DE602004001927T2

DE602004001927T2 - Heterostrukturen aus III-Nitrid-Halbleitermaterial für lichtemittierende Vorrichtungen

Info

Publication number: DE602004001927T2
Application number: DE602004001927T
Authority: DE
Inventors: C. c/o Lumileds James 95131 KIM; F. c/o Lumileds Nathan 95131 GARDNER; R. c/o Lumileds Michael 95131 KRAMES; Yu-Chen c/o Lumileds 95131 SHEN; A. c/o Lumileds Troy 95131 TROTTIER; J. JR. c/o Lumileds Jonathan 95131 WIERER
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: US6995389B2; DE602004001927D1; TWI345841B; JP2005012216A; TW200507301A; EP1489708A1; US20040256611A1; EP1489708B1

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Licht emittierende Halbleiteranordnungen, und im Besonderen auf aktive Bereiche für Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Licht emittierende Halbleiteranordnungen, wie z.B. Licht emittierende Dioden (LEDs), gehören zu den leistungsfähigsten Lichtquellen, welche zurzeit zur Verfügung stehen. Materialsysteme, die gegenwärtig bei der Herstellung LEDs großer Helligkeit, die einen Betrieb über das sichtbare Spektrum ermöglichen, von Interesse sind, sind Halbleiter der Gruppe III-V, insbesondere binäre, ternäre und quaternäre Legierungen aus Gallium, Aluminium, Indium und Stickstoff, ebenfalls als III-Nitrid-Materialien bezeichnet. Typischerweise werden III-Nitrid-Schichten auf Saphir-, Siliciumcarbid- oder Galliumnitridsubstrate epitaxial aufgewachst.
III-Nitrid-Materialien werden gewöhnlich bei einem Licht emittierenden oder aktiven Bereich aufgebracht, welcher mehrere Quantentopfschichten, die durch Barriereschichten getrennt sind, aufweist. Der aktive Bereich ist zwischen einem p-leitenden Bereich und einem n-leitenden Bereich angeordnet. Der p- und n-leitende Bereich führen den Quantentöpfen in dem aktiven Bereich, wo die positiven und negativen Ladungsträger zur Erzeugung von Licht rekombinieren, positive und negative Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) zu. Die Helligkeit einer Licht emittierenden Anordnung wird zumindest teilweise durch den inneren Quantenwirkungsgrad der Anordnung bestimmt, welcher angibt, wie viele Licht emittierende Elektron-Loch-Rekombinationen in dem aktiven Bereich stattfinden.
Jede Quantentopfschicht kann zu einem bestimmten Zeitpunkt eine endliche Anzahl Ladungsträger halten. Die Trägerkapazität einer Halbleiterschicht hängt davon ab, wie viel Material in der Schicht vorhanden ist; je dicker somit eine Quantentopfschicht ist, desto mehr Ladungsträger kann diese Quantentopfschicht halten. Bei III-Nitrid-Anordnungen sind die Quantentopfschichten jedoch typischerweise aus InGaN, welches im Vergleich zu anderen III-Nitridschichten auf Grund der großen Größe von Indiumatomen und der Menge Indium, welche erforderlich ist, um den Quantentopf Licht emittierend zu machen, eine schlechte Kristallqualität aufweist. Eine weitere Komplikation ist, dass InGaN gewöhnlich bei einer niedrigeren Temperatur als GaN aufgebracht wird, was in verminderter Kristallqualität resultiert. Darüber hinaus tritt in den InGaN-Schichten eine In-Fluktuation auf, welche die Trägerkapazität der Licht emittierenden Schichten begrenzt. Piezoelektrische Felder können bei reduzierter Oszillatorstärke zur Rekombination eine verringerte Überlappung von Elektronen- und Defektelektronen-Wellenfunktionen bewirken. Schließlich können Defekte in den kristallinen Halbleiterschichten einer Anordnung eine nicht radiative Rekombination von positiven und negativen Ladungsträgern bewirken, was die Menge des Lichts, welches durch eine Anordnung erzeugt wird, reduzieren kann, indem die Quantentopfschichten Ladungsträgern beraubt werden. Somit sind die Quantentopfschichten, um die Kristallqualität und den inneren Quantenwirkungsgrad der Licht emittierenden Anordnung aufrechtzuerhalten, im Allgemeinen dünn, und die Barriereschichten, welche die Quantentopfschichten trennen, sind im Allgemeinen dicke Schichten, welche eine bessere Kristallqualität als die In-enthaltenden Quantentopfschichten aufweisen.
Y T Rebane et al, Light emitting diode with charge asymmetric resonance tunnelling, Physics Status Solidi (a), Bd. 180, Seiten 121–126 (2000), beschreibt Licht emittierende Dioden, wobei ein Elektronenemitter über eine Barriere mit dem aktiven Bereich verbunden ist. Die Elektronen tunneln durch die Barriere in den aktiven Quantentopf, wo sie sich zur Erzeugung von Licht mit Defektelektronen rekombinieren.
T C Wen et al, InGaN/GaN tunnel injection blue light-emitting diodes, IEEE transactions on Electron Devices, Bd. 49, Nr. 6, Seiten 1093–1095 (2002), beschreibt Licht emittierende Dioden, wobei ein Elektronenemitter über eine Barriere mit dem aktiven Quantentopf verbunden ist, wobei der aktive Quantentopf eine Multi-Quantum-Well(MQW) Struktur aufweist, welche aus mehreren schmalen Quantentöpfen besteht, die durch Durchtunnelungsbarrieren getrennt sind.
P Battacharya et al, Tunneling injection lasers: a new dass of lasers with reduces hot carrier effects, IEEE Journal of Quantum Electronic, Bd. 32, Seiten 1620–1629 (1996), beschreibt Laserdioden, wobei ein Elektronenemitter über eine Barriere mit dem aktiven Quantentopf verbunden ist, wobei der aktive Quantentopf eine Multi-Quantum- Well-(MQW) Struktur aufweist, welche aus mehreren schmalen Quantentöpfen besteht, die durch Durchtunnelungsbarrieren getrennt sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind Heterostrukturausführungen, durch welche die in den Quantentopfschichten des aktiven Bereichs vorhandene Anzahl Ladungsträger erhöht werden kann, für Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen, wie z.B. Licht emittierende Dioden, offenbart. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Reservoirschicht zusammen mit einer Barriereschicht und Quantentopfschicht in dem aktiven Bereich einer Licht emittierenden Anordnung vorgesehen. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Reservoirschicht dicker als die Barriereschicht und Quantentopfschicht, weist eine größere Indiumzusammensetzung als die Barriereschicht und eine geringere Indiumzusammensetzung als die Quantentopfschicht auf. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Reservoirschicht in Angrenzung an die Quantentopfschicht angeordnet und ist in „Trichter"-Träger in die Quantentopfschicht gradiert.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der aktive Bereich einer Licht emittierenden Anordnung ein Übergitter aus abwechselnden Quantentopfschichten und Barriereschichten. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Barriereschichten so dünn, dass Ladungsträger durch eine Barriereschicht zwischen Quantentopfschichten tunneln können.
BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine Licht emittierende Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 – ein Beispiel der Leitungsbandkantenenergie der Schichten der in 1 dargestellten Anordnung;
3 – ein Beispiel der Leitungsbandkantenenergie der Schichten der in 1 dargestellten Anordnung unter Berücksichtigung von Polarisationsfeldern;
4 – eine Licht emittierende Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 bis 8 – Beispiele der Leitungsbandkantenenergie der Schichten der in 4 dargestellten Anordnung;
9 – eine Licht emittierende Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10A bis 10C – Beispiele der Leitungsbandkantenenergie einer dünnen Quantentopfschicht, einer dicken Quantentopfschicht und eines Übergitters als aktiven Bereich;
11 – ein Energiebanddiagramm unter Berücksichtigung von Polarisationsfeldern für das in 9 dargestellte Übergitter;
12 – eine Explosionsdarstellung einer Licht emittierenden Anordnung, einschließlich eines Gehäuses.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden Heterostrukturausführungen, durch welche die Anzahl der in den Quantentopfschichten des aktiven Bereichs vorhandenen Ladungsträger erhöht werden kann, für Licht emittierende III-Nitrid-Anordnungen, wie z.B. Licht emittierende Dioden, offenbart. III-Nitrid-Halbleiterschichten, wie hier verwendet, beziehen sich auf, durch die allgemeine Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellte Verbindungen, welche weiterhin Elemente der Gruppe III, wie z.B. Bor und Thallium, enthalten können, und bei welchen ein Teil des Stickstoffs durch Phosphor, Arsen, Antimon oder Bismut ersetzt werden kann.
1 zeigt einen Querriss einer Licht emittierenden Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der in 1 dargestellten Anordnung werden eine oder mehrere n-leitende Schichten 11 auf ein Substrat 10 epitaxial aufgebracht. Substrat 10 kann zum Beispiel durch ein Saphir-, SiC-, GaN- oder ein anderes geeignetes Substrat dargestellt sein. N-Leitende Schichten 11 können zum Beispiel eine Pufferschicht, eine Kontaktschicht, eine undotierte Kristallschicht sowie n-leitende Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Dotierungskonzentration umfassen. Sodann wird auf den n-leitenden Schichten 11 ein aktiver Bereich 18 ausgebildet. Danach werden auf dem aktiven Bereich 18 eine oder mehrere p-leitende Schichten 15 vorgesehen. P-leitende Schichten 15 können zum Beispiel eine Begrenzungsschicht, eine Kontaktschicht sowie weitere p-leitende Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Dotierungskonzentration umfassen. Anschließend werden eine oder mehrere p-Metallschichten 16, welche die Elektrode oder den Kontakt zu p-leitenden Schichten 15 bilden, auf den p- leitenden Schichten 15 aufgebracht. Ein Teil des aktiven Bereichs und der p-leitenden Schichten wird entfernt, um eine der n-leitenden Schichten 11 freizulegen. Auf den freigelegten Teil der n-leitenden Schichten 11 wird eine bzw. mehrere n-Metall-Schichten 17 aufgebracht, um einen Kontakt zu den n-leitenden Schichten der Anordnung herzustellen.
Der aktive Bereich 18 umfasst Quantentopfschichten 14, Barriereschichten 13 sowie Reservoirschichten 12. 2 zeigt ein Beispiel eines Leitungsbandkantenenergiediagramms für einige der Schichten der in 1 dargestellten Anordnung. Wie in 2 dargestellt, weisen Reservoirschichten 12 einen größeren Bandabstand als Quantentöpfe 14 und einen kleineren Bandabstand als Barriereschichten 13 und die Bauelementschichten 11, 15 außerhalb des aktiven Bereichs auf. Die Quantentopfschichten 14 und die Reservoirschichten 12 können aus InGaN und die Barriereschichten 13 aus Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) bestehen. Während der Indiumgehalt in einer InGaN-Schicht abnimmt, nimmt der Bandabstand zu; somit können die Reservoirschichten 12 weniger Indium als die Quantentopfschichten 14 und mehr Indium als die Barriereschichten 13 enthalten. Die Quantentopfschichten 14 können eine Indiumzusammensetzung in einem Bereich zwischen 0% (wenn zum Beispiel die Barriereschichten aus AlGaN bestehen) und etwa 30% aufweisen und sehen gewöhnlich eine Indiumzusammensetzung in einem Bereich zwischen etwa 4% und etwa 25% vor. Barriereschichten können eine Indiumzusammensetzung in einem Bereich zwischen 0% und 15% aufweisen und weisen in der Regel eine Indiumzusammensetzung in einem Bereich zwischen 0% und 5% auf. Reservoirschichten können aus GaN, InGaN oder AlInGaN bestehen. In einem Ausführungsbeispiel bestehen die Reservoirschichten aus InGaN mit einer Indiumzusammensetzung in einem Bereich zwischen 0% und etwa 25%.
Barriereschichten 13 sind dünn genug, damit Ladungsträger durch Barriereschichten 13 von den Reservoirschichten 12 zu Quantentopfschichten 14 tunneln können. Die Barriereschichten 13 können eine Dicke zwischen etwa 5 Angström und etwa 200 Angström (10 Angström = 1 Nanometer, nm) aufweisen und haben oftmals eine Dicke von 20 Angström oder weniger; die Quantentopfschichten 14 können eine Dicke zwischen etwa 5 Angström und etwa 100 Angström aufweisen und haben oftmals eine Dicke von etwa 25 Angström; und die Reservoirschichten können eine Dicke zwischen etwa 5 Angström und etwa 500 Angström aufweisen und haben oftmals eine größere Dicke als etwa 25 Angström. Die Reservoirschichten 12 und die Barriereschichten 13 können mit einem p- oder n-leitenden Dotierstoff dotiert sein oder nicht. In einem Ausführungsbeispiel werden die Reservoirschichten mit einem n- oder p-leitenden Dotierstoff in einer Dotierungskonzentration zwischen etwa 5 × 10¹⁶ cm und etwa 5 × 10¹⁹ cm^–3 dotiert. In einem Ausführungsbeispiel sind die Reservoirschichten 12 mit dem Dotierstoff vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die anderen Schichten in dem aktiven Bereich 18 dotiert.
Die Reservoirschichten 12 sehen einen Speicher von Ladungsträgern in unmittelbarer Nähe der Quantentöpfe 14 vor, welche durch Barriereschicht 13 leicht in die Quantentöpfe 14 tunneln können. Die Reservoirschichten 12 führen den Quantentopfschichten 14 Ladungsträger zu, so dass, sobald ein Ladungsträger eine Quantentopfschicht verlässt, zum Beispiel durch radiative Rekombination, sogleich von der Reservoirschicht 12 ein anderer Ladungsträger zugeführt wird, um diesen zu ersetzen. Da die Reservoirschichten 12 weniger Indium als die Quantentopfschichten 14 aufweisen, besitzen die Reservoirschichten 12 eine bessere Kristallqualität, wodurch die Reservoirschichten 12 Ladungsträger mit einer langen Abklingzeit halten können. Die Zusammensetzung und Dicke von Quantentopfschichten 14, Barriereschichten 13 und Reservoirschichten 12 können so gewählt werden, dass τRV >> τTUN >> τW (1)wobei τ_RV die Verweilzeit eines Ladungsträgers in Reservoirschicht 12, τ_TUN die Zeit, die für einen Ladungsträger erforderlich ist, um von Reservoirschicht 12 zu Quantentopfschicht 14 zu tunneln und τ_W die Verweilzeit eines Ladungsträgers in Quantentopfschicht 14, bevor die Ladungsträger zur Erzeugung von Licht rekombinieren, darstellen. Da die Verweilzeit in Reservoir 12 wesentlich länger als die Verweilzeit in Quantentopfschicht 14 ist, findet in Reservoir 12 eine konstante Zuführung von Ladungsträgern statt, um Lücken in Quantentopf 14 aufzufüllen.
Die Wahrscheinlichkeit, Barriereschichten 13 zu durchtunneln, kann maximiert werden, indem die Zusammensetzung und Dicke von Reservoirs 12 und Quantentöpfen 14 so gewählt wird, dass die Energiepegel der Zustände, welche zum Laden von Ladungsträgern in Reservoirs 12 und Quantentöpfen 14 bestehen, nahezu gleich sind. Sind die Energiepegel der Zustände nahezu gleich, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Ladungsträger zwischen einem Reservoir 12 und einem Quantentopf 14 tunnelt. Die Tunnelungswahrscheinlichkeit kann ebenfalls maximiert werden, indem die in III-Nitrid-Materialien naturgemäß auftretenden Polarisationsfelder genutzt werden. 3 zeigt ein Beispiel eines Leitungsbandkantenenergiediagramms für einige der Schichten der in 1 dargestellten Anordnung unter Berücksichtigung von in III-Nitrid-Schichten vorhandenen Polarisationsfeldern. Das Polarisationsfeld verzerrt das Energiebanddiagramm so, dass das Leitungsband in Reservoirschicht 12 an Ecke 30 geringer als in dem Rest von Reservoirschicht 12 ist. Ebenso ist das Leitungsband in Quantentopfschicht 14 an Ecke 32 geringer als in dem Rest von Quantentopfschicht 14. Da Ladungsträger die Tendenz haben, sich in Ecke 30 zu sammeln, da das Leitungsband geringer als in dem Rest von Reservoir 12 ist, werden die Ladungsträger zum Quantentopf 14 hin „geschoben".
Obgleich 1 ein Reservoir 12 auf beiden Seiten jeder Quantentopfschicht 14 zeigt, können verschiedene Konfigurationen von Reservoirs in dem aktiven Bereich verwendet werden. Erstens können zwei Quantentopfschichten oder mehr zwischen Reservoirs angeordnet sein. Zum Beispiel kann der aktive Bereich so vorgesehen werden, dass ein Reservoir über den n-leitenden Schichten, eine erste Barriereschicht über dem Reservoir, ein erster Quantentopf über der ersten Barriere, eine zweite Barriere über dem ersten Quantentopf, ein zweiter Quantentopf über der zweiten Barriere, eine dritte Barriere über dem zweiten Quantentopf und sodann ein zweites Reservoir über der dritten Barriere angeordnet wird. Zweitens können Reservoirs lediglich im Mittelpunkt des aktiven Bereichs verwendet werden. Die äußersten Schichten des aktiven Bereichs können Barriereschichten oder Quantentöpfe sein und müssen nicht, wie bei der in 1 dargestellten Anordnung, durch Reservoirschichten dargestellt sein. Drittens können verschiedene Reservoirschichten verschiedene Zusammensetzungen oder Dicken aufweisen. Die Reservoirschichten müssen keine identische Zusammensetzung und Dicke wie bei der in 1 dargestellten Anordnung aufweisen. Viertens muss die Platzierung von Reservoirschichten in dem aktiven Bereich nicht symmetrisch sein. Zum Beispiel kann eine Anordnung ein Reservoir in Angrenzung an die n-leitenden Schichten auf einer Seite des aktiven Bereichs und dann eine Barriereschicht oder einen Quantentopf in Angrenzung an die p-leitenden Schichten auf der anderen Seite des aktiven Bereichs aufweisen.
4 zeigt eine Licht emittierende Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der in 4 dargestellten Anordnung sind die Quantentopfschichten 14 von den Reservoirschichten 12 nicht durch Barriereschichten getrennt. Barriereschicht 13 kann, wie in 4 dargestellt, Quantentopfschichten 14 voneinander trennen, oder die Quantentopfschichten 14 können durch eine weitere Reservoirschicht voneinander getrennt werden.
5 bis 8 zeigen Beispiele von Leitungsbandkantenenergiediagrammen für einige der Schichten der in 4 dargestellten Anordnung. Wie in den 5 bis 8 darge stellt, können Reservoirschichten 12 eine gradierte Zusammensetzung aufweisen. Der Begriff „gradiert", wie hier bei Beschreiben der Zusammensetzung oder der Dotierungskonzentration in einer Schicht bzw. Schichten in einer Anordnung verwendet, ist so zu interpretieren, dass er eine Struktur betrifft, bei welcher eine Änderung der Zusammensetzung und/oder Dotierungskonzentration auf andere Weise als bei einer Einzelstufenänderung der Zusammensetzung und/oder Dotierungskonzentration erreicht wird. In einem Beispiel, wie in 7 dargestellt, ist das gradierte Reservoir durch einen Schichtenstapel dargestellt, wobei jede der Schichten eine andere Zusammensetzung und/oder Dotierungskonzentration als jede angrenzende Schicht aufweist. Sollten die Schichten eine auflösbare Dicke aufweisen, ist der gradierte Bereich als „Step-Graded" oder „Index-Graded" Bereich bekannt. In dem Grenzbereich, in dem die Dicke einzelner Schichten sich Null nähert, ist der gradierte Reservoirbereich als kontinuierlich gradierter Bereich bekannt. Die Schichten, welche den gradierten Reservoirbereich bilden, können so vorgesehen sein, dass sie verschiedene Profile in der Zusammensetzung und/oder Dotierungskonzentration vs. Dicke, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, linearer Anstiege, parabolischer Anstiege sowie Power-Law-Anstiege, bilden. Ebenso sind gradierte Reservoirbereiche nicht auf ein einziges Gradationsprofil beschränkt, sondern können Teile mit verschiedenen Gradationsprofilen sowie einen oder mehrere Teile mit Bereichen, die eine im Wesentlichen konstante Zusammensetzung und/oder Dotierungskonzentration aufweisen, umfassen.
Wie in den 5 und 6 dargestellt, können Reservoirschichten 12 mit linearer, monotoner Stufung in der Zusammensetzung vorgesehen werden. Bei der in 5 dargestellten Anordnung ist die Zusammensetzung von Indium in Reservoir 12 von dem prozentualen Anteil von Indium in n-leitenden Schichten 11, typischerweise Null, bis zu einer Indiumzusammensetzung, welche geringer als die Indiumzusammensetzung in den Quantentopfschichten 14 ist, gradiert. Die Indiumzusammensetzung nimmt dann in Quantentopfschicht 14 zu. Wie in der aus 6 ersichtlichen Anordnung dargestellt, kann die Indiumzusammensetzung in Reservoirschicht 12 von der Indiumzusammensetzung in den n-leitenden Schichten 11 bis zu der Indiumzusammensetzung in Quantentopf 14 ohne eine abrupte Stufenänderung der Indiumzusammensetzung zwischen dem gradierten Reservoirbereich 12 und der Quantentopfschicht 14 kontinuierlich gradiert sein. Ebenso zeigt 6, dass die Gradation in dem Reservoir in Angrenzung an die n-leitenden Schichten 11 nicht mit der Gradation des Reservoirbereichs in Angrenzung an die p-leitenden Schichten 15 identisch oder symmetrisch zu dieser sein muss.
Bei der in 7 dargestellten Anordnung ist Reservoir 12 durch eine Reihe von Schichten dargestellt, wobei jede eine andere Indiumzusammensetzung aufweist. In Reservoir 12 in Angrenzung an die p-leitenden Schichten 11 wird die Zusammensetzung von Indium bei Aufbringen jeder der Schichten erhöht. Die Erhöhung bzw. Verringerung der Indiumzusammensetzung muss nicht bei jeder Schicht in dem stufenweise gradierten Reservoir gleich sein. Bei der in 8 dargestellten Anordnung werden Reservoirs 12 mit nicht linearer, monotoner Stufung in der Zusammensetzung vorgesehen.
Die in den 5–8 dargestellten und oben beschriebenen Gradationsschemen der Reservoirschicht sind von einer geringen Indiumzusammensetzung in den n-leitenden und p-leitenden Schichten in Angrenzung an den aktiven Bereich bis zu einer hohen Indiumzusammensetzung in dem Bereich des Reservoirs in Angrenzung an die Quantentopfschichten in dem aktiven Bereich gradiert. Die Gradation wird so ausgewählt, dass ein „Trichter" entsteht, welcher Ladungsträger in die Quantentopfschichten leitet. Darüber hinaus erhöht das Vorhandensein gradierter Reservoirschichten unmittelbar in Angrenzung an den aktiven Bereich die Menge des Materials, welches vorgesehen ist, um Ladungsträger zu halten, wodurch die Anzahl der den Quantentopfschichten zur Verfügung stehenden Ladungsträgern erhöht wird.
9 zeigt eine Licht emittierende Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der in 9 dargestellten Anordnung bilden die Quantentopfschichten 14 und die Barriereschichten 13 in dem aktiven Bereich 18 ein Übergitter. Die Quantentopfschichten und die Barriereschichten können die gleiche Indiumzusammensetzung wie die oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Anordnung aufweisen. Bei einem Übergitter können die Quantentopfschichten eine Dicke zwischen etwa 5 Angström und etwa 50 Angström aufweisen und weisen oftmals eine Dicke zwischen etwa 20 Angström und etwa 40 Angström auf. Die Barriereschichten können eine Dicke zwischen etwa 5 Angström und etwa 110 Angström aufweisen und weisen oftmals eine geringere Dicke als 25 Angström auf. Die Barriereschichten sind dünn genug, damit Ladungsträger durch Barriereschichten 13 in dem aktiven Bereich 18 zwischen Quantentopfschichten 14 tunneln können. Bei einer bestimmten Barrierendicke ist die Durchtunnelungsrate von der Breite des Quantentopfes abhängig. Während die Dicke des Quantentopfes abnimmt, nimmt die Durchtunnelungsrate zu, da sich die Differenz des Energieniveaus zwischen dem Quantentopf und der Barriere verringert. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Dicke jedes Quantentopfes in dem aktiven Bereich der gewünschten Durchtunne lungsrate in der Nähe dieses Quantentopfes entsprechend ausgewählt werden. Das in 9 dargestellte Übergitter als aktiver Bereich kann mit den in den 1 bis 8 dargestellten Reservoirschichten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die in 9 dargestellte Anordnung Reservoirschichten auf einer oder beiden Seiten des Übergitters und/oder eine oder mehrere Reservoirschichten innerhalb des Übergitters umfassen.
Sind die Barrieren dünn genug, damit Ladungsträger, wie in 9 dargestellt, zwischen Quantentopfschichten tunneln können, sind die Quantentopfschichten „gekoppelt", was bedeutet, dass sich der aktive Bereich 18 wie eine einzelne Quantentopfschicht, nicht jedoch wie mehrere diskrete, dünne Quantentopfschichten verhält. Diese Kopplung kann mehrere Vorteile bieten. Da Ladungsträger zwischen Quantentopfschichten tunneln, können die Ladungsträger erstens in jedem der Quantentöpfe gefunden werden, wobei die Ladungsträger aktiverem Material ausgesetzt sind. Dieses stellt eine Verbesserung gegenüber einem konventionellen, aktiven Bereich mit dicken Barriereschichten dar. Infolgedessen sind mehr Ladungsträger zur Rekombination in den Quantentopfschichten des aktiven Bereichs vorhanden, welche die Lichtleistung der Anordnung erhöhen können.
Zweitens kann in einem Übergitter als aktiver Bereich ein geringerer Beschränkungsnachteil als in einem konventionellen, aktiven Bereich mit dicken Barriereschichten bestehen. Der Beschränkungsnachteil ist in den 10A–10C dargestellt, welche Leitungsbandkantenenergiediagramme für einen dünnen Quantentopf (10A), einen dicken Quantentopf (10B) und ein Übergitter als aktiven Bereich (10C) zeigen. Linie 121 stellt ein Energieniveau dar, welches ein Ladungsträger in dem aus 10A ersichtlichen Quantentopf einnehmen muss. Da der Quantentopf von 10A dünn ist und der Ladungsträger auf einen kleinen Raum begrenzt ist, ist Energieniveau 121 hoch. Dagegen ist das Energieniveau 122 in dem breiten Quantentopf von 10B wesentlich geringer als Energieniveau 121 in 10A, da der Ladungsträger in dem breiten Quantentopf von 10B weniger begrenzt ist. 10C zeigt ein Energieniveau 123, welches ein Ladungsträger in einem Übergitter als aktiven Bereich einnehmen muss. Man kann sich das Übergitter so vorstellen, dass es wie ein breiter Quantentopf mit mehreren „Säulen" darin wirkt. Hier „befinden" sich die Ladungsträger in einem der Töpfe und werden daher im Vergleich zu einem dünnen Quantentopf besser verteilt. Das Vorhandensein der Barriereschicht-„Säulen" erhöht die Energie eines Topfes mit der gleichen Breite des aktiven Bereichs. Das Energieniveau bestimmt die Farbe der Emission von der Anordnung. Da die Zusammensetzung von Indium in den Quantentopfschichten ebenfalls die Emissionsfarbe beeinflusst, kann eine Reduzierung des Energieniveaus unter Verwendung eines Übergitters als aktiven Bereich die für eine bestimmte Emissionsfarbe erforderliche Indiumzusammensetzung reduzieren. Wie oben beschrieben, leidet typischerweise die Kristallqualität der Schicht, während der Anteil an Indium in einer Schicht zunimmt. Eine schlechte Kristallqualität kann eine reduzierte Effektivität hervorrufen. Somit können Anordnungen, welche ein Übergitter als aktive Bereiche vorsehen, leistungsfähiger sein, während Licht der gleichen Farbe wie von Anordnungen mit ungekoppelten Quantentöpfen mit einer höheren Indiumzusammensetzung emittiert wird.
Drittens kann ein Übergitter als aktiver Bereich die Einflüsse von Polarisationsfeldern reduzieren. 11 zeigt ein Energiebanddiagramm für ein Übergitter als aktiven Bereich. Die in einem Übergitter als aktiven Bereich verwendeten, dünnen Barriereschichten können die Einflüsse von Polarisationsfeldern durch Zulassen einer räumlich indirekten Rekombination, welche die Menge des von einem aktiven Bereich erzeugten Lichts erhöhen kann, reduzieren. Auf Grund des Polarisationsfeldes, welches den Boden jedes Quantentopfes „schief legt", haben Ladungsträger die Tendenz, sich in den Bereichen 110 jeder Quantentopfschicht zu sammeln. Da die Barriereschichten in einem Übergitter als aktiven Bereich dünn sind, können Ladungsträger, wie durch Pfeil 114 dargestellt, imstande sein, über Barriereschichten zu rekombinieren.
12 ist eine Explosionsdarstellung einer gehäusten, Licht emittierenden Anordnung. Ein Wärmeableitungs-„Slug" 100 wird in einen gegossenen Leiterrahmen 106 eingesetzt. Der gegossene Träger 106 ist zum Beispiel ein gefülltes Kunststoffmaterial, welches um einen Metallrahmen, der einen Stromweg vorsieht, geformt wird. „Slug" 100 kann eine optionale Reflektorschale 102 aufweisen. Der LED-Chip 104, welcher durch eine der oben beschriebenen Anordnungen dargestellt sein kann, wird durch eine thermisch leitende Montagebasis 103 direkt oder indirekt an „Slug" 100 angebracht. Es kann zusätzlich eine optische Linse 108 angeordnet sein.
Auf Grund der vorliegenden, detaillierten Beschreibung können von Fachkundigen Modifikationen vorgenommen werden, ohne dabei von der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, abzuweichen. Der Anwendungsbereich der Erfindung ist daher nicht auf die dargestellten und beschriebenen, spezifischen Ausführungsbeispiele zu beschränken.

Claims

Licht emittierende Anordnung mit: einem Substrat (10), einem Bereich (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp, welcher über dem Substrat (10) angeordnet ist, einem aktiven Bereich (18), welcher über dem Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, wobei der aktive Bereich aufweist: eine Quantentopfschicht (14), wobei diese Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) enthält und einen ersten Bandabstand aufweist, eine Barriereschicht (13) und eine Reservoirschicht (12), wobei diese Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) enthält, einen zweiten Bandabstand aufweist und der Quantentopfschicht (14) Ladungsträger zuführt, sowie einen Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp (15), welcher über dem aktiven Bereich angeordnet ist, wobei der erste Bandabstand geringer als der zweite Bandabstand ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammensetzung von zumindest einem Teil der Reservoirschicht (12) von einer ersten Indiumzusammensetzung in einem ersten Teil der Reservoirschicht in Angrenzung an einen der Bereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp (11) und zweiten Leitfähigkeitstyp (15) bis zu einer zweiten Zusammensetzung in einem zweiten Teil der Reservoirschicht in Angrenzung an die Quantentopfschicht (14) oder die Barriereschicht (13) gradiert ist, und die Indiumkonzentration in der ersten Indiumzusammensetzung geringer als diese in der zweiten Indiumzusammensetzung ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei: die Barriereschicht (13) einen dritten Bandabstand aufweist und der dritte Bandabstand größer als der zweite Bandabstand ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei: die Quantentopfschicht (14) eine erste Indiumzusammensetzung aufweist, die Reservoirschicht (12) eine zweite Indiumzusammensetzung aufweist und die Reservoirschicht (12) weniger Indium als die Quantentopfschicht (14) enthält.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 3, wobei: die Barriereschicht (13) eine dritte Indiumzusammensetzung aufweist und die Reservoirschicht (12) mehr Indium als die Barriereschicht (13) enthält.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (13) zwischen der Quantentopfschicht (14) und der Reservoirschicht (12) angeordnet ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei: die Quantentopfschicht (14) eine erste Dicke aufweist, die Reservoirschicht (12) eine zweite Dicke aufweist und die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 6, wobei: die Barriereschicht (13) eine dritte Dicke aufweist und die erste Dicke größer als die dritte Dicke ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei: die Barriereschicht (13) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 5,0 nm aufweist, die Quantentopfschicht (14) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 10,0 nm aufweist und die Reservoirschicht (12) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 25,0 nm aufweist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei: die Reservoirschicht (12) mehrere Unterschichten vorsieht, wobei jede Unterschicht eine Indiumzusammensetzung aufweist, eine Unterschicht mit der geringsten Indiumzusammensetzung in Angrenzung an den Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp oder den Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist und eine Unterschicht mit der höchsten Indiumzusammensetzung in Angrenzung an die Quantentopfschicht oder die Barriereschicht angeordnet ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Stufung monoton ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung in einem Profil, welches aus der Gruppe linearer, abgestufter und parabolischer Profile ausgewählt wird, gradiert ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Reservoirschicht einen ersten Teil mit einer konstanten Zusammensetzung und einen zweiten Teil mit einer gradierten Zusammensetzung aufweist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei diese weiterhin aufweist: einen ersten Kontakt (17), welcher mit dem Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp (11) verbunden ist, einen zweiten Kontakt (16), welcher mit dem Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp (15) verbunden ist, eine Montagebasis, welche mit dem ersten und dem zweiten Kontakt verbunden ist, sowie eine Linse (10), welche über dem Substrat angeordnet ist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei der aktive Bereich (18) ein Übergitter aus alternierenden Quantentopfschichten (14) und Barriereschichten (13) aufweist, wobei die Barriereschichten eine solche Dicke aufweisen, dass Ladungsträger durch die Barriereschichten zwischen Quantentopfschichten tunneln können.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei mindestens eine Barriereschicht eine Dicke zwischen 0,5 nm und 11,0 nm aufweist und mindestens eine Quantentopfschicht eine Dicke zwischen 2,0 nm und 4,0 nm aufweist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 14, wobei: mindestens eine Barriereschicht eine Dicke zwischen 0,5 nm und 2,5 nm aufweist und mindestens eine Quantentopfschicht eine Dicke zwischen 2,0 nm und 2,5 nm aufweist.
Licht emittierende Anordnung nach Anspruch 1, wobei diese weiterhin aufweist: einen ersten Kontakt, welcher mit dem Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp verbunden ist, einen zweiten Kontakt, welcher mit dem Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbunden ist, eine Montagebasis, welche mit dem ersten und zweiten Kontakt verbunden ist, sowie eine Linse, welche über dem Substrat angeordnet ist.