 2800 K kann unter Verwendung dieses Weißlichtes erreicht werden. Die Anode 118 und die Kathode 119 der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung haben einen Aufbau ähnlich demjenigen von 2 der Anode 118 und der Kathode 119 der unter (1) beschriebenen Licht emittierenden Halbleitervorrichtung. Daher können die Anode 118 und die Kathode 119 Licht mit den betreffenden Wellenlängen mit hohem Reflexionsvermögen reflektieren. Folglich kann Licht mit hoher Effizienz vom Fluoreszenzsubstrat 110 emittiert werden. Die Halbleiterschicht 117b des n-Typs der ersten Ausführungsform der Erfindung kann in ohm'schen Kontakt mit der Anode 118 sein und kann Fluoreszenzlicht mit langen Wellenlängen erzeugen. Damit müssen separate Schichten, die jeweils für ohm'schen Kontakt und für langwellige Lichterzeugung sind, nicht gebildet werden. Somit kann die Tageslicht emittierende Diode 2 mit geringen Material- und Herstellungskosten erzeugt werden. Die Halbleiterschicht 117b des n-Typs entspricht einer Fluoreszenzschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung.
(3) Zweite Ausführungsform
4 ist eine typische Ansicht einer Tageslicht emittierenden Diode einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 gezeigt, ist die Tageslicht emittierende Diode 2 der zweiten Ausführungsform im Aufbau im Wesentlich ähnlich zu Tageslicht emittierenden Diode der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit der Ausnahme, dass die Tageslicht emittierende Diode 3 keinerlei Schichten entsprechend der Fluoreszenzschicht 111 hat. In der zweiten Ausführungsform ist eine Pufferschicht 212 auf einem flu-Substrat 210 ausgebildet. Da die Fluoreszenzschicht 111 weggelassen ist, kann die Tageslicht emittierende Diode 3 der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur Tageslicht emittierenden Diode 2 der ersten Ausführungsform möglicherweise eine unzureichende Menge von Lichtstrahlen mit langen Wellenlängen emittieren. Die Menge an langwelligen Komponenten von Fluoreszenzlicht, das von einer Halbleiterschicht 217b des n-Typs erzeugt wird, kann erhöht werden, indem die Zusammensetzung des GaInN/GaN eingestellt wird, welches die Halbleiterschicht 217b des n-Typs bewirkt. Ein Mangel an langwelligen Komponenten aufgrund eines Weglassens der Fluoreszenzschicht 111 kann damit ausgeglichen werden und Weißlicht, welches gut ausbalanciert ist, kann erzeugt werden. Genauer gesagt, eine Übergangsenergie, mit der Donator-/Akzeptor-Paare rekombinieren, kann unterdrückt werden, indem der InN-Molaranteil der Halbleiterschicht 217b des n-Typs erhöht oder indem das Akzeptorniveau vertieft wird, um langwelliges Fluoreszenzlicht zu verstärken.
Beim Unterstützen der langwelligen Komponenten von weißem Licht ist es vorteilhaft, wenn eine Fluoreszenzschicht eingeführt wird, die eine Mehrfach-Quantum-Well-Struktur aus GaInN/GaN hat. Diese Fluoreszenzschicht trägt nicht notwendiger Weise zum ohm'schen Kontakt zwischen einer Halbleiterschicht und einer Elektrode bei. Die Farbtemperatur von Weißlicht kann auf eine Farbtemperatur einer warmen Farbe eingestellt werden, indem die Fluoreszenzschicht eingeführt wird, welche die Mehrfach-Quantum-Well-Struktur aus GaInN/GaN hat und in einer beliebigen Position liegt.
Schlussbetrachtung
Die Anode 18 hat die Ag-Schicht 18a aus Ag mit hohem Reflexionsvermögen. Die Ag-Schicht 18a liegt zwischen den Schutzschichten 18b1 und 18b2, die jeweils aus Ti sind. Die Schutzschicht 18b1 ist in ohm'schen Kontakt mit der Tunnelsperrschicht 17. Die Anode 18 aus Ti/Ag mit geringer Austrittsarbeit hat geringen Widerstand und der Tunnelstrom fließt durch die Tunnelsperrschicht 17. Die Anode 18 und die Kathode 19 können aus gleichem Material gebildet werden und können insbesondere aus Ag mit hohem Reflexionsvermögen gebildet werden. Folglich kann die Tageslicht emittierende Diode Licht mit hoher Lichtemissionsleistung emittieren.
Es versteht sich, dass die Begriffe und die Terminologie, wie sie hier verwendet wurden, rein zum Zweck der Beschreibung gewählt worden sind und nicht als einschränkend zu verstehen sind.
Es sei weiterhin festzuhalten, dass in der gesamten Beschreibung Bezeichnungen, wie links, rechts, vorne, hinten, oben, unten, nach vorne, nach hinten, im Uhrzeigersinn, entgegen Uhrzeigersinn, Oberseite, Unterseite oder andere ähnliche Begriffe wie „das Obere“, „das Untere“, nach hinten, nach vorne, vertikal, horizontal, proximal, distal, etc. alleine zum Zweck der Darstellung dienen und nicht eine besondere feste Richtung oder Ausrichtung bezeichnen sollen. Sie dienen zur Wiedergabe von Relativlagen und/oder Richtungen/Ausrichtungen zwischen verschiedenen Abschnitten eines Objektes.
Zusätzlich ist „erste“, „zweite“, „dritte“, etc. in der Beschreibung und insbesondere den Ansprüchen nicht bezüglich Reihenfolgen oder numerischen Beschränkungen zu verstehen, sondern soll alleine verschiedene Bauteile aus einer Gruppe heraus unterscheidbar und identifizierbar machen.

Claims

Licht emittierende Halbleitervorrichtung; mit einer ersten Elektrode (118, 218) aus einem hochreflektiven Metall; einer zweiten Elektrode (119, 219); einer Tunnelsperrschicht (117, 217), die aus einer Halbleiterschicht (117a, 217a) des p-Typs und einer Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs besteht und die mit der ersten Elektrode (118, 218) über einen ersten ohm'schen Kontakt verbunden ist und einen Tunnelstrom erzeugt, wenn eine Sperrvorspannung zwischen der ersten Elektrode (118, 218) und der zweiten Elektrode (119, 219) angelegt wird; und einer Licht emittierende Schicht (114, 115, 214, 215) zwischen der Tunnelsperrschicht (117, 217) und der zweiten Elektrode (119, 219), wobei die Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs der Tunnelsperrschicht (117, 217) eine Fluoreszenzschicht (117b, 217b) enthält, in die eine erste Akzeptorverunreinigung und eine erste Donatorverunreinigung eindotiert sind, wodurch die Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs ein Fluoreszenzlicht in Antwort auf Licht erzeugt, das von der Licht emittierenden Schicht (114, 115, 214, 215) emittiert wird.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluoreszenzschicht (117b, 217b) der Tunnelsperrschicht (117, 217) InN in einem molaren Anteil von 25% enthält.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektrode (118, 218) zumindest eine Ag-Schicht (118a) aufweist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode (118, 218) weiterhin eine Schutzschicht (118b1, 118b2) aufweist, welche die Ag-Schicht bedeckt.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schutzschicht (117b1, 118b2) aus Ti ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die n-Typ Fluoreszenzschicht (117b, 217b) der Tunnelsperrschicht (117, 217) eine GaInN-Schicht ist, welche über einen zweiten ohm'schen Kontakt mit der Schutzschicht (118b1, 118b2) in Verbindung steht.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Licht emittierende Schicht (114, 115, 214, 215) eine Mehrfach-Quantum-Well-Struktur hat.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Fluoreszenzsubstrat (110, 210) aus SiC, in das eine zweite Akzeptorverunreinigung und eine zweite Donatorverunreinigung eindotiert sind und welches ein zweites Fluoreszenzlicht in Antwort auf Licht erzeugt, das von der Licht emittierenden Schicht (114, 214, 115, 215) emittiert wird.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Schichten, welche die Tunnelsperrschicht (117, 217) und die Licht emittierende Schicht (114, 115, 214, 215) bilden, aus Nitrid-Halbleitern sind.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine wesentliche Verunreinigungskonzentration einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht (117b, 217b) des n-Typs und der Halbleiterschicht (117a, 217a) des p-Typs in der Tunnelsperrschicht (117, 217) größer als 10¹⁹cm^-3 ist.
Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (119, 219) aus den gleichen Materialien wie die erste Elektrode (118, 218) ist.