DE69835216T2

DE69835216T2 - Halbleitervorrichtung aus einer nitridverbindung

Info

Publication number: DE69835216T2
Application number: DE69835216T
Authority: DE
Inventors: Nichia Chemical Industries Shuji Anan-shi NAKAMURA; Nichia Chemical Industries Takashi Anan-shi MUKAI; Nichia Chemical Industries Koji Anan-shi TANIZAWA; Nichia Chemical Industries Tomotsugu Anan-shi MITANI; Nichia Chemical Industries Hiromitsu Anan-shi MARUI
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: CN1142598C; WO1999005728A1; EP1014455A4; US20080149955A1; CA2298491C; US8592841B2; EP1014455B1; US20140077157A1; US20030010993A1; CA2298491A1; AU8358498A; DE69835216D1; CN1265228A; AU747260B2; US7365369B2; EP1014455A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung, die mit einem Nitridhalbleiter ausgestattet ist (In_xAl_yGa_1-x-yN, 0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) wie LED (Lumineszenzdiode) und LD (Laserdiode).
Hintergrund der Erfindung
Nitridhalbleiter werden seit kurzem als Materialien für sehr helle rein grüne LED und blaue LED hergestellt, als Lichtquellen für Ampeln, Bildscanner und dergleichen, zur vollen farbigen LED Anzeige. Diese LED haben alle folgende Basisstruktur wie eine Pufferschicht, eine Kontaktschicht auf der n-Seite aus Si-dotiertem GaN, eine Aktivschicht aus InGaN in Form einer Einzelquantentopfstruktur (SQE) oder einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) einschließlich InGaN, eine aus mit Mg-dotierten AlGaN Claddingschicht auf der p-Seite und eine aus Mg dotierten GaN Kontaktschicht auf der p-Seite, die abwechselnd auf einem Saphirsubstrat laminiert werden. Solche LED weisen ausgezeichnete Eigenschaften auf und es können beispielsweise bei 20 mA eine lichtemittierende Wellenlänge von 450 nm, 5 mW Leistungsabgabe und 9,1 % der externen Quantenausbeute für blau leuchtende LED und eine lichtemittierende Wellenlänge von 520 nm, 3 mW Leistungsabgabe und 6,3 % der externen Quantenausbeute für grüne LED erzielt werden.
Die Erfinder haben als Erste eine Laserdiode realisiert, die mit einer Wellenlänge von 410 nm bei Raumtemperatur Licht emittiert, unter Anwendung der obigen Nitrid-Materialien und es in Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74 und Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L217 veröffentlicht. Die Laserdiode besteht aus einer Doppelheterostruktur, bei der die Aktivschicht eine Mehrfachquantentopfschicht ist (MQW) mit InGaN Topfschichten mit folgenden Daten:
Schwellstrom: 610 mA;
Schwellstromdichte: 8,7 kA/m2;
Wellenlänge: 410 nm
(Impulslänge 2 μm und Impulstakt 2 ms)
Die Erfinder waren als Erste bei der CW (Dauerwellen)-Oszillation bzw. dem CW-Betrieb bei Raumtemperatur erfolgreich und haben dies in Gujutsu-Sokuho von Nikkei Electronis am 02.12.1996, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) und Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4056 veröffentlicht.
Die Laserdiode hatte bei 20 °C bei einer Schwellstromdichte von 3,6 kA/cm², einer Schwellenspannung von 5,5 V und einer Leistung von 1,5 mW eine Lebensdauer von 27 Stunden.
Folglich wurden die Nitridhalbleiter als Material für LED hergestellt. Und für eine LD, für CW-Oszillation oder -Betrieb, solange einige zehn Stunden erreicht werden können. Jedoch ist eine weitere Steigerung der Leistungsabgabe erforderlich, um die LEDs zur Beleuchtung oder als den direkten Sonnenstrahlen ausgesetztes Außendisplay und dergleichen zu verwenden. Und es ist notwendig, LDs zu verbessern, um die Grenzbereiche innerhalb der LDs zu senken und eine längere Lebensdauer zu erreichen und die LD als Lichtquelle wie Lichtabtaster, DVD und dergleichen zu verwenden. Besagte LD hat einen Durchlassstrom von 20 mA und eine Vf (Durchlassspannung) von fast 3,6 V. Weitere Senkung der Durchlassspannung führt zur Senkung der Wärmeentstehung in der Vorrichtung und damit zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit. Es ist äußerst wichtig, die Schwellenspannung in der Laservorrichtung zu senken, um eine längere Lebensdauer der Vorrichtung zu realisieren.
In Anbetracht dieser Umstände wurde diese Erfindung gemacht. Das Hauptziel dieser Erfindung ist es, die Leistung der Nitridhalbleiter-Vorrichtungen wie LED und LD zu verbessern und deren Durchlassspannung sowie Schwellenspannung zu senken, was in einer Erhöhung der Verlässlichkeit der Vorrichtungen resultiert. Im Einzelnen ist das erste Ziel der vorliegenden Erfindung, die Ladungskonzentration der n-Typ Kontaktschicht zu erhöhen und den spezifischen Widerstand zu senken.
Ferner ist das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung eine n-Typ Struktur der Nitridschicht bereitzustellen, auf der die Ladungskonzentration der n-Typ Kontaktschicht erhöht wird und die Kristallinität der Nitridhalbleiterschicht, die auf der n-Typ Kontaktschicht gebildet wird, verbessert werden kann.
EP 678945 beschreibt eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung, die aus einem Substrat, einer Pufferschicht, einer n-Typ Kontaktschicht, einer undotierten Schicht, einer Aktivschicht und einer p-Typ Kontaktschicht besteht, wobei jede Schicht aus einem Nitridhalbleiter hergestellt ist.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
In diesem Fall bedeutet eine undotierte Nitridhalbleiterschicht eine absichtlich nicht dotierte Schicht und schließt eine Nitridhalbleiterschicht ein, die eine Verunreinigung enthalten kann, die ursprünglich aus dem Rohstoff stammt, die durch die Verunreinigung innerhalb des Reaktors und durch Diffusion der anderen Schichten, die beabsichtigt mit einer Verunreinigung dotiert sind, unbeabsichtigt eingefügt wird. Eine n-Typ Verunreinigung schließt Gruppe IV Elemente wie Si, Ge, Sn und dergleichen ein, wobei Si bevorzugt wird. Die Nitridhalbleiterschichten, die damit laminiert sind, einschließlich der n-Typ Kontaktschicht, können beispielsweise aus GaN, InGaN und AlGaN hergestellt sein und vorzugsweise sollte die n-Typ Kontaktschicht aus GaN ohne In oder Al hergestellt sein. Die undotierte Nitridhalbleiterschichten, die auf beiden Seiten der n-Typ Kontaktschicht gebildet werden, werden unten detailliert beschrieben. Die n-Typ Kontaktschicht ist die zweite Schicht einer dreilagig-laminierten Struktur, die erste Nitridhalbleiterschicht wird auf deren Substratseite gebildet und sollte vorzugsweise aus GaN oder AlGaN hergestellt und die dritte Nitridhalbleiterschicht auf der Gegenseite der n-Typ Kontaktschicht zum Substrat kann bevorzugt aus GaN, InGaN oder AlGaN hergestellt sein. Vor allem sollte die dreilagig-laminierte Struktur aus einer undotierten GaN-Schicht (dritte Schicht)/Si-dotierten GaN-Schicht (zweite Schicht)/undotierten GaN-Schicht (erste Schicht) bestehen, in der die Si-dotierte n-Typ Kontaktschicht (zweite Schicht) zwischen die undotierten GaN-Schichten eingeschoben wird.
Die zweite Nitridhalbleiterschicht (n-Typ Kontaktschicht) kann eine Ladungskonzentration von nicht weniger als 3 × 10¹⁸/cm³ und einen spezifischen Widerstand von weniger als 8 × 10^–3/ Ωcm im Hinblick auf die Beweglichkeit der Schicht haben. Der spezifische Widerstand der konventionellen n-Typ Kontaktschicht wurde auf 8 × 10^–3/Ωcm beschränkt (beispielsweise US-A 5,733,796). Die Verminderung des spezifischen Widerstands kann die Durchlassspannung senken. Ein spezifischer Widerstand von 6 × 10^–3/Ωcm oder weniger kann erreicht werden und noch wünschenswerter 4 × 10^–3/Ωcm oder niedriger. Die Untergrenze ist nicht festgelegt und es ist wünschenswert, diese auf 1 × 10^–5/Ωcm oder höher festzulegen. Wenn der spezifische Widerstand unter die Untergrenze sinkt, dann wird der Anteil der Verunreinigung zu hoch und die Kristallinität des Nitridhalbleiters nimmt tendenziell ab.
Zudem lässt man eine Pufferschicht, die sich bei einer niedrigeren Temperatur als die der ersten Nitridhalbleiterschicht ausdehnt, zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht wachsen.
Die Pufferschicht kann beispielsweise aus wachsendem AlN, GaN, AlGaN und dergleichen bestehen und die Temperaturen reichen von 400 °C bis 900 °C bis zu einer Dicke von 0,5 μm oder weniger und sie hat die Aufgabe einer Basisschicht, um eine falsche Gitteranpassung zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht auszugleichen und dient zum Wachsen der ersten Nitridhalbleiterschicht mit einer guten Kristallinität. Besonders im Fall, wenn die erste Nitridhalbleiterschicht aus GaN besteht, sollte die Pufferschicht vorzugsweise aus GaN bestehen.
Weiter sollte die Dicke der dritten Nitridhalbleiterschicht bevorzugt 0,5 μm oder weniger betragen. Vorzugsweise sollte die Dicke der dritten Nitridhalbleiterschicht 0,2 μm, noch besser 0,15 μm oder weniger betragen. Die Untergrenze ist nicht festgelegt und es ist wünschenswert, diese auf 10 Ångström oder mehr festzulegen, vorzugsweise 50 Ångström oder mehr und am besten auf 100 Ångström oder mehr (1 Ångström = 0,1 nm). Da die dritte Nitridhalbleiterschicht eine undotierte Schicht ist und in der Regel einen hohen spezifischen Widerstand von 0,1 Ω cm oder mehr aufweist, tendiert die Durchlassspannung im Falle, dass die dritte Nitridhalbleiterschicht dick ist, nicht zur Abnahme.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Nitridhalbleiter-Vorrichtung vorgestellt, die eine lichtemittierende Vorrichtung auf einem Substrat ist, und mindestens eine n-Typ Kontaktschicht, die eine n-Elektrode auf dem Substrat bildet, eine Aktivschicht, auf der Elektronen und Löcher rekombiniert werden und eine p-Elektrode bildende p-Typ Kontaktschicht umfasst, wobei jede Schicht aus Nitridhalbleitern besteht, worin die n-Typ Kontaktschicht eine Übergitterstruktur aufweist, die durch Laminierung von mindestens einer Nitridhalbleiterschicht dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht hergestellt wird. Ebenso, wie im Falle der ersten, oben beschriebenen Nitridhalbleiter-Vorrichtung, sind die erste und die dritte Nitridhalbleiterschicht nicht mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert und auf der ersten und zweiten Oberfläche der n-Typ Kontaktschicht gebildet, entsprechend einer Weise, dass die zweite Nitridhalbleiterschicht (n-Typ Kontaktschicht) zwischen der ersten und dritten Schicht eingeschoben wird.
Bei der zweiten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung bedeutet die Übergitterstruktur eine Struktur durch Laminierung der Nitridhalbleiterschichten, die eine Dicke von 100 Ångström oder weniger aufweisen, vorzugsweise 70 Ångström oder weniger und am besten 50 Ångström oder weniger auf der Multischichtstruktur aufweisen. Die Übergitterstruktur schließt eine Art von Multischichtfilm ein, der durch Laminierung von Schichten, die untereinander verschiedene Strukturen aufweisen, gebildet wird und eine Art von Multischichtfilm, der durch die Laminierung von Schichten mit gleicher Struktur entsteht, die jeweils unterschiedliche Mengen von n-Typ Verunreinigungen aufweisen. Weiter ist eine undotierte Nitridhalbleiterschicht eine Nitridhalbleiterschicht, die nicht absichtlich mit einer Verunreinigung dotiert ist und die gleiche Bedeutung hat, wie im oben genannten Fall der ersten lichtemittierenden Vorrichtung.
Auch bei der zweiten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung wird eine Pufferschicht, die man bei einer niedrigeren Temperatur wachsen lässt als die erste Nitridhalbleiterschicht, zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht gebildet. Die Pufferschicht kann beispielsweise aus wachsendem AlN, GaN, AlGaN und dergleichen bestehen und die Temperaturen reichen von 400 °C bis 900 °C bis zu einer Dicke von 0,5 μm oder weniger und hat die Aufgabe einer Basisschicht, um eine falsche Gitteranpassung zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht auszugleichen und dient zum Wachsen der ersten Nitridhalbleiterschicht mit einer guten Kristallinität.
Die Übergitterstruktur der n-Typ Kontaktschicht kann aus der Laminierung von zwei Arten von Nitridhalbleiterschichten hergestellt sein, die zueinander unterschiedliche Bandlückenenergien aufweisen.
In diesem Fall ist eine der Schichten nicht mit einer Verunreinigung dotiert, d. h. sie ist eine undotierte Schicht. Entweder ist die Schicht, die eine höhere Bandlückenenergie hat, mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert oder die Schicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie aufweist, ist mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert.
Weiterhin wird in vorliegender Erfindung die Übergitterstruktur besagter n-Typ Kontaktschicht durch Laminierung von zwei Arten von Schichten, welche die gleiche Struktur haben, hergestellt, es sei denn, eine der beiden Nitridhalbleiterschichten ist eine undotierte Schicht.
Im Besonderen wird eine typische n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur aus der abwechselnden Laminierung von Nitridhalbleiterschichten, die aus einer Kombination von GaN/GaN, InGaN/GaN, AlGaN/GaN und InGaN/AlGaN ausgewählt werden, hergestellt und eine der Nitridhalbleiterschichten ist vorzugsweise mit Si dotiert.
Weiterhin ist die dritte Nitridhalbleiterschicht undotiert und hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 μm oder weniger. Vorzugsweise besitzt die dritte Nitridhalbleiterschicht eine Dicke von 500 Ångström oder weniger und noch besser 200 Ångström oder weniger. Die Untergrenze ist nicht festgelegt und es ist wünschenswert, diese auf 10 Ångström oder höher festzulegen. Im Falle, dass es sich bei dieser dritten Nitridhalbleiterschicht nicht um eine Übergitterstruktur handelt, sondern um eine undotierte Einzelschicht, ist der spezifische Widerstand selbiger normalerweise so hoch wie 1 × 10^–1/Ωcm oder mehr. Daher tendiert, wenn die dritte Nitridhalbleiterschicht auf eine Dicke von mehr als 0,1 μm anwächst, die Durchlassspannung im Gegenteil dazu, nicht abzufallen. Da die dritte Nitridhalbleiterschicht eine undotierte Schicht ist, hat die Nitridhalbleiterschicht eine gute Kristallinität und die Aktivschicht, die darauf wächst, besitzt ebenfalls eine gute Kristallinität, was zu einer guten Verbesserung der Leistung führt.
Die n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur kann eine Ladungskonzentration von nicht weniger als 3 × 10¹⁸/cm³ aufweisen und im Hinblick auf die Fließfähigkeit der Schicht beträgt ihr spezifischer Widerstand weniger als 8 × 10^–3/Ωcm. Der spezifische Widerstand der vorherigen n-Typ Kontaktschicht ist auf 8 × 10^–3/Ωcm begrenzt, jedoch kann die Senkung des spezifischen Widerstands zu einer Senkung der Durchlassspannung führen, wie im Falle der ersten Nitridhalbleiter-Vorrichtung.
Der realisierbare spezifische Widerstand beträgt 6 × 10^–3/Ω cm oder weniger, vorzugsweise 4 × 10^–3/Ω cm oder weniger. Die Untergrenze ist nicht im Besonderen festgelegt und sollte wünschenswerter Weise auf 1 × 10^–5/Ω cm oder mehr geregelt werden. Wenn der spezifische Widerstand unter der Untergrenze liegt, dann ist der Anteil an einer Verunreinigung zu hoch und die Kristallinität des Nitridhalbleiters tendiert zur Verschlechterung.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
1 ist ein schematischer Schnitt der Struktur der LED-Vorrichtung der Ausführung gemäß vorliegender Erfindung.
2 ist ein schematischer Schnitt der Struktur der LED-Vorrichtung einer anderen Ausführung gemäß vorliegender Erfindung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
AUSFÜHRUNG 1
Die erste lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Nitridhalbleiter mit einer dreilagig-laminierten Struktur zwischen der Aktivschicht und der Pufferschicht. Die erste Nitridhalbleiterschicht ist deshalb undotiert, um eine zweite Nitridhalbleiterschicht wachsen zu lassen, die eine n-Typ Verunreinigung enthält und gute Kristallinität aufweist. Wenn die erste Nitridhalbleiterschicht absichtlich mit einer Verunreinigung dotiert ist, verschlechtert sich die Kristallinität derselben und es ist schwierig, eine zweite Nitridhalbleiterschicht wachsen zu lassen, die eine gute Kristallinität aufweist. Als nächstes wird die zweite Nitridhalbleiterschicht mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert und hat einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine hohe Ladungskonzentration, um als Kontaktschicht zu dienen und eine n-Elektrode zu bilden. Daher ist der spezifische Widerstand der zweiten Nitridhalbleiterschicht wünschenswerter Weise so niedrig wie möglich, um einen guten ohmschen Kontakt mit dem Material der n-Elektroden zu erreichen und ist vorzugsweise niedriger als 8 × 10^–3/Ω cm. Als nächstes ist die dritte Nitridhalbleiterschicht ebenfalls undotiert. Dies ist der Fall, da die zweite Nitridhalbleiterschicht, die einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine hohe Ladungskonzentration aufweist, keine wirklich gute Kristallinität hat. Wenn man eine Aktivschicht, Cladding-Schicht und dergleichen direkt auf einer solchen zweiten Nitridhalbleiterschicht wachsen lässt, dann nimmt die Kristallinität dieser Schichten ab. Wenn die dritte Nitridhalbleiterschicht, die undotiert ist und eine gute Kristallinität aufweist, zwischen diese Schichten eingeschoben wird, dann dient die dritte Nitridhalbleiterschicht als eine Pufferschicht, um die Aktivschicht wachsen zu lassen. Weiterhin, wenn die undotierte Schicht mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand zwischen die Aktivschicht und die zweite Schicht geschoben wird, kann der Leckstrom der Vorrichtung verhindert werden, und die Spannungsrückwirkung kann erhöht werden. Die zweite Nitridhalbleiterschicht hat zudem eine Trägerdichte von mehr als 3 × 10¹⁸/cm³. Eine n-Typ Verunreinigung schließt Gruppe IV Elemente ein, und bevorzugt wird Si oder Ge verwendet, besser Si.
In der ersten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung kann man aufgrund der undotierten ersten Nitridhalbleiterschicht zwischen der Aktivschicht und der Pufferschicht die zweite, mit einer n-Typ Verunreinigung dotierte Nitridhalbleiterschicht auf solche Art wachsen lassen, dass die Kristallinität der zweiten Nitridhalbleiterschicht aufrechterhalten wird. Daher kann man die zweite Nitridhalbleiterschicht dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung, die eine gute Kristallinität hat und eine große Dicke aufweist, wachsen lassen. Zudem dient die undotierte dritte Nitridhalbleiterschicht als Basisschicht mit einer guten Kristallinität für die Schicht, die hierauf wachsen soll. Daher kann der spezifische Widerstand der zweiten Nitridhalbleiterschicht gesenkt werden und die Ladungskonzentration derselben erhöht werden, was zu einer Realisierung einer Nitridhalbleiter-Vorrichtung führt, die sehr effizient ist. So kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung mit niedriger Durchlassspannung und Grenzwerten realisiert und der Heizwert der Vorrichtung gesenkt werden mit dem Ergebnis, dass die Vorrichtung sehr zuverlässig ist.
Ausführung 2
Die zweite lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Nitridhalbleiter-Übergitterstruktur als n-Typ Kontaktschicht zwischen der Aktivschicht und der Pufferschicht. Diese Übergitterstruktur besitzt eine erste und eine zweite Oberfläche und hat eine erste undotierte Nitridhalbleiterschicht auf der ersten Oberfläche, um so eine Übergitterstruktur mit einer guten Kristallinität wachsen zu lassen. Die n-Typ Verunreinigung schließt die IVer-Gruppenelemente ein und bevorzugt wird Si oder Ge verwendet, besser Si.
Wenn als nächstes die n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur vorliegt, hat jede Nitridhalbleiterschicht, die eine Übergitterstruktur bildet, eine Dicke, die nicht höher als die der Elastizitätsgrenze derselben ist und daher kann man die Nitridhalbleiter n-Typ Kontaktschicht mit sehr geringen Kristalldefekten wachsen lassen. Zudem können die Kristalldefekte, die sich zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht und der Pufferschicht aus dem Substrat bilden, bis zu einem gewissen Grad verhindert werden; die dritte Nitridhalbleiterschicht, die eine gute Kristallinität aufweist, kann man auf der Übergitterstruktur wachsen lassen. Erwähnenswert ist hierbei, dass ein Effekt, ähnlich dem HEMT, erzielt werden kann.
Diese Übergitterstruktur wird vorzugsweise durch abwechselnde Laminierung einer Nitridhalbleiterschicht mit einer hohen Bandlückenenergie und einer Nitridhalbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie aufweist als die der besagten Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie, gebildet, und eine der beiden Schichten ist eine undotierte Schicht. Die Dicke der Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie und der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie, welche die Übergitterstruktur bildet, wird vorzugsweise reguliert, sodass sie innerhalb 100 Ångström liegt, noch besser innerhalb 70 Ångström und am besten innerhalb des Bereiches von 10 bis 40 Ångström. Wenn die Dicke der beiden Schichten 100 Ångström übersteigt, dann wird die Nitridhalbleiterschicht, die eine höhere Bandlückenenergie aufweist und die Nitridhalbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie aufweist, dicker als die Elastizitätsgrenze, und die Tendenz der Bildung von mikroskopischen Rissen und Kristalldefekten wird erhöht.
Da die Untergrenze der Dicke der Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie und der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie nicht festgelegt ist, und jeden Wert haben kann, solange es eine einatomige Schicht oder dicker ist, sind es vorzugsweise 10 Ångström oder mehr. Weiter wird die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie durch Wachsen eines Nitridhalbleiters bevorzugt, der mindestens Al, bevorzugt Al_xGa_1-xN (0 < X ≤ 1) umfasst. Während die Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren Bandlückenenergie aus allem hergestellt sein kann, solange es eine Nitridhalbleiterschicht ist, deren Bandlückenenergie niedriger ist als die der Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie, besteht diese vorzugsweise aus einem Nitridhalbleiter aus binärem Mischkristall oder ternärem Mischkristall wie Al_yGa_1-yN (0 < Y ≤ 1, X > Y) und In_ZGa_1-ZN (0 ≤ Z < 1), das leicht wächst und eine gute Kristallqualität aufweist. Es wird im Besonderen bevorzugt, dass die Nitridhalbleiterschicht, die eine hohe Bandlückenenergie aufweist, aus Al_xGa_1-xN (0 < X < 1) besteht, was im Wesentlichen In oder Ga nicht einschließt und die Nitridhalbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie aufweist, aus In_zGa_1-zN (0 ≤ Z < 1) besteht, was im Wesentlichen Al nicht einschließt. Und für den Zweck, eine Übergitterstruktur von ausgezeichneter Kristallqualität zu erhalten, wird die Kombination von Al_xGa_1-xN (0 < X ≤ 0,3) mit einem Mischverhältnis von Al (Wert von X) nicht höher als 0,3 und GaN bevorzugt.
Wenn die zweite Nitridhalbleiterschicht eine Claddingschicht bildet, die als eine Lichtfalle und Fangschicht für Träger dient, muss sie eine Bandlückenenergie haben, die höher als die der Einzelquantentopfstruktur der Aktivschicht ist. Eine Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie wird aus einer Nitridhalbleiterschicht mit einem höheren Mischverhältnis von Al hergestellt. Es war sehr schwierig, ein Kristall eines Nitridhalbleiters mit einem hohen Mischverhältnis von Al gemäß dem Stand der Technik wachsen zu lassen, aufgrund der Risse, die sich wahrscheinlich auf dicken Filmen bilden. Im Falle einer Übergitterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch ist es unwahrscheinlicher, dass Risse entstehen, da das Kristall auf eine Dicke innerhalb der Elastizitätsgrenze heranwächst, auch wenn eine einzelne Schicht innerhalb der Übergitterstruktur mit einem relativ hohen Mischverhältnis von Al hergestellt wurde. Mit dieser Konfiguration kann eine Schicht mit einem hohen Mischverhältnis von Al mit guter Kristallqualität wachsen und daher können Effekte von Lichtfallen und Trägereinfang verbessert werden, und dies führt zu einer Senkung der Schwellenspannung in der Laservorrichtung und der Vf (Durchlassspannung) in der LED Vorrichtung.
Weiterhin wird die Konzentration der n-Typ Verunreinigung für die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie und der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie der zweiten Nitridhalbleiterschicht unterschiedlich festgelegt. Es handelt sich bei dieser Konfiguration um die sog. Modulationsdotierung. Wenn eine Schicht undotiert und die andere mit einer Verunreinigung dotiert ist, dann ist diese Modulationsdotierung auch in der Lage, die Schwellenspannung und die Durchlassspannung zu senken. Dies ist so, weil das Vorhandensein einer undotierten Schicht auf der Übergitterstruktur die Beweglichkeit innerhalb der Übergitterstruktur erhöht und die Koexistenz einer Schicht mit einer hohen Konzentration an Verunreinigung die Bildung einer Übergitterstruktur möglich macht, auch wenn die Ladungskonzentration hoch ist. Das ist so, da angenommen wird, dass die Koexistenz einer undotierten Schicht und die hohe Beweglichkeit einer Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration und hoher Ladungskonzentration einer Übergitterstruktur mit hoher Verunreinigungskonzentration und hoher Beweglichkeit ermöglicht, eine Claddingschicht zu sein und so die Schwellenspannung und die Durchlassspannung senkt.
Wenn eine Nitridhalbleiterschicht eine hohe Bandlückenenergie aufweist und mit einer Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert ist, dann wird vermutet, dass der Modulationsdotierungseffekt ein zweidimensionales Elektronengas zwischen einer Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration und einer undotierten Schicht erzeugt, sodass der spezifische Widerstand aufgrund des zweidimensionalen Elektronengaseffekts sinkt. Auf einer Übergitterstruktur, die durch Laminierung einer Nitridhalbleiterschicht entsteht, die mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert ist und eine hohe Bandlückenenergie aufweist und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie, wird zum Beispiel die Barrierenschichtseite im Heteroübergang der Zwischenebene zwischen der Schicht, die mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert ist und der undotierten Schicht verbraucht, da sich Elektronen (zweidimensionales Elektronengas) in der Umgebung der Zwischenebene auf der Seite der Schicht mit der niedrigen Bandlückenenergie ansammeln. Solange das zweidimensionale Elektronengas auf der Seite mit der niedrigen Bandabstandsseite gebildet und daher die Elektronenbeweglichkeit durch die Verunreinigung nicht beeinträchtigt wird, steigt die Elektronenbeweglichkeit in der Übergitterstruktur und der spezifische Widerstand sinkt. Es wird angenommen, dass die Modulationsdotierung auf der p-Seite durch den Effekt des zweidimensionalen positiven Lochgases verursacht wird. Im Falle einer p-Schicht ist der spezifische Widerstand von AlGaN höher als bei GaN. Daher wird angenommen, dass, weil der spezifische Widerstand durch die Dotierung von AlGaN mit einer p-Typ Verunreinigung in hoher Konzentration sinkt, eine bedeutende Senkung des spezifischen Widerstands der Übergitterstruktur verursacht wird und es dabei ermöglicht, den Grenzwert zu senken, wenn die Vorrichtung hergestellt wird.
Wenn eine Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie mit einer Verunreinigung von hoher Konzentration dotiert wird, dann wird erwartet, dass sich der oben beschriebene Effekt einstellt. Wenn die AlGaN-Schicht und die GaN-Schicht mit den gleichen Mengen von Mg dotiert sind, dann sinkt beispielsweise das Akzeptorniveau von Mg, und der Aktivierungsquotient sinkt in der AlGaN-Schicht. Andererseits sinkt auf der GaN-Schicht das Akzeptorniveau von Mg weniger, und der Mg Aktivierungsquotient steigt im Vergleich zur AlGaN-Schicht. Wenn in einer Konzentration von 1 × 10²⁰/cm³ mit Mg dotiert wurde, dann wird beispielsweise eine Ladungskonzentration von ungefähr 1 × 10¹⁸/cm³ bei GaN erreicht, während die Konzentration auf AlGaN nur ungefähr 1 × 10¹⁷/cm³ beträgt. Daher wird in einer Vorrichtung, die nicht Teil dieser Erfindung ist, in der eine Übergitterstruktur aus AlGaN und GaN geformt wird und die GaN-Schicht, von der eine höhere Ladungskonzentration erwartet werden kann und mit einer höheren Menge einer Verunreinigung dotiert ist, eine Übergitterstruktur mit einer höheren Ladungskonzentration gebildet. Zudem, da Tunneleffekte den Träger dazu veranlassen, sich durch die AlGaN-Schicht aufgrund der Übergitterstruktur mit einer niedrigeren Verunreinigungskonzentration zu bewegen, steht der Träger nicht unter erheblichen Einfluss der AlGaN-Schicht, da diese auch als Claddingschicht dient und eine hohe Bandlückenenergie aufweist. Daher, auch wenn die Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie mit einer größeren Menge von Verunreinigung dotiert ist, können zur Senkung der Schwellenspannung der Laser- oder LED-Vorrichtung sehr gute Effekte erzielt werden. Die obige Beschreibung behandelt einen Fall der Bildung einer Übergitterstruktur auf der Schicht der p-Seite, obwohl auch ähnliche Effekte erzielt werden können, wenn eine Übergitterstruktur auf einer Schicht der n-Seite gebildet wird.
Wenn die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie mit einer n-Typ Verunreinigung in einer hohen Konzentration dotiert ist, dann ist der Dotierungsanteil auf der Nitridhalbleiterschicht mit der höheren Bandlückenenergie vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²⁰/cm³ reguliert, oder besser innerhalb des Bereichs 1 × 10¹⁸/cm³ bis 5 × 10¹⁹/cm³. Wenn die Konzentration der Verunreinigung niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³ ist, dann wird die Differenz der Konzentration der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie zu gering, um eine Schicht mit hoher Ladungskonzentration zu erhalten. Wenn die Verunreinigungskonzentration höher als 1 × 10²⁰/cm³ ist, dann tendiert andererseits der Leckstrom der Vorrichtung zu einer Erhöhung.
Die Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie ist undotiert; in diesem Fall kann eine Schicht mit der höchsten Beweglichkeit erreicht werden. Da jedoch jede der Komponentenschichten einer Übergitterstruktur dünn ist, diffundieren einige der n-Typ Verunreinigungen von der Nitridhalbleiterschicht mit der höheren Bandlückenenergie in die Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren Bandlückenenergie. Die n-Typ Verunreinigung wird aus der Gruppe der Elemente IVB und VIB des Periodensystems gewählt wie Si, Ge, Se, S und O und vorzugsweise aus Si, Ge und S. Der gleiche Effekt tritt auch im Falle ein, dass die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie undotiert ist und die Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren Bandlückenenergie mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert ist.
Auf der Übergitterstruktur des Nitridhalbleiters ist die mit der Verunreinigung dotierte Schicht vorzugsweise so dotiert, dass eine Verteilung der Verunreinigungskonzentration erreicht wird, sodass die Konzentration der Verunreinigung im mittleren Bereich der Halbleiterschicht in Richtung der Dicke hoch und im Bereich der beiden Endseiten niedrig (oder vorzugsweise undotiert) ist. Wenn die Übergitterstruktur aus einer Si dotierten n-Typ AlGaN-Schicht und einer undotierten GaN-Schicht gebildet wird, dann entlässt die AlGaN-Schicht Elektronen als Donator in das Leitungsband, da es mit Si dotiert ist und die Elektronen fallen in das Leitungsband von GaN, das eine niedrige Spannung hat. Da das GaN-Kristall nicht mit dem Donator verunreinigt ist, können Ladungsstörungen aufgrund einer Verunreinigung nicht entstehen. Daher können sich die Elektronen innerhalb des GaN-Kristalls leicht bewegen, und es wird eine hohe Elektronenbeweglichkeit erreicht. Dies ist ähnlich dem Effekt des zweidimensionalen Elektronengases, der vorher beschrieben wurde; so wird die Beweglichkeit der Elektronen erheblich in der Querrichtung gesteigert und der spezifische Widerstand gesenkt. Weiterhin wird der Effekt verbessert, wenn der mittlere Bereich der AlGaN-Schicht, die eine höhere Bandlückenenergie aufweist, mit der n-Typ Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert ist. Das bedeutet, dass unter den Elektronen, die sich in GaN bewegen, die Elektronen mehr oder weniger Störungen durch die n-Typ Verunreinigungsionen unterliegen (Si in diesem Fall), die in AlGaN vorhanden sind. Wenn jedoch die Endbereiche der AlGaN-Schicht in Richtung der Verdickung undotiert sind, sind die Elektronen den Störungen durch Si weniger ausgesetzt und daher wird die Beweglichkeit in der undotierten GaN-Schicht weiter erhöht. Ein ähnlicher Effekt wird erzielt, wenn die Übergitterstruktur auf der p-Seite gebildet wird, obwohl dieser Vorgang ein wenig unterschiedlich ist, wobei bevorzugt wird, dass die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie mit der p-Typ Verunreinigung in einer höheren Konzentration im mittleren Bereich dotiert ist und in einer niedrigeren oder überhaupt nicht an den beiden Endbereichen. Obwohl die Verteilung der Verunreinigungskonzentration auch im Nitridhalbleiter mit einer niedrigeren Bandlückenenergie erreicht werden kann, tendiert eine Übergitterstruktur, die auf einem Nitridhalbleiter mit einer niedrigeren Bandlückenenergie durch Dotieren desselben gebildet wird, und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie, zu einem geringeren Effekt.
In der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die dritte Nitridhalbleiterschicht ebenfalls undotiert. Wenn eine dritte Nitridhalbleiterschicht mit einem hohen Anteil an Verunreinigung direkt auf der obersten Schicht der Übergitterstruktur aufgetragen wird, tendiert die Kristallinität der dritten Nitridhalbleiterschicht zur Abnahme. Daher ist die Nitridhalbleiterschicht undotiert, um die dritte Nitridhalbleiterschicht so anwachsen zu lassen, dass sie eine gute Kristallinität aufweist. Die Zusammensetzung der dritten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig. Jedoch sollte die dritte Nitridhalbleiterschicht bevorzugt aus In_xGa_1-xN (0 ≤ X ≤ 1), noch besser aus In_xGa_1-xN (0 < X ≤ 0,5) hergestellt sein und in einem solchen Falle sollte die dritte Nitridhalbleiterschicht als eine Pufferschicht dienen, auf der man die Schichten wachsen lässt, mit dem Ergebnis, dass man die Schichten über der dritten Nitridhalbleiterschicht leicht heranwachsen lassen kann. Zudem kann, wenn eine Schicht mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand, wie eine undotierte Einzelschicht, die zwischen die Aktivschicht und die zweite Schicht geschoben wird, der Leckstrom in der Vorrichtung verhindert und die Stehspannung verbessert werden.
Beispiel 1
Übergitterstruktur-LED
Undotiertes GaN//Si-dotiertes GaN (B)/undotiertes GaN (A)//undotiertes GaN
1 ist eine schematische Schnittansicht der LED-Struktur eines Beispiels gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit dieser Zeichnung beschrieben.
Ein Saphirsubstrat der C-Ebene 1 wird in dem Reaktor angeordnet und die Innenatmosphäre des Reaktors wird vollständig durch Wasserstoff ersetzt. Die Temperatur des Substrats wird auf 1050 °C erhöht, wobei man Wasserstoff strömen lässt, um das Substrat zu reinigen. Wie das Substrat 1 können neben dem Saphirsubstrat der C-Ebene das isolierende Substrat, wie ein Saphirsubstrat der R- oder A-Ebene, und das Spinell-Substrat (MgAl₂O₄-Substrat) und das Halbleitersubstrat, wie SiC (einschließlich 6H, 4H 3C), Si, ZnO, GaAs, GaN und dergleichen, verwendet werden.
Pufferschicht 2
Anschließend wird die Temperatur auf 510 °C gesenkt. Eine aus GaN hergestellte Pufferschicht 2 mit einer Dicke von etwa 200 Ångström lässt man unter Verwendung von Ammoniak und TMG (Trimethylgallium) als eine GaN-Quelle wachsen.
Erste Nitridhalbleiterschicht 3
Nach dem Wachsen der Pufferschicht 2 wird nur TMG gestoppt und die Temperatur wird auf 1050 °C erhöht. Bei 1050 °C ließ man auf dieselbe Art und Weise, in der Ammoniak und TMG als eine GaN-Quelle verwendet wurden, eine aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 auf eine Dicke von 5 μm heranwachsen. Die erste Nitridhalbleiterschicht lässt man bei einer Temperatur wachsen, die höher als die im Fall der Pufferschicht ist, beispielsweise bei 900 °C bis 1100 °C. Die erste Nitridhalbleiterschicht 3 kann aus In_XAl_YGa_1-X-YN (0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt werden, wobei dessen Zusammensetzung nicht wichtig ist. Vorzugsweise wird die erste Nitridhalbleiterschicht jedoch aus GaN oder Al_XGa_1-XN, wobei X nicht höher als 0,2 ist, hergestellt, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Die Dicke der ersten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig und sie ist größer als die der Pufferschicht, für gewöhnlich beträgt sie nicht weniger als 0,1 μm. Da diese Schicht eine undotierte Schicht ist, ist sie dem intrinsischen Halbleiter ähnlich und weist einen spezifischen Widerstand von mehr als 0,2 Ωcm auf. Der spezifische Widerstand der ersten Nitridhalbleiterschicht kann verringert werden, indem eine n-Typ Verunreinigung, wie Si und Ge, in geringerem Maße als die in der zweiten Nitridhalbleiterschicht dotiert wird.
Zweite Nitridhalbleiterschicht 4
Anschließend lässt man bei 1050 °C unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström wachsen. Als nächstes wird bei derselben Temperatur Silangas hinzugefügt und man lässt eine mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotierte GaN-Schicht auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen. Folglich lässt man ein Paar aus A-Schicht, die aus einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt wurde, und B-Schicht, die aus Si-dotiertem GaN mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt wurde, wachsen. Das Paar wird in 250 Schichten gespalten, was in einer zweiten Nitridhalbleiterschicht 4 in Form einer Übergitterstruktur mit einer Dicke von 1 μm resultiert.
Dritte Nitridhalbleiterschicht 5
Als nächstes wird nur Silangas gestoppt und man lässt bei 1050 °C auf dieselbe Art und Weise eine dritte Nitridhalbleiterschicht 5, die aus undotiertem GaN hergestellt wurde, auf eine Dicke von 100 Ångström heranwachsen. Die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 kann aus In_XAl_YGa_1-X-YN (0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt werden und dessen Zusammensetzung ist nicht wichtig. Vorzugsweise wird die dritte Nitridhalbleiterschicht jedoch aus GaN, Al_XGa_1-XN, wobei X nicht größer als 0,2 ist, oder Al_YGa_1-YN, wobei Y nicht größer als 0,1 ist, hergestellt, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. In dem Fall, dass man die aus InGaN hergestellte Schicht wachsen lässt, wird, wenn man die Al enthaltende Nitridhalbleiterschicht darauf wachsen lässt, verhindert, dass sich in der Al enthaltenden Nitridhalbleiterschicht Risse entwickeln.
Aktivschicht 6
Als nächstes wird die Temperatur auf 800 °C gesenkt und das Trägergas wird zu Stickstoff geändert. Man lässt eine undotierte In_0,4Ga_0,6N-Schicht mit einer Dicke von 30 Ångström wachsen, wobei TMG, TMI (Trimethylindium) und Ammoniak verwendet werden, um eine Aktivschicht 6 mit einer Einzelquantentopfstruktur auszubilden. Diese Schicht kann eine aus InGaN hergestellte Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen.
Claddingschicht auf der p-Seite 7
Als nächstes wird die Temperatur auf 1050 °C erhöht und man lässt unter Verwendung von TMG, TMA, Ammoniak und Cp2Mg (Magnesiumcyclopentadienid) eine Claddingschicht auf der p-Seite 7, die aus mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotiertem Al_0,1Ga_0,9N des p-Typs hergestellt wurde, auf eine Dicke von 0,1 μm wachsen. Diese Schicht fungiert als eine Fangschicht für Träger. Diese Schicht wird nach Möglichkeit aus einem Nitridhalbleiter hergestellt, der Al enthält, vorzugsweise Al_YGa_1-YN (0 < Y < 1). Es ist wünschenswert, eine Al_YGa_1-YN-Schicht, wobei Y nicht größer als 0,3 ist, auf eine Dicke von nicht mehr als 0,5 μm wachsen zu lassen, um so eine Schicht mit einer guten Kristallinität zu erzielen.
Darüber hinaus kann es sich bei der Claddingschicht auf der p-Seite 7 um eine Übergitterschicht handeln. Wenn sich eine Übergitterschicht im Bereich der Schicht auf der p-Seite befindet, werden die Grenzbereiche weiter verringert und es wird ein gutes Ergebnis erzielt. Eine beliebige Schicht im Bereich der Schicht auf der p-Seite kann eine Übergitterschicht sein.
Kontaktschicht auf der p-Seite 8
Anschließend lässt man bei 1050 °C unter Verwendung von TMG, Ammoniak und Cp2Mg eine Kontaktschicht auf der p-Seite 8, die aus mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotiertem GaN des p-Typs hergestellt wurde, auf eine Dicke von 0,1 μm wachsen. Die Kontaktschicht auf der p-Seite 8 kann gleichfalls aus In_XAl_YGa_1-X-YN (0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung nicht wichtig ist. Vorzugsweise wird die Kontaktschicht auf der p-Seite jedoch aus GaN hergestellt, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt und ein bevorzugter ohmscher Kontakt mit dem Material der p-Elektrode erreicht werden kann.
Nachdem die Reaktion abgeschlossen wurde, wird die Temperatur auf Raumtemperatur gesenkt. Darüber hinaus wird an dem Wafer bei 700 °C in einer Stickstoffatmosphäre in dem Reaktor ein Tempern durchgeführt, um so die Schichten des p-Typs elektrisch widerstandsschwächer zu machen.
Nach dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen. Auf der oberen Fläche der Kontaktschicht auf der p-Seite, bei der es sich um die oberste Schicht handelt, wird eine Maske mit einer vorherbestimmten Form ausgebildet und von der Seite der Kontaktschicht auf der p-Seite aus wird mit einer RIE-Vorrichtung (RIE = reactive ion etching, reaktives Ionenätzen) eine Ätzung vorgenommen, um die Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 4 freizulegen, wie in 1 gezeigt.
Nach dem Ätzen wird auf der nahezu gesamten Oberfläche der obersten Kontaktschicht auf der p-Seite eine transparente p-Elektrode 9, die Ni und Au enthält und eine Dicke von 200 Ångström aufweist, ausgebildet und auf der p-Elektrode 9 wird eine aus Au hergestellte p-Bondelektrode 10 zum Bonden ausgebildet. Zwischenzeitlich wird auf der Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 4, die mittels Ätzung freigelegt wurde, eine n-Elektrode 11, die W und Al enthält, ausgebildet. Schließlich wird ein aus SiO₂ hergestellter isolierender Film 12 ausgebildet, um die Oberfläche der p-Elektrode 9 zu schützen, wie in 1 gezeigt. Dann wird der Wafer geritzt und in LED-Vorrichtungen gespalten, die Quadrate von 350 μm mal 350 μm sind.
Für diese LED-Vorrichtung wurde bei einer Durchlassspannung von 20 mA eine Emission reinen grünen Lichts von 520 nm erzielt. Die Durchlassspannung wurde um 0,2 auf 0,4 V gesenkt und die Leistungsabgabe wurde bei 20 mA von 40 auf 50 % gesteigert, verglichen mit der herkömmlichen, grünes Licht emittierenden LED, die hergestellt wurde, indem eine aus GaN hergestellte Pufferschicht, eine aus Si-dotiertem GaN hergestellte Kontaktschicht auf der n-Seite, eine aus InGaN hergestellte Aktivschicht in Form einer Einzelquantentopfstruktur, eine aus Mg-dotiertem AlGaN hergestellte Claddingschicht auf der p-Seite und eine aus Mg-dotiertem GaN hergestellte Kontaktschicht auf der p-Seite nacheinander auf das Substrat laminiert wurden. Die statische Stehspannung war 5 Mal oder mehr höher als die der herkömmlichen LED.
Beispiel 2, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
Übergitterstruktur-LED
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes GaN (B)/undotiertes GaN (A)//Si-dotiertes GaN
Mit den gleichen Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die erste Nitridhalbleiterschicht 3 hergestellt, indem man aus mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiertes GaN auf eine Dicke von 3 μm wachsen lässt, und die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 wird durch Wachsen von mit Si auf 1 × 10¹⁷/cm³ dotiertem GaN hergestellt. Die anderen Konstruktionen der LED-Vorrichtung waren mit denen in Beispiel 1 identisch. Im Vergleich zu der LED-Vorrichtung in Beispiel 1 war die Leistungsabgabe um etwa 10 % verringert und die Durchlassspannung und statische Stehspannung waren nahezu gleich.
Beispiel 3
Übergitterstruktur-LED
Undotiertes GaN//Si-dotiertes GaN/undotiertes InGaN//undotiertes GaN
Die LED Vorrichtung wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie im Beispiel 1, außer, dass die zweite Nitridhalbleiterschicht wie folgt gebildet wurde.
Bei 1050 °C lässt man unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und SiGas, eine mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 25 Ångström wachsen. Anschließend lässt man bei 800°C unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniakgas eine undotierte InGaN-Schicht mit einer Dicke von 75 μm wachsen. Auf diese Weise wird eine A-Schicht, die aus einer mit Si dotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 25 Ångström und eine B-Schicht, die aus einer undotierten InGaN-Schicht mit einer Dicke von 75 Ångström hergestellt wurde, abwechselnd in 100 Schichten gespalten, was in einer zweiten Nitridhalbleiterschicht in Form einer Übergitterstruktur mit einer Dicke von 2 μm resultiert.
Die LED in Form einer Übergitterstruktur aus dem Beispiel 3 weist ähnliche Eigenschaften wie jene in Beispiel 1 auf.
Beispiel 4
Übergitterstruktur-LED
Undotiertes GaN//Si-dotiertes ALGaN/undotiertes GaN//undotiertes GaN
Mit den gleichen Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 durch abwechselnde Laminierung der A-Schicht, die aus einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström hergestellt wurde, sowie einer B-Schicht, die aus mit Si auf 1 × 10¹⁸/cm³ gleichmäßig dotiertem Al_0,1Ga_0,9N mit einer Dicke von 60 Ångström hergestellt wurde, in 300 Schichten gefertigt, die in einer Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 3 μm resultiert. Die anderen Konstruktionen der LED-Vorrichtung waren mit denen in Beispiel 1 identisch. Die LED weist ähnliche Eigenschaften wie jene in Beispiel 5 auf.
Beispiel 5
Übergitterstruktur-LD
Undotiertes InGaN//Si-dotiertes GaN (B)/undotiertes GaN (A)//undotiertes GaN
2 ist eine schematische Schnittansicht der Struktur der Laservorrichtung gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung wird im Parallelschnitt zur Resonanzfläche der Emission gezeigt. Beispiel 5 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Gemäß des gleichen Verfahrens wie im Beispiel 1 lässt man auf der C-Ebene des Saphirsubstrats eine Pufferschicht 21, die aus GaN hergestellt ist, mit einer Dicke von 200 Ångström, eine erste Nitridhalbleiterschicht 22 aus undotiertem GaN mit einer Dicke von 5 μm und eine zweite Nitridhalbleiterschicht 23 in Form einer Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 3 μm durch Laminierung einer A-Schicht aus undotiertem GaN mit einer Dicke von 20 Ångström und einer B-Schicht aus Si dotiertem GaN mit einer Dicke von 20 Ångström wachsen (die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ist wie die des Beispiels 1 aufgebaut).
Andere Substrate als Saphir können verwendet werden. Auf Substraten, die nicht aus Nitridhalbleitern wie Saphir hergestellt werden, lässt man eine erste GaN-Schicht wachsen. Ein Schutzfilm, auf dem man eine Nitridhalbleiterschicht wie SiO₂ nicht einfach wachsen lassen kann, wird teilweise auf der ersten GaN-Schicht gebildet. Man lässt eine zweite Nitridhalbleiterschicht auf der ersten Nitridhalbleiterschicht durch den Schutzfilm wachsen und folglich ist die zweite Nitridhalbleiterschicht in Querrichtung auf SiO₂ gewachsen. Die zweite Nitridhalbleiterschicht verbindet sich zu anderen in Querrichtung. Die zweite Nitridhalbleiterschicht, die auf diesem Weg gewonnen wird, wird ganz bevorzugt als Substrat verwendet, um dadurch eine gute Kristallinität des Nitridhalbleiters zu erzielen. Wenn dieses Nitridhalbleitersubstrat als Substrat verwendet wird, dann ist das Wachsen einer Pufferschicht nicht notwendig.
Dritte Nitridhalbleiterschicht 24
Bei 800 °C lässt man unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniak eine dritte Nitridhalbleiterschicht aus undotiertem In_0,05Ga_0,95N bis zu einer Dicke von 500 Ångström wachsen.
Claddingschicht auf der n-Seite 25
Als nächstes werden bei 1050 °C eine mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotierte n-Typ Al_0,2Ga_0,8N-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström und einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström abwechselnd in 200 Schichten laminiert, mit dem Ergebnis einer Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 0,8 μm. Die Claddingschicht 25 auf der n-Seite hat die Aufgabe einer Fangschicht für Träger und Lichtfalle und ist vorzugsweise aus einem Nitridhalbleiter mit Al hergestellt, noch bevorzugter AlGaN. Die Gesamtdicke der Übergitterstruktur wird vorzugsweise innerhalb der Dicken von 100 Ångström bis 2 μm, noch besser innerhalb der Dicken von 500 Ångström bis 2 μm eingestellt. Zudem ist die Konzentration einer Verunreinigung im mittleren Bereich der Claddingschicht auf der n-Seite hoch und an beiden Endseiten niedrig.
Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26
Folglich lässt man die Lichtwellenleiterschicht der n-Seite 26, die aus mit Si auf 1 × 10¹⁷/cm³ dotiertem n-Typ GaN hergestellt wurde, bis zu einer Dicke von 0,1 μm anwachsen. Diese n-seitige Lichtwellenleiterschicht hat die Aufgabe der Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht und ist wünschenswerter Weise aus GaN und InGaN hergestellt. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite ist in der Regel nicht größer als 5 μm, bevorzugt 200 Ångström bis 1 μm. Diese Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite ist in der Regel mit einer n-Typ Verunreinigung wie Si oder Ge dotiert, um eine n-Typ Leitfähigkeit zu haben und kann vor allem auch undotiert sein.
Aktivschicht 27
Als nächstes wird bei 800 °C eine Aktivschicht 27 gebildet, indem man abwechselnd eine Topfschicht, die aus undotiertem In_0,2Ga_0,8N besteht und eine Dicke von 25 Ångström hat sowie eine Barrierenschicht, die aus undotiertem In_0,01Ga_0,99N mit einer Dicke von 50 Ångström hergestellt ist, laminiert und dabei wird eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) mit einer Gesamtdicke von 175 Ångström ausgebildet.
Deckschicht auf der p-Seite 28
Danach lässt man bei 1050 °C eine Deckschicht auf der p-Seite 28 mit einer Bandlückenenergie, die höher als die der Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 8 und der Aktivschicht 6 ist und aus mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotiertem Al_0,3Ga_0,7N des p-Typs hergestellt ist bis zu einer Dicke von 300 Ångström heranwachsen. Die Deckschicht auf der p-Seite 28 ist mit einer p-Typ Verunreinigung dotiert, jedoch ist die Dicke gering und daher kann die Deckschicht auf der p-Seite aus i-Typ bestehen, worin Träger durch Dotierung mit einer n-Typ Verunreinigung kompensiert werden, vorzugsweise sollte diese undotiert und noch besser mit einer p-Verunreinigung dotiert sein. Die Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 wird innerhalb von 0,1 μm, vorzugsweise innerhalb von 500 Ångström und noch besser innerhalb von 300 Ångström eingestellt. Wenn diese bis zu einer Dicke von mehr als 0,1 μm angewachsen ist, dann hat die Deckschicht an der p-Seite 28 die Tendenz, Risse zu bilden und erschwert es dadurch, eine Nitridhalbleiterschicht mit einer guten Kristallinität darauf wachsen zu lassen.
Im Falle von AlGaN mit einem hohen Anteil von Al, macht es die geringe Dicke für die LD Vorrichtung möglich, einfach zu oszillieren. Wenn Al_yGa_1-yN einen Y Wert von weniger als 0,2 hat, dann ist die gewünschte Untergrenze innerhalb 500 Ångström geregelt. Die Untergrenze der Dicke der Deckschicht an der p-Seite 76 ist nicht festgelegt, die Dicke beträgt jedoch vorzugsweise 10 Ångström oder mehr.
Lichtwellenleiterschicht an der p-Seite 29
Als nächstes lässt man eine Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 29 mit einer Bandlückenenergie, die niedriger als die der Deckschicht auf der p-Seite 28 und aus mit Mg auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiertem GaN des p-Typs hergestellt ist, bis zu einer Dicke von 0,1 μm wachsen. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht und ist auf wünschenswerte Weise aus GaN und InGaN, wie im Falle der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26 hergestellt. Diese Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite dient auch als Pufferschicht, wenn man die Claddingschicht auf der p-Seite 30 wachsen lässt. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite beträgt vorzugsweise 100 Ångström bis 5 μm, noch besser 200 Ångström bis 1 μm. Die Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite ist normalerweise mit einer p-Typ Verunreinigung wie Mg dotiert, um eine p-Typ Leitfähigkeit zu erhalten, sie ist jedoch nicht mit einer Verunreinigung dotiert.
Claddingschicht auf der p-Seite 30
Danach wird eine Claddingschicht auf der p-Seite 30 durch abwechselnde Laminierung einer mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotierten p-Typ Al_0,2Ga_0,2N-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström und einer mit Mg auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotierten p-Typ GaN-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt, wobei eine Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 0,8 μm geformt wird. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Fangschicht für Träger, wie auch im Fall der Claddingschicht auf der n-Seite 25. Auch diese Schicht hat die Aufgabe, den spezifischen Widerstand aufgrund der Übergitterstruktur in den p-Typ Schichten zu senken. Die Dicke der Claddingschicht auf der p-Seite 30 ist nicht festgelegt and liegt wünschenswerter Weise zwischen dem Bereich von 100 Ångström bis 2 μm, noch besser innerhalb des Bereiches von 500 Ångström bis 1 μm. Die Konzentration der Verunreinigung kann im mittleren Bereich der Claddingschicht auf der p-Seite hoch und an den beiden Endseiten niedrig sein.
Kontaktschicht auf der p-Seite 31
Schließlich lässt man eine Kontaktschicht auf der p-Seite 10 aus mit Mg auf 2 × 10²⁰/cm³ dotiertem p-Typ GaN bis zu einer Dicke von 150 Ångström heranwachsen. Es ist von Vorteil, dass die Dicke der p-seitigen Kontaktschicht kontrolliert wird, und nicht mehr als 500 Ångström beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 400 Ångström und nicht weniger als 20 Ångström, und zwar um den spezifischen Widerstand der p-Typ Schicht und die Schwellenspannung zu senken.
Nach Abschluss der Reaktion wird der Wafer bei 700 °C in der Stickstoffatmosphäre im Reaktor getempert, damit die Schichten des p-Typs einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen. Nach dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen, und die Kontaktschicht auf der p-Seite 31 sowie die Claddingschicht auf der p-Seite 30, bei denen es sich um die obersten Schichten handelt, werden, wie in 2 gezeigt, mit einer RIE-Vorrichtung zu einer Steggeometrie mit einer Streifenbreite von 4 μm geätzt.
Nachdem die Steggeometrie geformt wurde, wie in 2 gezeigt, wird die Claddingschicht auf der p-Seite 30, die auf beiden Seiten der Steggeometrie blank ist, geätzt, um die Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 freizulegen, auf der die n-Elektrode gebildet werden soll. Die blanke Oberfläche wird aus einer Übergitterstrukturschicht gebildet, die einen hohen Grad an Verunreinigung aufweist. Als nächstes wird die aus Ni/Au hergestellte p-Elektrode 32 auf der gesamten Oberfläche des Grats ausgebildet. Als nächstes wird, wie in der 2 gezeigt, ein aus SiO₂ hergestellter isolierender Film 35 auf der Oberfläche der Claddingschicht auf der p-Seite 30 und der Kontaktschicht auf der p-Seite 31, außer für die p-Elektrode 32, ausgebildet. Eine p-Bondelektrode 33, die über den isolierenden Film 35 elektrisch mit der p-Elektrode 32 verbunden wird, wird ausgebildet. In der Zwischenzeit wird die n-Elektrode aus W und Al auf der Oberfläche der Kontaktschicht 4 der n-Seite gebildet, die blank gelegt wurde.
Nachdem die Elektrode ausgebildet wurde, wird die Rückseite des Saphirsubstrats des Wafers auf eine Dicke von etwa 50 μm geschliffen. Anschließend wird der Wafer an der M-Ebene des Saphirs geritzt, und der Querstreifen mit der gespaltenen Facette als Resonator wird gefertigt. Der Querstreifen wird parallel zur p-Elektrode geschnitten, was in Laservorrichtungen resultiert. Die resultierende Konfiguration der Laservorrichtung wird in 2 dargestellt.
Wenn diese Laservorrichtung bei Raumtemperatur kontinuierlich zum Oszillieren gebracht wird, dann wurde die Schwellenstromdichte auf ca. 2,0 kA/cm² gesenkt und die Schwellenspannung lag bei ca. 4,0 V, im Vergleich zu den konventionellen Nitridhalbleiterschichten, die während 37 Stunden kontinuierlich oszillieren konnten. Die Lebensdauer entsprach 500 Stunden oder mehr.
Beispiel 6
Übergitterstruktur-LED
Undotiertes GaN//undotiertes AlGaN/Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wird die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 durch Laminierung einer mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotierten GaN-Schicht, mit einer Dicke von 20 Ångström und einer undotierten Al_0,10Ga_0,90N- Schicht, mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt, und man lässt das Paar 250 Mal wachsen, was in einer Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 1,0 μm (10000 Ångström) resultiert. Die anderen Konstruktionen waren mit denen in Beispiel 1 identisch. Ähnliche Ergebnisse wie jene in Beispiel 1 wurden erzielt.
Wie oben beschrieben, wird eine Nitridhalbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durch Laminierung der ersten undotierten Nitridhalbleiterschicht mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht mit einer Übergitterstruktur, die eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist, und der dritten ebenfalls undotierten Nitridhalbleiterschicht hergestellt, sodass man die LED mit einer niedrigen Durchlassspannung und die Laservorrichtung mit einer niedrigen Schwellenspannung erzielen kann. Überdies kann, da die Nitridhalbleiterschicht einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, der ohmsche Kontakt zwischen der n-Elektrode und der zweiten Nitridhalbleiterschicht einfachst erreicht werden und die Durchlassspannung wird gesenkt.
Beispiel 7
LED in Form einer dreilagig-laminierten Struktur
Undotiertes GaN//Si-dotiertes n-Typ GaN//undotiertes GaN
Diese LED wird, wie in 1 aufgeführt, auf die gleiche Art wie in Beispiel 1 hergestellt; es handelt sich um ein Beispiel der LED Vorrichtung der ersten Ausführungsart gemäß der vorliegenden Erfindung, mit der Ausnahme, dass die n-Typ Kontaktschicht in Form einer dreilagig-laminierten Struktur hergestellt wird. Daher wird nur die n-Typ Kontaktschicht der dreilagig-laminierten Struktur beschrieben.
Erste Nitridhalbleiterschicht 3
Auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 wird nach dem Wachsen der Pufferschicht 2 nur TMG gestoppt und die Temperatur auf 1050 °C erhöht. Bei 1050 °C lässt man unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas als Quellgas eine erste Nitridhalbleiterschicht 3 aus undotiertem GaN bis zu einer Dicke von 1,5 μm wachsen. Die erste Nitridhalbleiterschicht lässt man bei einer Temperatur wachsen, die höher als im Falle der Pufferschicht ist, zum Beispiel bei 90 bis 1100 °C. Die Zusammensetzung der ersten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig, sie wird jedoch vorzugsweise aus Al_xGa_1-xN hergestellt, und X darf nicht größer als 0,2 sein, mit dem Ergebnis, dass weniger Kristalldefekte der Nitridhalbleiterschicht leicht erzielt werden können. Die Dicke derselben ist nicht wichtig, sie ist jedoch dicker als die Pufferschicht und liegt in der Regel innerhalb von 0,1 und 20 μm.
Da es sich hierbei um eine undotierte Schicht handelt, ist sie ähnlich einem Intrinsic-Halbleiter und besitzt einen spezifischen Widerstand, der höher als 0,1 Ωcm ist. Da man die erste Nitridhalbleiterschicht bei einer Temperatur, die höher als im Falle der Pufferschicht liegt, wachsen lässt, ist die Schicht undotiert, obwohl sich diese Schicht von besagter Pufferschicht unterscheidet.
Zweite Nitridhalbleiterschicht 4
Folglich lässt man bei 1050 °C unter Verwendung von TMG und Ammoniak- und Silangas als Verunreinigung eine mit Si-dotierte GaN-Schicht bis zu einer Dicke von 3 μm wachsen. Die zweite Nitridhalbleiterschicht 3 kann aus In_xAl_yGa_1-yN (0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung derselben nicht wichtig ist, vorzugsweise sollten GaN, Al_xGa_1-xN mit X nicht größer als 0,2 sein bzw. In_yGa_1-yN mit Y nicht größer als 0,1 sein, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Die Dicke der zweiten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig und sollte innerhalb des Rahmens von 0,1 bis 20 μm liegen, da die n-Elektrode darauf gebildet wird. Im Falle der Verwendung des anderen Saphirsubstrats, das nicht in der Struktur der Vorrichtung war, hat man die Nitridhalbleiterschichten auf gleiche Art zu einer GaN-Schicht wachsen lassen; die Trägerdichte betrug 1 × 10¹⁹/cm³ und der spezifische Widerstand war 5 × 10^–3 Ωcm.
Dritte Nitridhalbleiterschicht 5
Danach wird das Silangas gestoppt und bei 1050 °C lässt man eine dritte Nitridhalbleiterschicht 5 aus undotiertem GaN bis zu einer Dicke von 0,15 μm auf gleiche Art wachsen. Die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 kann ebenfalls aus In_xAl_yGa_1-yN (0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung derselben nicht wichtig ist, bevorzugt aus GaN, Al_xGa_1-xN mit X nicht größer als 0,2 bzw. In_yGa_1-yN mit Y nicht größer als 0,1, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Wenn man InGaN wachsen lässt und man auf besagter InGaN-Schicht die Al enthaltende Nitridhalbleiterschicht wachsen lässt, dann kann die Rissbildung in der Al enthaltenden Nitridhalbleiterschicht verhindert werden. Wenn der zweite Nitridhalbleiter aus einem einzelnen Nitridhalbleiter hergestellt wird, ist es wünschenswert, dass die erste, zweite und dritte Nitridhalbleiterschicht aus einem Nitridhalbleiter mit gleicher Zusammensetzung hergestellt werden, im besonderen GaN.
Die daraus resultierende LED Vorrichtung emittiert reines grünes Licht von 520 nm bei einer Durchlassspannung von 20 mA. Bei 20 mA wird die Durchlassspannung um 0,1 auf 0,2 V gesenkt und die Leistungsabgabe um 5–10 % erhöht, im Vergleich zu konventionellen LEDs, die grünes Licht emittieren, die durch sequentielle Laminierung auf einem Saphirsubstrat, einer Pufferschicht aus GaN, einer Kontaktschicht auf der n-Seite aus mit Si-dotiertem GaN, einer Aktivschicht aus InGaN in Form einer Einzelquantentopfstruktur, einer aus mit Mg dotierten AlGaN Claddingschicht auf der p-Seite und einer mit Mg dotierten GaN Kontaktschicht auf der p-Seite, hergestellt wurden.
Beispiel 8
Undotieres In_0,05Ga_0,95N//Si-dotiertes n-Typ GaN//undotiertes GaN
Die LD Vorrichtung wird genauso wie in Beispiel 5 (wie in 2 gezeigt) hergestellt (welche die Vorrichtung im Parallelschnitt zur Resonanzfläche des Lasers zeigt); es handelt sich um ein Beispiel einer LD Vorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsweise der vorliegenden Erfindung mit Ausnahme der n-Typ Kontaktschicht.
Mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 lässt man die Pufferschicht 21, die aus GaN hergestellt ist und eine Dicke von 200 Ångström aufweist, auf der C-Ebene des Saphirsubstrates 20 wachsen. Danach wird die Temperatur auf 1020 °C erhöht und bei 1020 °C lässt man eine erste Nitridhalbleiterschicht 22 aus undotiertem GaN bis zu einer Dicke von 5 μm wachsen.
Anschließend lässt man bei 1020 °C unter Verwendung von Silangas als Verunreinigung eine zweite Nitridhalbleiterschicht 23 aus mit Si dotiertem n-Typ GaN wachsen. Der spezifische Widerstand der entstehenden LD Vorrichtung war ebenfalls 5 × 10^–3 Ω cm.
Dritte Nitridhalbleiterschicht 24
Danach lässt man bei 800 °C unter der Verwendung von TMI, TMG und Ammoniak eine dritte Nitridhalbleiterschicht aus undotiertem In_0,05Ga_0,95N bis zu einer Dicke von 500 Ångström wachsen.
Claddingschicht 25 auf der n-Seite
Danach wird bei 1020 °C eine Claddingschicht auf der n-Seite durch abwechselnde Laminierung einer mit Si auf 1 × 10¹⁷/cm³ dotierten n-Typ Al_0,2Ga_0,8N- Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström sowie einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström in 40 Schichten gebildet, wobei eine Übergitterstruktur geformt wird. Diese Claddingschicht auf der n-Seite dient als Fangschicht für Träger und Lichtfalle.
Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26
Folglich lässt man eine Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26 aus mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiertem n-Typ GaN bis zu einer Dicke von 0,2 μm wachsen. Diese Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26 fungiert als Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht und wird vorzugsweise aus GaN oder InGaN hergestellt. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite bewegt sich normalerweise im Bereich von 100 Ångström bis 5 μm und bevorzugt zwischen 200 Ångström bis 1 μm. Diese Lichtwellenleiterschicht 5 auf der n-Seite kann undotiert sein.
Aktivschicht
Danach lässt man bei 800 °C eine Topfschicht aus mit Si dotiertem In_0,2Ga_0,8N bis zu einer Dicke von 25 Ångström wachsen. Als nächstes wird das molare Verhältnis von TMI geändert und man lässt eine Barrierenschicht aus mit Si dotiertem In_0,01Ga_0,99N bis zu einer Dicke von 50 Ångström wachsen. Dieser Vorgang wird zwei Mal wiederholt und zum Schluss wird die Topfschicht laminiert, was in einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) resultiert.
Deckschicht auf der p-Seite 28
Dann lässt man bei 1020 °C unter Verwendung von TMG, TMA, Ammoniak und Cp2Mg eine Deckschicht auf der p-Seite 28 mit einer Bandlückenenergie, die höher als die der Aktivschicht ist und aus mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotiertem p-Typ Al_0,3Ga_0,7N besteht, bis zu einer Dicke von 300 Ångström wachsen. Die Deckschicht auf der p-Seite 28 ist mit einer p-Typ Verunreinigung dotiert, jedoch ist ihre Dicke gering, sodass die Deckschicht auf der p-Seite ein i-Typ sein kann, worin Träger durch Dotierung mit n-Typ Verunreinigung kompensiert werden können. Die Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 wird innerhalb 0,1 μm, bevorzugt innerhalb 500 Ångström reguliert und noch besser innerhalb 300 Ångström. Wenn man diese bis zu einer Dicke von mehr als 0,1 μm wachsen lässt, dann besteht die Tendenz zur Rissbildung innerhalb der Deckschicht auf der p-Seite 28, und dies macht es schwierig, eine Nitridhalbleiterschicht von guter Kristallqualität wachsen zu lassen. Außerdem können die Träger die Energiebarriere aufgrund des Tunneleffekts nicht überwinden. Im Falle von AlGaN mit einem hohen Anteil an Al kann die geringe Dicke die Schwingung der LD Vorrichtung erleichtern. Beispielsweise im Falle von Al_yGa_1-yN mit Y nicht unter 0,2 ist die Dicke vorzugsweise innerhalb von 500 Ångström reguliert. Die Untergrenze der Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 ist nicht festgelegt, jedoch ist diese bevorzugt nicht niedriger als 10 Ångström, wie im Falle der Laservorrichtung im Beispiel 4.
Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 29
Als nächstes lässt man bei 1020 °C eine Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 29, die aus mit Mg auf 1 × 10¹⁸/cm³ dotiertem p-Typ GaN besteht, bis zu einer Dicke von 0,2 um wachsen. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht, wie im Falle der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26. Diese Schicht besteht bevorzugt aus GaN oder InGaN. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite beträgt vorzugsweise 100 Ångström bis 5 μm, noch besser 200 Ångström bis 1 μm. Die Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite ist normalerweise p-leitend aufgrund der Dotierung mit einer p-Typ Verunreinigung wie Mg, kann jedoch auch undotiert sein.
Claddingschicht auf der p-Seite 30
Danach wird bei 1020 °C eine Claddingschicht auf der p-Seite 30 durch abwechselnde Laminierung einer mit Mg auf 1 × 10²⁰/cm³ dotierten p-Typ Al_0,25Ga_0,75N-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström sowie einer undotierten p-Typ GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström in 40 Schichten hergestellt, wodurch eine Übergitterstruktur zustande kommt. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Fangschicht für Träger, wie auch im Fall der Claddingschicht auf der n-Seite 25. Der spezifische Widerstand und die Grenzwerte der p-Typ Schichten tendieren aufgrund der Claddingschicht auf der p-Seite in Form einer Übergitterstruktur zu sinken.
Kontaktschicht auf der p-Seite 31
Schließlich lässt man eine Kontaktschicht auf der p-Seite 31, die aus mit Mg auf 2 × 10²⁰/cm³ dotiertem GaN des p-Typs hergestellt wurde, auf eine Dicke von 150 Ångström wachsen.
Nach Abschluss der Reaktion wird der Wafer bei 700 °C in der Stickstoffatmosphäre im Reaktor getempert, damit die Schichten des p-Typs einen geringeren elektrischen Widerstand haben. Nach dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen und die Kontaktschicht auf der p-Seite 31 und die Claddingschicht auf der p-Seite 30, bei denen es sich um die obersten Schichten handelt, werden, wie in 2 gezeigt, mit einer RIE-Vorrichtung zu einer Steggeometrie mit einer Streifenbreite von 4 μm geätzt. Insbesondere wenn die Nitridhalbleiterschichten, die Al enthalten und sich über der Aktivschicht befinden, in der Steggeometrie ausgebildet werden, konzentriert sich die Emission von der Aktivschicht unter dem Streifensteg, mit dem Ergebnis, dass der Quermodus leicht vereinfacht und die Grenzbereiche leicht verringert werden. Nachdem der Steg geformt wurde, wird auf dem Steg eine Maske ausgebildet und die Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23, auf der die n-Elektrode 34 ausgebildet werden soll, wird, wie in 2 gezeigt, symmetrisch in Bezug auf den Streifensteg freigelegt.
Als nächstes wird die aus Ni/Au hergestellte p-Elektrode 32 auf der gesamten Oberfäche des Grats ausgebildet. Zwischenzeitlich wird auf der nahezu gesamten Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 eine aus Ti und Al hergestellte n-Elektrode aus einem Streifen ausgebildet. Die nahezu gesamte Oberfläche bedeutet eine Fläche von 80 % oder mehr der Oberfläche. Somit ist es äußerst vorteilhaft, die Grenzbereiche zu verringern, um die zweite Nitridhalbleiterschicht 23 symmetrisch in Bezug auf die p-Elektrode 32 freizulegen und mit einer n-Elektrode auf der nahezu gesamten Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 auszustatten. Als nächstes wird ein aus SiO₂ hergestellter isolierender Film 35 zwischen der p-Elektrode und der n-Elektrode ausgebildet. Es wird eine aus Au hergestellte p- Bondelektrode 33 ausgebildet, die über den isolierenden Film 35 elektrisch mit der p-Elektrode 32 verbunden wird.
Nachdem die Elektrode ausgebildet wurde, wird die Rückseite des Saphirsubstrats des Wafers auf eine Dicke von etwa 50 μm geschliffen. Anschließend wird die geschliffene Ebene geritzt und der Wafer wird in Querstreifen gespalten, die in Bezug auf die Streifenelektrode lotrecht sind, um auf der gespaltenen Facette einen Resonator zu fertigen. Ein aus SiO₂ und TiO₂ hergestellter dielektrischer Film wird auf der Facette des Resonators ausgebildet und schließlich wird der Querstreifen parallel zur p-Elektrode geschnitten, was in Laservorrichtungen resultiert. Die resultierende Vorrichtung befindet sich auf dem Kühlkörper. Als die Laseroszillation bei Raumtemperatur ausprobiert wurde, wurde die kontinuierliche Emission bei einer Wellenlänge von 405 nm beobachtet. Die Schwellstromdichte betrug 2,5 kA/cm² und die Schwellenspannung 4,0 V. Die Lebensdauer betrug 500 Stunden oder länger und wurde 10-fach oder mehr verstärkt, verglichen mit der herkömmlichen Nitridhalbleiter-Laservorrichtung.
Beispiel 9
LED in Form der dreilagig-laminierten Struktur
Undotiertes In_0,05Ga_0,95N//Si-dotiertes GaN des n-Typs//undotiertes GaN
Die LED-Vorrichtung wird auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 gefertigt, mit der Ausnahme, dass man eine aus undotiertem In_0,05Ga_0,95N hergestellte dritte Nitridhalbleiterschicht bei 800 °C unter Verwendung von TMG, TMI und Ammoniak auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen lässt. Die resultierende LED-Vorrichtung wies nahezu dieselben Eigenschaften wie jene in Beispiel 7 auf.
Für die dreilagig-laminierte Struktur besteht das Hauptziel darin, dass die Ladungsträgerkonzentration in der zweiten Nitridhalbleiterschicht, die als eine N-Typ Kontaktschicht fungiert, erhöht wird, was darin resultiert, dass eine Kontaktschicht erhalten wird, die einen spezifischen Widerstand aufweist, der so niedrig wie möglich ist. Die zweite Nitridhalbleiterschicht wird mit einer n-Typ-Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert und die dritte Nitridhalbleiterschicht wird derart ausgebildet, dass die Claddingschicht des n-Typs, die Aktivschicht und dergleichen, die über der zweiten Nitridhalbleiterschicht ausgebildet werden, eine gute Kristallinität aufweisen können.
Beispiel 10
LED in Form einer dreilagig-laminierten Übergitterstruktur
Undotiertes InGaN/undotiertes GaN//Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
Mit denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die Pufferschicht 2 ausgebildet und dann lässt man die aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 bei denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 auf eine Dicke von 1,5 μm wachsen.
Als nächstes wird bei 1050 °C unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und Si-Gas eine zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ausgebildet, indem man eine Si-dotierte GaN-Schicht, die mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiert wurde, auf eine Dicke von 2,25 μm wachsen lässt.
Dann lässt man bei 1050 °C unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen und anschließend lässt man bei 800 °C unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniakgas eine undotierte InGaN-Schicht auf eine Dicke von 10 μm heranwachsen. Somit wird eine dritte Nitridhalbleiterschicht hergestellt, indem abwechselnd eine A-Schicht aus einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 20 Ångström sowie eine B-Schicht aus einer undotierten InGaN-Schicht mit einer Dicke von 10 Ångström in 20 Schichten geschichtet werden, wodurch eine Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 600 Ångström entsteht. Andere Konstruktionen waren mit denen in Beispiel 1 identisch.
Die resultierende LED von Beispiel 10 wies dieselben Eigenschaften wie jene in Beispiel 7 auf.
Beispiel 11, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist
LED in Form einer dreilag-laminierten LED
Undotiertes GaN//Si-dotiertes n-Typ-GaN//Si-dotiertes GaN
Mit denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 wird die erste Nitridhalbleiterschicht 3 mit Si auf 1 × 10¹⁷/cm³ dotiert, die aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird mit 8 × 10¹⁸/cm³ dotiert und die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 ist eine undotierte Schicht. Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 7. In der resultierenden Vorrichtung wurde ein geringfügiger Leckstrom beobachtet und die Leistungsabgabe nahm ein wenig ab.
Beispiel 12, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist
LED in Form einer dreilagig-laminierten LED
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes n-Typ-GaN//undotiertes GaN
Mit denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 wird die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 mit Si auf 1 × 10¹⁷/cm³ dotiert, die aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird mit 8 × 10¹⁸/cm³ dotiert und die erste Nitridhalbleiterschicht 5 ist eine undotierte Schicht. Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 7. In der resultierenden Vorrichtung wurde ein geringfügiger Leckstrom beobachtet und die Leistungsabgabe nahm ein wenig ab.
Beispiel 13, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist
LED in Form einer dreilagig-laminierten Struktur
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes n-Typ-GaN//Si-dotiertes GaN
Mit denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 werden die erste und die dritte Nitridhalbleiterschicht 3 und 5 mit Si auf 8 × 10¹⁶/cm³ dotiert und die aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird mit 5 × 10¹⁸/cm³ dotiert. Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 7. In der resultierenden Vorrichtung wurde nahezu kein Leckstrom beobachtet und die Leistungsabgabe nahm ein wenig ab.
Beispiel 14, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist
LED in Form einer dreilagig-laminierten Struktur
Undotiertes GaN/Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
Mit denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die Pufferschicht 2 ausgebildet und dann lässt man die aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 bei denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 auf eine Dicke von 1,5 μm heranwachsen.
Als nächstes wird bei 1050 °C unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und Si-Gas die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ausgebildet, indem man eine Si-dotierte GaN-Schicht, die mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiert ist, auf eine Dicke von 2,25 μm heranwachsen lässt.
Anschließend lässt man bei 1050 °C unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht auf eine Dicke von 75 μm heranwachsen. Bei derselben Temperatur lässt man unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und Si-Gas eine Si-dotierte GaN-Schicht, die mit Si auf 1 × 10¹⁹/cm³ dotiert ist, auf eine Dicke von 25 Ångström heranwachsen. Somit wird die dritte Nitridhalbleiterschicht hergestellt, indem abwechselnd eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 75 Ångström und die Si-dotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 25 Ångström geschichtet werden, wodurch die Übergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 600 Ångström ausgebildet wird.
Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 1.
Die resultierende LED mit der dritten Nitridhalbleiterschicht in Form der Übergitterstruktur gemäß dem Beispiel 14 wies Eigenschaften auf, die jenen aus Beispiel 7 ähnlich waren.

Claims

Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung, die mindestens ein Substrat (1; 20), eine Pufferschicht (2; 21), die auf besagtem Substrat gebildet ist, eine n-Typ Kontaktschicht (4; 23), dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung, um eine n-Elektrode zu bilden, eine Aktivschicht (6; 27) wo Elektronen und Löcher rekombinieren und eine p-Typ Kontaktschicht (8; 31); um eine p-Elektrode zu bilden, umfasst, wobei jede Schicht aus Nitridhalbleitern gemacht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) eine erste Oberfläche besitzt, auf der eine erste undotierte Nitridhalbleiterschicht (3; 22) gebildet ist und eine zweite Oberfläche, auf der eine zweite undotierte Nitridhalbleiterschicht (5; 24) gebildet- ist, um eine dreilagig-laminierte Struktur zu bilden, wobei die besagte dreilagig-laminierte Struktur sich zwischen besagter Pufferschicht (2; 21) und besagter Aktivschicht (6; 27) befindet.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die zweite undotierte Nitridhalbleiterschicht (5; 24) eine Dicke von mehr als 10 nm hat.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin genannte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) aus GaN dotiert mit Si als eine n-Typ Verunreinigung gebildet ist und besagte erste undotierte Nitridhalbleiterschicht (3; 22), verbunden mit der ersten Oberfläche der besagten n-Typ Kontaktschicht (4; 23), aus GaN oder AlGaN gebildet ist, während besagte zweite undotierte Nitridhalbleiterschicht (5; 24), verbunden mit der zweiten Oberfläche der besagten n-Typ Kontaktschicht (4; 23), entweder aus GaN, AlGaN oder InGaN gebildet ist.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 3, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) eine Trägerdichte von mehr als 3 × 10¹⁸/cm³ hat.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) einen spezifischen Widerstand von weniger als 8 × 10^–3 Ωcm hat.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) eine übergeordnete Gitterstruktur hat mit einem Laminat von mindestens einer Nitridhalbleiterschicht (B-Schicht), dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht (A-Schicht).
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 6, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) eine übergeordnete Gitterstruktur eines Laminats hat, gebildet aus einer Kombination von Nitridhalbleiterschichten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus GaN/GaN, InGaN/GaN, AlGaN/GaN und InGaN/AlGaN, von denen eine jede mit Si als eine n-Typ Verunreinigung dotiert ist.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 7, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) eine Trägerdichte von mehr als 3 × 10¹⁸/cm³ hat.
Eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin besagte n-Typ Kontaktschicht (4; 23) einen spezifischen Widerstand von weniger als 8 × 10^–3 Ωcm hat.