DE102007013167A1 - Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm und Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung - Google Patents

Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm und Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung Download PDF

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Abstract

Es wird eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm und eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, für welche dieser verwendet wird, vorgesehen. Der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm weist ein Substrat mit konkaven und konvexen Bereichen auf, die darauf gebildet sind; eine Pufferschicht, die auf dem Substrat gebildet ist und aus einem Gruppe III-Nitrid hergestellt ist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Pufferschicht gebildet ist und aus (11-20)-Ebene-Galliumnitrid hergestellt ist, auf. Die Gruppe III-Nitrid-Leuchtvorrichtung weist den Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm auf. Durch die vorliegende Erfindung wird ein a-Ebene-Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm hoher Qualität sowie eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, für welche dieser verwendet wird, geschaffen.

Description

  • Für diese Anmeldung wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-0077492, angemeldet am 20. März 2006 beim Japanischen Patentamt, beansprucht, deren Offenbarung durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm und eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, und insbesondere einen Dünnfilm, welcher eine Prä-Ablagerungsschicht für das epitaxiale Wachstum einer a-Ebene-GaN-Schicht sein kann.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Im Allgemeinen kann die Energielücke eines Gruppe III-Nitrid-Halbleiters, insbesondere einer Galliumnitridverbindung, über einen breiten Bereich durch Anpassen des Zusammensetzungsverhältnisses gesteuert werden. Zum Beispiel wird AlxInyGa(1-x-y)N (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x = y = 0 ist) als Direktübergangshalbleiter verwendet, und dessen Energielücke liegt im Bereich von 0,7∼0,8 eV bis 6 eV. Das bedeutet, dass durch die Verwendung GaN-basierter Verbindungen als aktive Schicht eine Leuchtvorrichtung ermöglicht wird, die in der Lage ist, Licht in den Farben des gesamten sichtbaren Bereichs einschließlich des roten bis ultravioletten Bereichs zu emittieren.
  • Um eine Galliumnitrid-basierte Verbindung auf eine derartige Leuchtvorrichtung aufzutragen, ist ein Film, der über eine hohe Qualität verfügt und eine hohe Leuchteffizienz aufweist, hinsichtlich der Form oder Lebensdauer der Anwendung erforderlich. Eine Galliumnitrid-basierte Verbindung weist eine hexagonale Wurtzitstruktur auf, und ihre Gitterkonstante ist sehr klein im Vergleich zu anderen Haupthalbleitern (Gruppe III-V-Verbindung-Halbleiter oder Gruppe-II-VI-Verbindung-Halbleiter etc.). Durch die ausgesprochen kleine Gitterkonstante wird eine Anpassung an die Gitterkonstante eines Kristalls eines Substrats verhindert.
  • Im Allgemeinen tritt in dem Kristall für epitaxiales Wachstum aufgrund des Versatzes des Gitters eine Versetzung oder aber Verformung (Druckverformung oder Zugverformung) mit dem Kristall des Substrats auf. Eine derartige Versetzung hat Versetzungsdefekte zur Folge, welche die Qualität des epitaxialen Wachstumsfilms herabsetzen. Somit ist die Wahl eines Substrats ein wesentlicher Faktor beim Wachstum einer Galliumnitrid-basierten Verbindung.
  • Üblicherweise wird hauptsächlich ein Saphirsubstrat (c-Ebene) als Substrat zum Wachsen einer GaN-basierten Verbindung verwendet. Jedoch weist selbst das Saphirsubstrat immer noch einen Gitterversatz von ungefähr 15% zu GaN auf, und somit wird im Allgemeinen eine Pufferschicht zwischen dem Saphirsubstrat und einer Wachstumsschicht verwendet, um den Versatz des Gitters zu mindern. Somit bestimmt die Pufferschicht die Qualität der Wachstumsschicht, und unterschiedliche Arten von Pufferschichten wurden in letzter Zeit vorgeschlagen (siehe die offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 10-242586 und 9-227298).
  • Jedoch wächst, wenn die c-Ebene eines Saphirs etc. als Kristallbasis verwendet wird, selbst mit einer Pufferschicht, die GaN-basierte Verbindung (nachstehend als „GaN-basierter" Wachstumsfilm bezeichnet), welche die Wachstumsschicht ist, in Richtung der c-Achse und sie weist bemerkenswerte c-Achsen-Eigenschaften in deren Dickenrichtung auf. Die GaN-Verbindung weist starke pyroelektrische Eigenschaften in Richtung der c-Achse auf, und durch die Grenzflächenbelastung mit einer anderen GaN-basierten Verbindung mit unterschiedlicher Gitterkonstante wird ein sogenanntes piezoelektrisches Feld erzeugt. In einem idealen Energieband einer aktiven Schicht ohne vorhandene Belastung sind die Wellenfunktionen der Elektronen und der Löcher beinahe symmetrisch. Findet die Druckverformung oder Zugverformung jedoch aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten statt, wird der Abstand zwischen den Wellenfunktionen der Elektronen und der Löcher aufgrund des Vorhandenseins des piezoelektrischen Felds größer. Daraus resultiert eine Verschlechterung der Rekombinationsrate der aktiven Schicht der GaN-basierten Verbindung, die in Richtung der c-Achse des Substrats gewachsen ist. Indessen wird in dem Fall, wenn der Abstand zwischen den Wellenfunktionen durch die Wirkung des piezoelektrischen Felds gemindert ist, die Wellenlänge der Lichtemission länger und kann entsprechend dem Anlegen einer Spannung verändert werden.
  • Um derartige Probleme zu beheben, wird in der veröffentlichten U.S. Patentanmeldung 2003/0198837 ein Verfahren zum Wachsen von nicht polarem a-Ebene-Galliumnitrid, welches dem piezoelektrischen Feld nicht unterliegt, vorgeschlagen.
  • Jedoch kann nicht polares a-Ebene-Galliumnitrid aufgrund seiner planaren Anisotropie nur schwierig zu einem Film hoher Qualität wachsen. Insbesondere wächst im Wachstumsvorgang von Galliumnitrid die Ga-Ebene (0001) schneller als die N-Ebene (000-1), und durch dieses asymmetrische Wachstum werden auf dem Film Versetzungsdefekte verursacht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorgenannte Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme im Stand der Technik zu lösen, und somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine GaN-basierte Wachstumsschicht von besserer Qualität unter Verwendung von nicht polarem a-Ebene-Galliumnitrid zu schaffen.
  • Gemäß einem Gegenstand der Erfindung ist ein Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm vorgesehen, welcher aufweist: ein Substrat mit einer Mehrzahl darauf gebildeter konkaver und konvexer Bereiche; eine auf dem Substrat gebildete Pufferschicht, die aus einem Gruppe III-Nitrid hergestellt ist; und eine auf der Pufferschicht gebildete epitaxiale Wachstumsschicht, die aus (11–20)-Ebene-Galliumnitrid hergestellt ist.
  • Gemäß einem weiteren Gegenstand der Erfindung ist ein Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm vorgesehen, welcher ein Substrat mit darauf gebildeten konkaven und konvexen Bereichen; eine auf dem Substrat gebildete Pufferschicht, die aus einem Gruppe III-Nitrid hergestellt ist; eine auf der Pufferschicht gebildete Mittelschicht, wobei die Mittelschicht eine erste Schicht aus Metall und eine zweite Schicht aus Stickstoff aufweist und wobei die erste und zweite Schicht wenigstens zweimal wiederholt gestapelt werden; und eine auf der Mittelschicht gebildete epitaxiale Wachstumsschicht, die aus (11–20)-Ebene-Galliumnitrid hergestellt ist, aufweist.
  • Gemäß einem weiteren Gegenstand der Erfindung ist eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung vorgesehen, welche wenigstens einen der oben genannten Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilme aufweist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der folgenden genauen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
  • 1 eine Seitenansicht ist, in welcher ein Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist;
  • 2 ein Ablaufdiagramm ist, in welchem ein Verfahren zum Bilden des Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilms gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist;
  • 3 ein Zeitdiagramm ist, in welchem das gepulste Atomschicht-Epitaxieverfahren (PALE = pulsed atomic layer epitaxy) zum Wachsen von Al/In/Ga/N-Schichtstoffen dargestellt ist;
  • 4 ein SEM-Bild (SEM = Scanning Electron Microscope; Rasterelektronenmikroskop) ist, in welchem ein Beispiel eines auf einem a-Ebene-GaN-Film gebildeten Versetzungsdefekts dargestellt ist;
  • 5 ein SEM-Bild ist, in welchem die Oberfläche eines Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilms gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist;
  • 6a ein Diagramm ist, in welchem das XRD-Mapping (XRD = X-Ray Diffraction; Röntgendiffraktometrie) von Probe A des Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilms gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist;
  • 6b ein Diagramm ist, in welchem das XRD-Mapping (XRD = X-Ray Diffraction; Röntgendiffraktometrie) von Probe B des Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilms gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist;
  • 7 eine schematische Schnittansicht ist, in welcher eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 dargestellt ist; und
  • 8 ein Diagramm ist, in welchem das Leuchtspektrum der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 dargestellt ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden beispielhafte Ausführungsformen eines Gruppe III-Nitrid-Halbleiterfilms und einer Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Die Zeichnungsfiguren dienen Darstellungszwecken, und die Relationen oder Verhältnisse zwischen Dicken und Breiten der Bestandteile können von den tatsächlichen Darstellungen der Erfindung abweichen. Weiter können die gleichen Bestandteile mit verschiedenen Abmessungen oder Proportionen dargestellt sein.
  • Ausführungsform 1
  • Zuerst wird ein Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Ausführungsform 1 weist ein Saphirsubstrat mit einer (1–102)-Ebene- (das heißt, r-Ebene-) Substratoberfläche, eine Niedrigtemperatur-Pufferschicht, die auf der Substratoberfläche gebildet ist, eine Mittelschicht, die auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht gebildet ist, und eine Gruppe III-Nitrid-Wachstumsschicht auf, die auf der Mittelschicht gebildet ist. Das r-Ebene-Saphirsubstrat weist eine Mehrzahl von Nuten auf, die in Streifenform auf dem r-Ebene-Saphirsubstrat gebildet sind. Hier stellt "–1" des Begriffs (1–102) eine mit einem Strich an der Oberseite versehene "1" dar. Die Millerschen Indizes werden in der gesamten Beschreibung auf gleiche Weise dargestellt. Weiterhin wird in Ausführungsform 1 eine (11–20) Ebene- (das heißt, a-Ebene-) GaN-Schicht als Beispiel für die Gruppe III-Nitrid-Wachstumsschicht verwendet.
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht, in welcher ein Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Ausführungsform 1 dargestellt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 weist der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm 100 ein Saphirsubstrat 110 mit einer r-Ebene als Substratoberfläche, eine Pufferschicht 120, die auf dem Saphirsubstrat 110 gebildet ist, eine Mittelschicht 130, die auf der Pufferschicht 120 gebildet ist, und eine undotierte GaN-Schicht 140, die auf der Mittelschicht 130 gebildet ist, auf.
  • Auf der Oberfläche des Saphirsubstrats 110 ist eine Mehrzahl bogenförmiger Nuten, die durch eine Rippenbreite w1, eine Nutbreite w2 und eine Nuttiefe d definiert ist, gebildet. Die Pufferschicht 120 ist zwecks Gitteranpassung zwischen dem r-Ebene-Saphirsubstrat und einer auf der Pufferschicht 120 gebildeten Schicht angeordnet und kann aus GaN, AlN und AlInN zusammengesetzt sein. In dieser Ausführungsform ist die Pufferschicht 120 aus AlInN. Die Mittelschicht 130 ist aus einem Stapel von Schichten gleicher Zusammensetzung zusammengesetzt und dient dazu, den Gitterversatz zwischen der Pufferschicht 120 und der a-Ebene-GaN-Schicht 140 weiter zu mindern. Jede der Schichten, die die Mittelschicht 130 bilden, wird durch aufeinanderfolgendes Stapeln mehrerer verschiedener Materialien gebildet. Beispielsweise kann jede Schicht eine Ga/N/GaN-Schicht, wobei Ga, N und GaN aufeinanderfolgend geschichtet sind, oder eine Al/In/Ga/N Schicht sein, wobei Al, In, Ga und N aufeinanderfolgend geschichtet sind.
  • Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilms 100 erläutert. Insbesondere wird bevorzugt, das Saphirsubstrat 110 zu verwenden, bei dem das Streifenmuster und die Al/In/Ga/N-Schichtstoffe wiederholt zu Zehnern von Schichten als Mittelschicht 130 gestapelt sind. 2 ist ein Ablaufdiagramm, in welchem das Herstellungsverfahren, das heißt das Verfahren zum Bilden des GaN-Dünnfilms, dargestellt ist.
  • Zuerst wurde ein Einkristallsubstrat r-Ebene-Saphirsubstrat 110 hergestellt, und es wurde eine Mehrzahl Nuten in einem Streifenmuster, definiert durch eine Rippenweite w1, eine Nutbreite w2 und eine Nuttiefe d, entlang der (0001)-Ebene mittels eines herkömmlichen Photolithographievorgangs und RIE (Reactive Ion Etching) gebildet. Nachstehend wird das Saphirsubstrat 110 mit dem darauf gebildeten Streifenmuster als "gemustertes Saphirsubstrat" 110 bezeichnet.
  • Dann wurde das gemusterte Saphirsubstrat 110 unter Verwendung einer geeigneten Lösung gewaschen und in eine Reaktionskammer eines MOCVD-(MOCVD = metal organic chemical vapor deposition; metallorganische Gasphasenabscheidung) Geräts eingebracht. Bei dem gesamten Vorgang wurde in der Reaktionskammer die Temperatur des Substrats auf 1150°C geregelt, und das Substrat wurde für ungefähr 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre getempert, S101.
  • Anschließend wurden, um eine Pufferschicht 120 aus AlInN auf dem gemusterten Saphirsubstrat 110 wachsen zu lassen, Wasserstoff und Stickstoff als Trägergase mit Flussraten von jeweils 18 SLM (Standardlitern pro Minute) und 15 SLM in die Reaktionskammer eingebracht, und Ammoniak (NH3), Trimethylaluminium (TMA) und Trimethylindium (TMI) wurden als Quellengas mit Flussraten von jeweils 1 SLM, 43 SCCM (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) und 300 SCCM eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Temperatur des Substrats auf 850°C geregelt und die Wachstumszeit wurde auf 4 Minuten eingestellt. Dadurch wurde die AlInN-Pufferschicht mit einer Dicke von ungefähr 5 bis 10 nm erhalten, S102. Insbesondere wurde die AlInN-Pufferschicht 120 unter atmosphärischem Druck wachsen gelassen.
  • Nachfolgend wurde die Temperatur auf 850 bis 1100°C eingestellt, und es wurden wiederholt für eine voreingestellte Anzahl von Malen Al/In/Ga/N-Schichten wachsen gelassen, um die Mittelschicht 130 zu bilden, S103. Die Al/In/Ga/N-Schichten wurden mittels PALE (Pulsed Atomic Layer Epitaxy) gebildet. Dies bringt das Verwenden einer Mehrzahl unterschiedlicher Materialien aufeinanderfolgend entsprechend vorbestimmter Pulssignale in der Reaktionskammer des MOCVD-Geräts mit sich. Um die Al/In/Ga/N-Schichten zu bilden, werden Trimethylaluminium (TMA), Trimethylindium (TMI), Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH3) verwendet.
  • 3 ist ein Zeitdiagramm des PALE-Verfahrens zum Wachsen der Al/In/Ga/N-Schichten. Unter Bezugnahme auf 3 besteht 1 Zyklus aus 10 Takten (Zeit: 0 bis 10T). Insbesondere wurde bei einem ersten Takt (0-T) nur TMA zugeführt und bei einem zweiten Takt (T-2T) wurde nur NH3 zugeführt. Auf die gleiche Weise wurden bei einem dritten Takt (2T-3T), einem vierten Takt (3T-4T), einem fünften Takt (4T-5T) und einem sechsten Takt (5T-6T) TMA, NH3, TMA und NH3 aufeinanderfolgend zugeführt. Dann wurde bei einem siebten Takt (6T-7T) nur TMI zugeführt, nur NH3 wurde bei einem achten Takt (7T-8T) zugeführt, nur TMG wurde bei einem neunten Takt (8T-9T) zugeführt, und nur NH3 wurde bei einem zehnten Takt (9T-10T) zugeführt. Hier wird darauf hingewiesen, dass NH3 nach TMA, TMI und TMG, welche organische Metalle sind, zugeführt wurde. Diese Art der Steuerung des Zuführens der Quellengase ermöglicht das aufeinanderfolgende Wachsen von Al, N, Al, N, Al, N, In, N, Ga und N auf der Niedrigtemperatur-Pulsschicht 120. Das heißt, dass durch den oben beschriebenen 1 Zyklus ein AlN/InN/GaN-Laminat und eine Verbundschicht auf der Pufferschicht 120 gebildet werden.
  • Die Mittelschicht 130 aus Al/In/Ga/N-Schichten wurde mittels des mehrmaligen wiederholten Durchführens des Verfahrens zur Bildung der Al/In/Ga/N-Schichten durch den oben beschriebenen 1 Zyklus gebildet. Vorzugsweise werden die Al/In/Ga/N-Schichten in 2 bis 100 Zyklen gebildet, und noch bevorzugter in 10 bis 20 Zyklen. Vorzugsweise dauert ein Takt T 1 bis 60 Sekunden, und noch bevorzugter 2 bis 10 Sekunden. Indessen wird bevorzugt, dass die Temperatur des Substrats in einem Bereich von 850°C bis 1100°C geregelt wird.
  • Zusätzlich werden, um eine epitaxiale Hochtemperatur-Schicht, das heißt eine undotierte a-Ebene-GaN-Schicht 140, auf der Mittelschicht 130 wachsen zu lassen, Wasserstoff und Stickstoff mit Flussraten von jeweils 11,6 SLM und 14 SLM als Trägergase in die Reaktionskammer zugeführt, und Ammoniak (NH3) und Trimethylgallium (TMG) wurden mit Flussraten von jeweils 5,0 SLM und 42 SCCM (203 μmol/min) als Quellengase zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Temperatur des Substrats auf 1100°C geregelt, und die Wachstumszeit wurde auf 80 Minuten eingestellt. Dadurch wurde eine a-Ebene-GaN-Schicht 140 mit einer Dicke von ungefähr 13 μm erhalten, S104. Diese a-Ebene-GaN-Schicht 140 wurde ebenfalls unter atmosphärischem Druck wachsen gelassen.
  • Mittels des oben beschriebenen Verfahrens wurden zwei a-Ebene-GaN-Dünnfilmproben erhalten, die sich lediglich in dem Streifenmuster des Saphirsubstrats 110 unterscheiden. Eine der Proben (nachstehend "Probe A" genannt) mit dem bogenförmigen Muster wies eine Rippenbreite w1 von 5 μm, eine Nutbreite w2 von 5 μm und eine Nuttiefe d von 0,53 μm auf. Die andere Probe (nachstehend "Probe B" genannt) mit dem Streifenmuster wies eine Rippenbreite w1 von 700 μm, eine Nutbreite w2 von 500 μm und eine Nuttiefe d von 0,30 μm auf.
  • 4 ist ein SEM-Bild von Versetzungsdefekten, die sich auf der a-Ebene-GaN-Schicht bildeten, welche mittels eines herkömmlichen Verfahrens erhalten wurde.
  • Wie in 4 dargestellt, weisen die Versetzungsdefekte üblicherweise eine dreieckige Morphologie auf. 5 stellt SEM-Oberflächenbilder von Probe A und Probe B auf den a-Ebene-GaN-Schichten dar, die zum Vergleich nebeneinander dargestellt wurden.
  • Unter Bezugnahme auf das SEM-Bild (a) aus 5, können der glatte Bereich und der raue Bereich deutlich unterschieden werden. Andererseits können in dem SEM-Bild der Probe B keine Versetzungsdefekte über eine Länge von 100, μm (nachstehend als „muldenfreier Bereich" bezeichnet) erkannt werden. Der muldenfreie Bereich zeigt an, dass die Probe B eine glatte Oberflächenmorphologie aufweist, die in Richtung (0001) wächst. Während ein GaN-Kristall wachsen gelassen wird, werden Versetzungsdefekte auf der N-Ebene, die entlang (000-1) gewachsen ist, gebildet, wodurch die konkaven und konvexen Bereiche der Oberfläche zunehmen. Dies wird dadurch hervorgerufen, dass die (0001)-Ebene durch den grundsätzlichen Unterschied zwischen der (0001)-Ebene, die die Ga-Ebene ist, und der (000-1)-Ebene, welche die N-Ebene ist, schneller wächst als die (000-1)-Ebene. Als Folge davon verursacht dieses asymmetrische Wachstum Versetzungsdefekte. Insbesondere bildet, wie in dem SEM-Bild (b) der Probe B dargestellt ist, die Ga-Ebene eine (1-101)-Ebene in Form einer Pfeilspitze, wohingegen die N-Ebene einen linearen Abschnitt bildet. Anders formuliert, wird auf der linken Seite der aufgerauten Fläche eine Abnahme der Versetzung beobachtet.
  • 6a und 6b sind XRD-Mappings, die jeweils aus Röntgendiffraktometrie-Spektren der Proben A und B erhalten wurden. Diese Diagramme werden erhalten, indem ein Röntgen-Strahler von 2 μm × 5mm parallel zu dem Streifenmuster ausgerichtet wird (wobei die 2 μm-Seite eines Röntgenstrahls zu der kurzen Seite des Streifenmusters ausgerichtet ist), und indem in senkrechter Richtung zum Streifenmuster eingestrahlt wird. Wie in 6a dargestellt ist, zeigt die Probe A eine Halbwertsbreite (FWHM = Full Width at Half Maximum,) zwischen 353 Bogensekunden und 490 Bogensekunden. Wie in 6b dargestellt ist, zeigt die Probe B eine FWHM zwischen 363 Bogensekunden and 475 Bogensekunden.
  • Entsprechend den Ergebnissen zeigte die a-Ebene-GaN-Schicht, die auf dem r-Ebene-Saphirsubstrat mit dem Streifenmuster gebildet ist, keine Versetzungsdefekte, wie sie im Stand der Technik beobachtet wurden, und wies eine nahezu gleichmäßige Oberfläche auf.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß Ausführungsform 1 eine a-Ebene-GaN-Schicht hoher Qualität wachsen gelassen werden, indem das r-Ebene-Saphirsubstrat 110 mit dem Streifenmuster verwendet wird, und aufeinanderfolgend die Pufferschicht 120 und die Mittelschicht 130 aus Al/In/Ga/N gebildet werden.
  • Obwohl in Ausführungsform 1 beispielhaft die Verwendung von GaN für die epitaxiale Hochtemperaturschicht aufgezeigt wird, kann man indessen auch andere GaN-basierte Verbindungen, wie AlGaN anstelle von GaN, wachsen lassen, um einen Dünnfilm gleicher ausgezeichneter Qualität zu ermöglichen. Des Weiteren ist das Substrat nicht auf das r-Ebene-Saphirsubstrat beschränkt und kann ebenso auch aus MgO, LiGaO3, LiAlO3, SiC, Si, etc. hergestellt sein, um das oben beschriebene Streifenmuster zu bilden, was zu einem a-Ebene-GaN-Dünnfilm gleicher ausgezeichneter Qualität führt.
  • Weiterhin können die konkaven und konvexen Bereiche des Substrats in (1–100)-Richtung des GaN gebildet werden, in einer Richtung, die um 30° oder um 60° zu dieser Richtung geneigt ist, und in einer zu dieser Richtung senkrechten Richtung, wobei jeder der konvexen Bereiche eine Breite im Bereich von 0.001 bis 1 mm aufweisen kann und jeder der konkaven Bereiche eine Tiefe im Bereich von 0.01 bis 1 μm aufweist, um die Qualität des a-Ebene-GaN-Dünnfilms zu verbessern. Insbesondere können die konkaven und konvexen Bereiche um ±5° zu der (1–100)-Richtung von GaN geneigt sein.
  • Ausführungsform 2
  • Der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Ausführungsform 1 kann als Prä-Ablagerungsschicht oder Unterschicht für eine Gruppe III-Nitrid- Halbleiterleuchtvorrichtung einer LED oder für einen Halbleiter-Laser verwendet werden. In Ausführungsform 2 wird ein Fall beschrieben, bei dem der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Ausführungsform 1 für eine Leuchtvorrichtung verwendet wird.
  • 7 ist eine schematische Schnittansicht, in der eine Gruppe III-Nitrid-Leuchtvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 dargestellt ist. Die Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung 200, die in 7 dargestellt ist, weist ein gemustertes r-Ebene-Saphirsubstrat 201, eine Pufferschicht 202 aus AlInN, eine Mittelschicht 203 aus Al/In/Ga/N-Schichten, eine undotierte a-Ebene-GaN-Schicht 204, eine n-Kontaktschicht 205, eine n-Mantelschicht 206, eine n-Mittelschicht 207, eine aktive Schicht 208, eine p-Blockschicht 209, eine p-Mantelschicht 210, eine p-Kontaktschicht 211 auf, die in dieser Reihenfolge gebildet sind.
  • Hier ist der Dünnfilmbereich, der aus dem gemusterten Saphirsubstrat 201, der Pufferschicht 202, der Mittelschicht 203 und der a-Ebene-GaN-Schicht 204 zusammengesetzt ist, identisch zu dem Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm 100 gemäß Ausführungsform 1.
  • Nun wird ein Verfahren zur Herstellung der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung 200 erläutert.
  • Zuerst lässt man die n-Kontaktschicht 205 auf einem a-Ebene-GaN-Dünnfilm der Probe B aus Ausführungsform 1 wachsen, indem GaN mit Si dotiert wird. Dann wird die n-Mantelschicht 206 der Übergitterstruktur durch Dotieren von (AlGaN/GaN)n (z.B. n = 50) mit Si gebildet. Die n-Mittelschicht 207 wurde durch Dotieren von AlGaN mit Si wachsen gelassen.
  • Die aktive Schicht 208 weist eine multiple Quantenbrunnenstruktur aus (InGaN/GaN)n (z.B. n = 5) auf und wird durch Zuführen von Ga und In mit Flussraten von jeweils 10 SCCM und 300 SCCM als Quellengase wachsen gelassen. Die p-Blockschicht 209 wird wachsen gelassen, indem Mg zu AlGaN eingespritzt wird, und die p-Mantelschicht 210 mit einer Übergitterstruktur wird gebildet, indem (AlGaN/GaN)n(z.B. n = 50) mit Mg dotiert wird. Die p-Mantelschicht 210 lässt man bei 1050°C durch Zuführen von TMG, Cp2Mg und NH3 mit Flussraten von jeweils 20 sccm (96,7 μmol/min), 60 sccm (0,2 μmol/min) und 3,0 SLM wachsen. Die p-Kontaktschicht 211 wird durch Dotieren von GaN mit Mg wachsen gelassen.
  • Jeweils ein Teil der n-Kontaktschicht 205, der n-Mantelschicht 206, der n-Mittelschicht 207, der aktiven Schicht 208, der p-Blockschicht 209, der p-Mantelschicht 210 und der p-Kontaktschicht 211 wird durch Ätzen entfernt, um einen Teil der n-Kontaktschicht 205 bloßzulegen, und eine n-Elektrode 220 wird an dem bloßgelegten Bereich der n-Kontaktschicht 205 angebracht. Ebenso wird eine p-Elektrode 230 auf der p-Kontaktschicht 211 gebildet. The n-Elektrode 220 wird durch Ablagern von In gebildet, wohingegen die p-Elektrode 230 durch Ablagern von Ni (100Ä)/Au(100A) durch Elektronenstrahlen gebildet wird. Dadurch wird eine Leuchtvorrichtung von 100 × 100 μm2 erhalten.
  • 8 stellt die Ergebnisse der Messungen der Elektrolumineszenz der wie oben beschrieben erhaltenen Leuchtvorrichtung dar. Wie in 8 dargestellt, zeigt die Leuchtvorrichtung einen Lichtemissionsspitze bei 459 nm bei einem Antriebstrom von of 5 mA und einen Lichtemissionsspitze bei 454 nm bei einem Antriebstrom von 50 mA.
  • Wie oben beschrieben, wird gemäß Ausführungsform 2 eine Leuchtvorrichtung hoher Qualität auf einem a-Ebene-GaN-Dünnfilm gebildet, wodurch eine blaue Leuchtvorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit und ausreichender Leuchtintensität hergestellt werden kann.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 wird die Mittelschicht zwischen der Pufferschicht und einer a-Ebene-GaN-Schicht gebildet, jedoch kann die Mittelschicht auch weggelassen werden und die a-Ebene-GaN-Schicht direkt auf der Pufferschicht gebildet werden. Dies ermöglicht ebenfalls dieselbe Wirkung des Streifenmusters des Substrats, das heißt, die Reduzierung der Versetzungsdefekte, die auf der a-Ebene-GaN-Schicht gebildet werden.
  • Zusätzlich stellen die oben beschriebenen Ausführungsformen 1 and 2 beispielhaft ein Streifenmuster, das aus einer Mehrzahl von Nuten, die in dem Substrat gebildet sind, zusammengesetzt ist, dar, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und es kann verschiedenartige Querschnittformen der konkaven und konvexen Bereiche geben, wie zum Beispiel ein Dreieck, ein Rechteck, einen Kreis etc.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben, kann der Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm als Prä-Ablagerungsschicht oder Unterschicht zum Bilden einer GaN-basierten Verbindung und insbesondere als Bestandteil einer Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung verwendet werden. Dementsprechend werden mittels der vorliegenden Erfindung ein a-Ebene-Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm hoher Qualität and eine Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, für welche dieser verwendet wird, vorgesehen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird dem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert abzuweichen.

Claims (19)

  1. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm, welcher aufweist: ein Substrat mit einer Mehrzahl von konkaven und konvexen Bereichen, die darauf gebildet sind; eine Pufferschicht, die auf dem Substrat gebildet ist und aus einem Gruppe III-Nitrid hergestellt ist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Pufferschicht gebildet ist und aus (11–20)-Ebene-Galliumnitrid hergestellt ist.
  2. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht AlInN aufweist.
  3. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche des Substrats eine Mehrzahl von streifenförmigen Rippen mit einer Mehrzahl von Nuten aufweisen.
  4. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rippen eine Breite von 0,001 bis 1 mm und jede der Nuten eine Breite von 0,001 bis 1 mm und eine Tiefe von 0,01 bis 1 μm aufweist.
  5. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche auf einer Ebene in (1–100)-Richtung von Galliumnitrid in einer um 30° zu der (1–100)-Richtung geneigten Richtung, in einer um 60° zu der (1–100)-Richtung geneigten Richtung oder in einer Richtung, die zu der (1–100)-Richtung senkrecht ist, gebildet sind, wobei jeder der konvexen Bereiche eine Breite von 0,001 bis 1 mm und jeder der konkaven Bereiche eine Tiefe von 0,01 bis 1 μm aufweist.
  6. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche um ±5° zu der (1–100)-Richtung von Galliumnitrid geneigt sind.
  7. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein (1–102)-Ebene-Saphirsubstrat aufweist.
  8. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material gewählt aus der Gruppe bestehend aus MgO, LiGaO3, LiAlO3, SiC und Si aufweist.
  9. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm, der in Anspruch 1 beschrieben ist, aufweist.
  10. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm, welcher aufweist: ein Substrat mit konkaven und konvexen Bereichen, die darauf gebildet sind; eine Pufferschicht, die auf dem Substrat gebildet ist und aus einem Gruppe III-Nitrid hergestellt ist; eine Mittelschicht, die auf der Pufferschicht gebildet ist, wobei die Mittelschicht eine erste Schicht aus einem Metall und eine zweite Schicht aus Stickstoff aufweist, wobei die erste und die zweite Schicht mindestens zweimal wiederholt gestapelt werden; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Mittelschicht gebildet ist und aus (11–20)-Ebene-Galliumnitrid hergestellt ist.
  11. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht Al/In/Ga/N aufweist.
  12. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht AlInN aufweist.
  13. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche des Substrats eine Mehrzahl von streifenförmigen Rippen mit einer Mehrzahl von Nuten aufweisen.
  14. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rippen eine Breite von 0,001 bis 1 mm und jede der Nuten eine Breite von 0,001 to 1 mm und eine Tiefe von 0,01 bis 1 μm aufweist.
  15. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche in (1-100)-Richtung von Galliumnitrid in einer um 30° zu der (1-100)-Richtung geneigten Richtung, in einer um 60° zu der (1-100)-Richtung geneigten Richtung oder in einer Richtung, die zu der (1-100)-Richtung senkrecht ist, gebildet sind, wobei jeder der konvexen Bereiche eine Breite von 0,001 bis 1 mm und jeder der konkaven Bereiche eine Tiefe von 0,01 bis 1 μm aufweist.
  16. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und konvexen Bereiche um ±5° zu der (1-100)-Richtung von Galliumnitrid geneigt sind.
  17. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein (1-102)-Ebene-Saphirsubstrat aufweist.
  18. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material gewählt aus der Gruppe bestehend aus MgO, LiGaO3, LiAlO3, SiC und Si aufweist.
  19. Gruppe III-Nitrid-Halbleiterleuchtvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Gruppe III-Nitrid-Halbleiterdünnfilm, der in Anspruch 10 beschrieben ist, aufweist.
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