Verbesserung der lateralen Stromführung in hocheffizienten Halbleiterlichtquellen

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Ziel dieser Arbeit war es, durch eine Erhöhung der lateralen Leitfähigkeit von dünnen Epitaxieschichten, eine Verbesserung der Stromverteilung in InGaN-Leuchtdioden zu erreichen. Durch eine homogene Stromverteilung, gerade in Bereichen abseits der verwendeten Metallkontakte, kann eine gleichmäßige Ausleuchtung der Chipfläche zu einer verbesserten Lichtauskopplung und somit zu einer Effizienzsteigerung von Leuchtdioden beitragen.

Zur Umsetzung dieses Vorhabens wurden die Eigenschaften von modulationsdotierten n- bzw. p-leitfähigen AlGaN/AlN/GaN-Multiheterostrukturen untersucht. Hier entsteht an jeder AlGaN/GaN-Grenzfläche ein zweidimensionales Ladungsträgergas. Die sich hier akkumulierenden Ladungsträger sind räumlich von ihrem Donator- bzw. Akzeptoratom getrennt und besitzen daher, im Vergleich zu Ladungsträgern in dotierten Volumenkristallen, sehr hohe Beweglichkeiten. In Kombination mit einer hohen Ladungsträgerdichte ergeben sich in diesen Multiheterostrukturen folglich deutlich höhere spezifische Leitfähigkeiten als in hoch dotierten Volumenkristallen.

Das Erzielen von hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten ist sowohl in Volumenkristallen als auch in zweidimensionalen Ladungsträgergasen nur bei entsprechend hoher Kristallqualität möglich. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Epitaxieprozess entwickelt, durch den Galliumnitrid in höchster Qualität abgeschieden werden konnte. Im Vordergrund stand dabei die Optimierung einer sauerstoffdotierten Aluminiumnitrid-Nukleationsschicht so wie das Abscheiden von Siliziumnitrid-Zwischenschichten. Durch die Kombination beider Prozesse konnten GaN-Schichten mit hervorragenden optischen und kristallographischen Eigenschaften durch metallorganische Gasphasenepitaxie hergestellt werden. Röntgenhalbwertsbreiten von < 50 arcsec im symmetrischen (002)-Reflex bzw. < 200 arcsec im asymmetrischen (102)-Reflex, eine gemittelte Oberflächenrauigkeit von 0.16 nm bei einer betrachteten Fläche von 25 µm² sowie eine Halbwertsbreite des D0X-Übergangs in Tieftemperatur-Photolumineszenz (10 K) von 870 µeV belegen dies eindrucksvoll.

Zur Vorbereitung auf die experimentelle Untersuchung der dotierten AlGaN/AlN/GaN-Multiheterostrukturen wurden zunächst die elektrischen Eigenschaften von nominell undotierten AlGaN/AlN/GaN-Einzelheterostrukturen theoretisch berechnet. Im Experiment konnte an einer derartigen Struktur schließlich ein hervorragender Schichtwiderstand von ca. 300 Ω erzielt werden. Hier wurde bei einer Ladungsträgerdichte von 1.1 × 1013 cm-2 eine Beweglichkeit von 1900 cm2/Vs nachgewiesen. In entsprechend angepassten n-AlGaN/AlN/GaN-Multiheterostrukturen konnten spezifische laterale Leitfähigkeiten von bis zu 880 (Ωcm)-1 erzielt werden. Dies entspricht in etwa einer Steigerung von 600% gegenüber einer hoch dotierten n-GaN Schicht. Die als Stromaufweitungsschicht eingesetzten Multiheterostrukturen wiesen eine vertikale Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 0.2 (Ωcm)-1 auf. Tieftemperaturbeweglichkeiten von bis zu 27000 cm²/Vs (4 K) bei einer Ladungsträgerdichte von ca. 8 × 1012 cm-2 unterstrichen die hervorragenden elektrischen Eigenschaften der hier hergestellten n-leitfähigen Multiheterostrukturen.

Die an p-AlGaN/AlN/GaN-Multiheterostrukturen nachgewiesenen lateralen Leitfähigkeiten von bis zu 14 (Ωcm)-1 (295 K) markieren im internationalen Vergleich absolute Spitzenwerte. Die vertikale Leitfähigkeit einer derartigen Struktur konnte hier in etwa zu 0.02 (Ωcm)-1 bestimmt werden.

Inwieweit die hier entwickelten AlGaN/AlN/GaN-Multiheterostrukturen als Stromaufweitungsschichten eingesetzt werden können, wurde abschließend an LEDs mit einer Chip-Fläche von 300 × 300 µm² untersucht. Anhand von Leuchtdichtebildern konnte eine drastisch verbesserte Stromaufweitung sowohl auf der n- als auch auf der p-Seite der LEDs nachgewiesen werden. Auf Grund der reduzierten vertikalen Leitfähigkeit der Stromaufweitungsschichten war hier allerdings ein leicht erhöhter Spannungsabfall beim Betrieb der Dioden zu beobachten. Auf Grund des großen Potentials derartiger Stromaufweitungsschichten ist deren Integration in großflächige Hochleistungs-LEDs (Chip-Fläche 1mm²) in Zukunft angedacht.