DE112004000936T5

DE112004000936T5 - Verbindungshalbleiter und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112004000936T5
Application number: DE112004000936T
Authority: DE
Inventors: Masaya Niihama Shimizu; Makoto Tsukuba Sasaki; Yoshihiko Tsukuba Tsuchida
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-11-16
Also published as: TW200428496A; JP2004356522A; GB0525436D0; KR20060015609A; CN1788358A; WO2004107460A1; CN1788358B; TWI360163B; GB2419466A; GB2419466B; US20060243960A1; KR101125408B1; US7754515B2

Abstract

Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Multiquantentopfstruktur (multiple quantum well structure, MQWS) umfasst, die mindestens zwei Quantentopfstrukturen aufweist, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten umfassen, wobei das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Quantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Quantentopfstruktur mit zwei Sperrschichten und einer Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten umfasst.
Als Ausgangsmaterialien für Leuchtvorrichtungen, wie eine ultraviolette, blaue oder grüne Leuchtdiode sowie eine ultraviolette, blaue oder grüne Laserdiode, sind Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der Formel In_aGa_bAl_cN (worin a+b+c=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1) bekannt. Hierbei und im folgenden können a, b und c in der Formel als Molenbruch von InN, Molenbruch von GaN bzw. Molenbruch von AlN bezeichnet werden. Von den Gruppe-III-V-Verbindungshalbleitern sind diejenigen mit einem InN-Molenbruch von 5 % oder mehr bei Displayanwendungen von besonderer Bedeutung, da sie eine Einstellung der Wellenlänge von emittiertem Licht im Bereicht sichtbaren Lichts in Abhängigkeit vom Molenbruch von InN ermöglichen.
Obwohl ein Versuch des Züchtens einer Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiterschicht auf einem Substrat wie Saphir, GaAs, ZnO und dgl. durchgeführt wurde, wurden aufgrund der Tatsache, dass dessen Gitterkonstante und chemische Eigenschaften von denen des Verbindungshalbleiters ziemlich verschieden sind, keine Kristalle mit ausreichend hoher Qualität erhalten. Daher wurde ein Versuch zur Gewinnung eines hervorragenden Kristalls durch Züchten des Verbindungshalbleiters auf GaN, das Gitterkonstanten und chemische Eigen schaften aufweist, die ähnlich denen des Verbindungshalbleiters sind, durchgeführt (JP-B-1980-3834).
Ferner wurde zwar berichtet, dass eine Leuchtvorrichtung mit hoher Effizienz durch Ausbildung einer Quantentopfstruktur, die einen Halbleiter der Formel In_aGa_bAl_cN (worin a+b+c=1, 0<a<1, 0<b<1, 0≤c<1) umfasst, erhalten werden kann ( JP 3 064 891 ), doch ist diese im Hinblick auf die Helligkeit nicht immer ausreichend akzeptabel.
Ferner ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters bekannt, wobei eine InGaN-Schicht auf einem Si-dotierten GaN bei 660 bis 780 °C gezüchtet wird, GaN nach einer Unterbrechung des Wachstums während 5 bis 10 s gezüchtet wird, die InGaN-Schicht und GaN wiederholt unter dieser Bedingung unter Bildung einer Multiquantentopfstruktur gezüchtet werden und dann eine p-GaN-Schicht bei 1040 °C gezüchtet wird. Es ist jedoch auch bekannt, dass die InGaN-Schicht während des Züchtens der p-GaN-Schicht zerstört wird und In-Metall abgeschieden wird, was zu einer deutlichen Verringerung der Helligkeit führt (Journal of Crystal Growth, 248, Seite 498 (2003)).
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der eine Leuchtvorrichtung hoher Helligkeit bilden kann, eines Verfahrens zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters und einer Verwendungsmöglichkeit desselben.
Als Ergebnis von Untersuchungen unter diesen Umständen ermittelten die Erfinder, dass ein Verbindungshalbleiter, bei dem das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in Quantentopfschichten, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge von aufgrund von Strominjektion emittiertem Licht berechnet wurde, ein spezieller Wert ist, der nicht mehr als 42,5 % beträgt, eine Leuchtvorrichtung bilden kann, die hohe Helligkeit aufweist, und dass der Verbindungshalbleiter, der eine hohe Helligkeit aufweisende Leuchtvorrichtung bilden kann, durch Unterbrechung des Wachstums zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht bei der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht während 10 min oder mehr oder bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht erhalten werden kann, und gelangten damit zu dieser Erfindung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist [1] ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Multiquantentopfstruktur (multiple quantum well structure, MQWS) umfasst, die mindestens zwei Quantentopfstrukturen umfasst, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten aufweisen,
wobei das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Quantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist [2] ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Einquantentopfstruktur umfasst, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten aufweist, wobei eine Multiquantentopfstruktur, die wiederholt den Satz von Sperrschichten und der Quantentopfschicht auf weist, gebildet wird, das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Multiquantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.
Gegenstand der Erfindung ist [3] ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, umfassend zwei Sperrschichten und eine Quantentopfstruktur, die eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten aufweist, wobei das Verfahren die Stufe einer Unterbrechung des Wachstums zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht bei einer Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht während 10 min oder mehr oder bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht umfasst.
1 zeigt einen Querschnitt einer Struktur einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer lichtemittierenden Schicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, und dem Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge von aufgrund von Strominjektion emittiertem Licht berechnet wurde, zeigt. Die gepunktete Linie gibt eine Linie an, auf der das Verhältnis des Molenbruchs von InN, der aus der Wellenlänge von emittiertem Licht berechnet wurde, und des Molenbruchs von InN, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, 0,425 beträgt.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dauer einer Unterbrechung des Wachstums und dem Molenbruch von InN in einer lichtemittierenden Schicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, und die Beziehung zwischen der Dauer einer Unterbrechung des Wachstums und dem Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge von aufgrund von Strominjektion emittiertem Licht berechnet wurde, zeigt.
In den Zeichnungen haben die Zahlensymbole die folgenden Bedeutungen:

1: eine n-GaN-Schicht,
2: eine undotierte GaN-Schicht,
3: eine GaN-Schicht (eine Sperrschicht),
4: eine InGaN-Schicht (eine Quantentopfschicht),
5: eine GaN-Schicht (eine Sperrschicht, die erste Abdeck
: schicht),
6: eine Mg-dotierte AlGaN-Schicht (die zweite Abdeck
: schicht),
7: eine p-GaN-Schicht,
8: eine p-Elektrode und
9: eine n-Elektrode.

Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der Erfindung umfasst eine Quantentopfstruktur mit zwei Sperrschichten und einer Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten.
Die Quantentopfschicht weist eine Dicke von üblicherweise 5 bis 90 Å, vorzugsweise 10 bis 70 Å, noch besser 15 bis 65 Å auf.
Ferner kann die Quantentopfschicht mit Fremdatomen dotiert sein oder auch nicht. In der mit Fremdatomen dotierten Quantentopfschicht beträgt die Konzentration derselben üblicherweise 10²¹ cm³ oder weniger. Die Quantentopfschicht mit einer zu hohen Konzentration kann eine niedrigere Kristallinität aufweisen.
Die Sperrschicht ist üblicherweise ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der im folgenden angegebenen Formel In_aGa_bAl_cN (worin a+b+c=1, 0≤a<1, 0≤b≤1, 0≤c≤1). Die Sperrschicht kann mit Fremdatomen dotiert sein oder auch nicht. Beispiele für das Fremdatom umfassen Si, Zn, Mg, 0 und dgl. Die Sperrschicht kann mit einer Mehrzahl dieser Elemente dotiert sein. Wenn die Sperrschicht mit Fremdatomen dotiert ist, beträgt die Menge des Fremdatoms üblicherweise 10¹⁶ cm³ bis 10²¹ cm³. Die zwei Sperrschichten können gleich oder verschieden sein.
Die Sperrschicht weist eine Dicke von üblicherweise 30 bis 1000 Å, vorzugsweise 50 bis 500 Å, noch besser 100 bis 300 Å auf.
Die Quantentopfstruktur weist die Quantentopfschicht und die Sperrschichten, die oben beschrieben sind, auf. In der vorliegenden Erfindung kann eine Einquantentopfstruktur oder Multiquantentopfstruktur mit mindestens zwei Quantentopfstrukturen, vorzugsweise die Multiquantentopfstruktur, vorliegen.
Wenn eine Multiquantentopfstruktur umfasst wird, können die mehreren Quantentopfschichten gleich oder verschieden sein und auch mehrere Sperrschichten gleich oder verschieden sein. Eine Struktur, in der die gleichen Quantentopfschichten und die gleichen Sperrschichten abwechselnd wiederholt sind, wird vorzugsweise umfasst.
Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der vorliegenden Erfindung umfasst die oben beschriebene Quantentopfstruktur. Wenn der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter eine Mul tiquantentopfstruktur umfasst, beträgt das Verhältnis des mittleren Molenbruchs von InN in der Multiquantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 %. Wenn der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter eine Einquantentopfstruktur aufweist, beträgt für den Fall, dass eine Multiquantentopfstruktur mit der Sperrschicht und der Quantentopfschicht wiederholt mehrere Male gebildet wurde, das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Multiquantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 %.
Das Verhältnis derselben beträgt vorzugsweise nicht mehr als 40 %, noch günstiger 35 %, noch besser 30 %.
Der durchschnittliche Molenbruch von InN kann durch Röntgenbeugung ermittelt werden. Beispielsweise kann er durch ein Verfahren der Ermittlung des Molenbruchs von InN aus der Satellitenreflexion einer Überstruktur in der Multiquantentopfstruktur und des Berechnens des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Quantentopfschicht aus dem Anteil der Dicke der Quantentopfschicht und der Dicke der Sperrschichten erhalten werden.
Der Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge von Licht aufgrund einer Strominjektion berechnet wurde, kann durch das folgende Verfahren erhalten werden.
Die Wellenlänge λ (nm) des von einem in einer Leuchtvorrichtung verwendeten Verbindungshalbleiter emittierten Lichts kann durch die Gleichung: λ = 1240/Eg (1)worin Eg (eV) eine Bandlückenenergie des Halbleiters ist, dargestellt werden.
Die Bandlückenenergie des Verbindungshalbleiters kann aus dem Molenbruch desselben berechnet werden. Beispielsweise beträgt im Falle von In_xGa_1-xN, das aus InN und GaN besteht, die Bandlückenenergie von InN 0,8 eV, die Bandlückenenergie von GaN 3,42 eV, und daher kann die Bandlückenenergie des Verbindungshalbleiters (Eg) durch die Gleichung: Eg = 0,8 x + 3,42 (1-x) (2)dargestellt werden. Demgemäß kann der Molenbruch von InN (x) in dem Verbindungshalbleiter aus (1) und (2) nach der Gleichung x = (3,42 – (1240/λ))/(3,42 – 0,8)berechnet werden. Wenn die Wellenlänge des emittierten Lichts 470 nm beträgt, ist x 0,298.
Die Quantentopfstruktur mit dem Molenbruch von InN gemäß der obigen Beschreibung kann durch eine Wärmebehandlung hergestellt werden. Die Quantentopfstruktur wird üblicherweise bei 650 bis 850 °C gezüchtet und die Sperrschicht wird üblicherweise bei 650 bis 1000 °C gezüchtet. Die Quantentopfstruktur kann beispielsweise durch Unterbrechung des Wachstums zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht bei einer Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht während 10 min oder mehr oder bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopf schicht hergestellt werden.
Wenn eine Unterbrechung des Wachstums bei einer Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht erfolgt, beträgt die Unterbrechungsdauer vorzugsweise 12 min oder mehr, noch besser 15 min oder mehr und üblicherweise 60 min oder weniger, obwohl keine spezielle Obergrenze besteht.
Wenn die Unterbrechung des Wachstums bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht erfolgt, liegt die Unterbrechungstemperatur vorzugsweise etwa 10 °C höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht. Die Unterbrechungstemperatur liegt noch günstiger 30 °C höher, noch besser 50 °C höher als diese. Die maximale Unterbrechungstemperatur ist üblicherweise eine Temperatur, die etwa 100 °C höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht liegt, obwohl keine spezielle Obergrenze besteht. In Abhängigkeit von der Temperatur beträgt die Unterbrechungsdauer üblicherweise 1 min oder mehr, vorzugsweise 3 min oder mehr, noch günstiger 5 min oder mehr, noch besser 7 min oder mehr. Die Obergrenze derselben beträgt üblicherweise etwa 60 min, obwohl keine spezielle Obergrenze besteht. Die Unterbrechungsdauer ist vorzugsweise ein Zeitraum zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht.
Während der Unterbrechung des Wachstums wird die Zufuhr von Ausgangsmaterial der Gruppe III gestoppt. Ein Ausgangsmaterial der Gruppe V und ein Trägergas können zugeführt werden oder auch nicht. Das Ausgangsmaterial der Gruppe V wird vorzugsweise zugeführt und das Zuführen verhindert eine Stickstoffabnahme der Quantentopfschicht während des Wachstums.
Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Quantentopfschicht, der durch Analyse der Multiquantentopfstruktur durch Röntgenbeugung erhalten wird, kann aufgrund der Wärmebehandlung gesenkt werden und es kann die Quantentopfstruktur mit dem durchschnittlichen Molenbruch von InN gemäß der obigen Beschreibung gebildet werden.
Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der vorliegenden Erfindung kann unter herkömmlichen Bedingungen mit Ausnahme der Bedingungen für die Unterbrechung des Wachstums hergestellt werden.
Die Struktur einer Vorrichtung, die den Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der vorliegenden Erfindung umfasst, ist in 1 erläutert. In dem Beispiel in 1 ist eine undotierte GaN-Schicht 2 auf einer n-GaN-Schicht 1 platziert. Eine Quantentopfstruktur weist Schichten auf, wobei GaN-Schichten 3 als Sperrschichten, InGaN-Schichten 4 als Quantentopfschichten abwechselnd platziert sind und eine GaN-Schicht 5 (die erste Abdeckschicht) auf dem Substrat als Sperrschicht platziert ist. Eine Mg-dotierte AlGaN-Schicht 6 (die zweite Abdeckschicht) und eine p-GaN-Schicht 7 sind der Reihe nach platziert. Eine n-Elektrode 9 ist auf der n-GaN-Schicht 1 platziert, eine p-Elektrode 8 ist auf der p-GaN-Schicht 7 platziert und bei Anlegen einer Spannung hierbei in Durchlassrichtung erfolgt die Strominjektion in die Multiquantentopfschicht, wodurch die Lichtemission derselben erfolgen kann.
Beispiele für ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters umfassen Molekularstrahlepitaxie (im folgenden als MBE abgekürzt), metallorganische Dampfphasenepitaxie (im folgenden als MOVPE abgekürzt), Hybriddampfphasenepitaxie (im folgenden als HVPE abgekürzt) und dgl. Von diesen Verfahren ist MOVPE wichtig, da es das gleichförmige Züchten eines Halbleiters in einem breitflächigen Bereich ermöglicht.
Bei dem MOVPE-Verfahren sind Ausgangsmaterialien die folgenden:
Beispiele für Ausgangsmaterialien der Gruppe III umfassen Trialkylgallium der Formel R₁R₂R₃Ga (R₁, R₂ und R₃ stehen für Niederalkylgruppen), wie Trimethylgallium [(CH₃)₃Ga, im folgenden als TMG abgekürzt], Triethylgallium [(C₂H₅)₃Ga, als TEG abgekürzt] und dgl.; Trialkylaluminium der Formel R₁R₂R₃Al (R₁, R₂ und R3 stehen für Niederalkylgruppen), wie Trimethylaluminium [(CH₃)₃Al, im folgenden als TMA abgekürzt], Triethylaluminium [(C₂H₅)₃Al, im folgenden als TEA abgekürzt], Triisobutylaluminium [(i-C₄H₉)₃Al] und dgl.; Trimethylaminalan [(CH₃)₃N:AlH₃]; Trialkylindium der Formel R₁R₂R₃In (R₁, R₂ und R₃ stehen für Niederalkylgruppen), wie Trimethylindium [(CH₃)₃In, im folgenden als TMI abgekürzt], Triethylindium [(C₂H₅)₃In] und dgl.; eine Verbindung, wobei 1 bis 3 Alkylgruppen in Trialkylindium durch Halogenatome ersetzt sind, wie Diethylindiumchlorid [(C₂H₅)₂InCl] und dgl.; ein Indiumhalogenid der Formel InX (X steht für ein Halogenatom), wie Indiumchlorid [InCl]. Diese können unabhängig voneinander oder im Gemisch verwendet werden.
Beispiele für Ausgangsmaterialien der Gruppe V umfassen Ammoniak, Hydrazin, Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhydrazin, 1,2-Dimethylhydrazin, tert-Butylamin, Ethylendiamin und dgl. Diese können unabhängig voneinander oder im Gemisch verwendet werden. Von diesen sind Ammoniak und Hydrazin bevorzugt. Der Grund hierfür liegt darin, dass sie in deren Molekülstruktur keinen Kohlenstoff enthalten, einen Halbleiter nicht mit Kohlenstoff kontaminieren.
Beispiele für Substrate, auf denen der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter gezüchtet wird, umfassen Saphir; ZnO; Me tallboride, wie ZrB₂; SiC, GaN, AlN. Diese können einzeln oder in einer Kombination derselben verwendet werden.
Die Schicht des p-Typs in dem Verbindungshalbleiter wird durch Dotieren eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters der folgenden Formel: In_gGa_hAl_iN (worin g+h+i=1, 0≤-g≤1, 0≤h≤1, 0≤i<1) mit einem p-Dotierungsmittel erhalten. Als p-Dotierungsmittel wird ein Metall, wie Mg, Zn und Ca, verwendet. Das p-Dotierungsmittel wird vorzugsweise in Form eines organischen Metalls zugeführt.
Beispielsweise kann der Gruppe-III-V-Halbleiter der Formel p-In_jGa_kN (worin j+k=1, 0<j≤1 und 0≤k<1), der In in der Schicht des p-Typs enthält, bei relativ niedriger Temperatur, beispielsweise 650 bis 950 °C, gezüchtet werden und ohne weiteres einen Thermoabbau der Quantentopfstruktur verhindern.
Nach dem Züchten der Schicht des p-Typs und vor oder nach der Bildung einer Elektrode kann ein Glühen zum Zwecke der Verringerung des Kontaktwiderstands mit der Elektrode durchgeführt werden. Die Glühatmosphäre kann ein Inertgas sein. Alternativ kann sie im wesentlichen ein Wasserstoff enthaltendes Gas oder ein Wasserstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas sein. Die Glühtemperatur beträgt üblicherweise 200 bis 1000 °C und vorzugsweise 400 bis 800 °C.
Zwischen der Quantentopfschicht und der Schicht des p-Typs kann mindestens eine Schicht der Formel In_lGa_mAl_nN (worin 1+m+n=1, 0≤1≤1, 0≤m≤1, 0≤n≤1) als Abdeckschicht gezüchtet werden. Wenn die Schicht AlN aufweist, kann die Wärmebeständigkeit der Schicht verbessert sein und eine Phasentrennung der lichtemittierenden Schicht verhindert werden. Die Abdeckschicht kann mit einem p-Dotierungsmittel, wie Mg, Zn und Ca, und/oder einem n-Dotierungsmittel, wie Si, O, S und Se, dotiert sein.
Bei dem MOVPE-Verfahren zur Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters der vorliegenden Erfindung wird ein Reaktor mit einer herkömmlichen Struktur verwendet. Beispiele hierfür umfassen einen Reaktor, bei dem ein Ausgangsmaterialgas dem Substrat von der oberen Seite desselben oder einer Seite desselben zugeführt werden kann. In dem Reaktor ist das Substrat nahezu mit der Epitaxial-Oberfläche nach oben, als Alternative mit der Epitaxial-Oberfläche nach unten platziert. Für den Fall, dass das Substrat mit der Epitaxial-Oberfläche nach unten platziert ist, kann ein Ausgangsmaterial von einer unteren Seite des Substrats oder einer Seite desselben zugeführt werden. Der Winkel des Substrats in den Reaktoren ist nicht zwangsläufig exakt horizontal, er kann fast oder vollständig vertikal sein. Er kann für einen Reaktor verwendet werden, in dem die Anordnungen des Substrats und die Gaszufuhr in den Reaktor verwendet werden und in dem eine Mehrzahl von Substraten gleichzeitig gezüchtet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, die nicht als Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollten, detaillierter beschrieben.
Beispiel 1
Eine Tieftemperaturwachstum-GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm wurde auf einem c-Ebene-Saphirsubstrat bei 490 °C ausgehend von TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialien und mit Wasserstoff als Trägergas gezüchtet. Die Zufuhr von TMG wurde gestoppt und die Temperatur wurde auf 1090 °C erhöht. Eine n-GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 3 μm wurde ausgehend von TMG, Ammoniak und Silan als Ausgangsmaterialien und mit Wasserstoff als Trägergas gezüchtet. Die Zufuhr von Silan wurde gestoppt und eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,3 μm wurde gezüchtet. Die Zufuhr von TMG wurde gestoppt und die Temperatur wurde auf 720 °C gesenkt, eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm und eine InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm wurden wiederholt 5-mal ausgehend von TEG, TMI und Ammoniak als Ausgangsmaterialien und mit Stickstoff als Trägergas gezüchtet. Die detaillierte Zucht wurde wie im folgenden durchgeführt: Nach dem Züchten einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm ausgehend von Ammoniak und TEG wurde die Zufuhr von TEG gestoppt und eine Unterbrechung des Wachstums während 3 min unter Zufuhr von Ammoniak und dem Trägergas durchgeführt. Eine InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm wurde unter Zufuhr von TMI und TEG gezüchtet. Die Zufuhr von TMI und TEG wurde gestoppt und eine Unterbrechung des Wachstums erfolgte während 15 min unter Zufuhr von Ammoniak und dem Trägergas.
Nach 5-maligem Wiederholen des Züchtens einer GaN-Schicht, einer Unterbrechung des Wachstums der GaN-Schicht, des Züchtens einer InGaN-Schicht und einer Unterbrechung des Wachstums der InGaN-Schicht wurde dann eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 18 nm unter Zufuhr von TEG und Ammoniak gezüchtet. Nach dem Züchten der undotierten GaN-Schicht wurde die Temperatur auf 800 °C erhöht. Eine AlGaN-Schicht mit einer Dicke von 25 nm wurde unter Zufuhr von TMA, TEG und Ammoniak sowie Bisethylcyclopentadienylmagnesium als Dotierungsmittel des p-Typs gezüchtet. Nach dem Züchten der AlGaN-Schicht wurde die Zufuhr von TMA, TEG und Bisethylcyclopentadienylmagnesium gestoppt und die Temperatur auf 1050 °C erhöht. p-GaN mit einer Dicke von 200 nm wurde unter Zufuhr von TMG, Ammoniak und Bisethylcyclopentadienylmagnesium als Dotierungsmittel des p-Typs gezüchtet. Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter wurde durch Herausnehmen des Substrats aus dem Reaktor und Glühen bei 800 °C während 48 s in einem Ammoniak und Sauerstoff enthaltenden Stickstoffgasstrom erhalten.
Eine Satellitenreflexion der Multiquantentopfstruktur wurde durch Röntgenbeugung ermittelt. Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur betrug 1,96 %. Dieses Ergebnis zeigt einen durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer aktiven Schicht von InGaN von 11,76 % an.
Eine aus NiAu bestehende p-Elektrode und eine aus Al bestehende n-Elektrode wurden auf den Verbindungshalbleitern gebildet, wobei eine LED erhalten wurde. Bei Anlegen eines Stroms von 20 mA an die LED in Durchlassrichtung zeigte diese ein klares blaues Licht. Die Helligkeit betrug 1795 mcd und die Wellenlänge des emittierten Lichts betrug 470,8 nm. Entsprechend der Wellenlänge des emittierten Lichts wurde der Molenbruch von InN in der aktiven Schicht von InGaN mit 29,8 % berechnet.
Beispiel 2
Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Unterbrechung des Wachstums nach dem Züchten der InGaN-Schicht einer Dicke von 3 nm von 15 min auf 20 min geändert wurde.
Eine Satellitenreflexion der Multiquantentopfstruktur wurde durch Röntgenbeugung ermittelt. Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur betrug 1,915 %. Dieses Ergebnis zeigt einen durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer aktiven Schicht von InGaN von 11,49 % an.
Eine aus NiAu bestehende p-Elektrode und eine aus Al bestehende n-Elektrode wurden auf den Verbindungshalbleitern gebildet, wobei eine LED erhalten wurde. Bei Anlegen eines Stroms von 20 mA an die LED in Durchlassrichtung zeigte diese ein klares blaues Licht. Die Helligkeit betrug 1175 mcd und die Wellenlänge des emittierten Lichts betrug 476 nm. Entsprechend der Wellenlänge des emittierten Lichts wurde der Molenbruch von InN in der aktiven Schicht von InGaN als 31,1 % berechnet.
Beispiel 3
Eine Tieftemperaturwachstum-GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm, eine n-GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 3 μm und eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,3 μm wurden gemäß Beispiel 1 gezüchtet. Nach dem Stoppen der Zufuhr von TMG wurde die Temperatur auf 770 °C gesenkt. Eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm und eine InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm wurden bei 720 °C ausgehend von TEG, TMI und Ammoniak als Ausgangsmaterialien und mit Stickstoff als Trägergas gezüchtet. Die detaillierte Zucht wurde wie im folgenden durchgeführt: Nach dem Züchten einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm ausgehend von Ammoniak und TEG wurde die Zufuhr von TEG gestoppt und eine Unterbrechung des Wachstums während 3 min unter Zufuhr von Ammoniak und dem Trägergas durchgeführt. Eine InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm wurde unter Zufuhr von TMI und TEG gezüchtet. Die Zufuhr von TMI und TEG wurde gestoppt und eine Unterbrechung des Wachstums wurde während 15 min unter Zufuhr von Ammoniak und dem Trägergas durchgeführt. Dann wurde die Zufuhr von TMI und TEG gestoppt und eine Unterbrechung des Wachstums während 15 min unter Zufuhr von Ammoniak und dem Trägergas durchgeführt. Während der Unterbrechung des Wachstums wurde die Temperatur auf 770 °C er höht und eine GaN-Schicht erneut gezüchtet.
Nach 5-maliger Wiederholung des Züchtens einer GaN-Schicht, einer Unterbrechung des Wachstums der GaN-Schicht, des Züchtens einer InGaN-Schicht und einer Unterbrechung des Wachstums der InGaN-Schicht wurden dann eine undotierte GaN-Schicht, AlGaN-Schicht und p-GaN-Schicht gezüchtet, wobei ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter gemäß Beispiel 1 erhalten.
Eine Satellitenreflexion der Multiquantentopfstruktur wurde durch Röntgenbeugung ermittelt. Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur betrug 1,53 %. Dieses Ergebnis zeigt einen durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer aktiven Schicht von InGaN von 9,18 % an.
Eine aus NiAu bestehende p-Elektrode und eine aus Al bestehende n-Elektrode wurden auf den Verbindungshalbleitern gebildet, wobei eine LED erhalten wurde. Bei Anlegen eines Stroms von 20 mA an die LED in Durchlassrichtung zeigte diese ein klares blaues Licht. Die Helligkeit betrug 3548 mcd und die Wellenlänge des emittierten Lichts betrug 482,9 nm. Entsprechend der Wellenlänge des emittierten Lichts wurde der Molenbruch von InN in der aktiven Schicht von InGaN mit 32,5 % berechnet.
Vergleichseispiel 1
Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Dauer der Unterbrechung des Wachstums nach dem Züchten einer InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm von 15 min auf 5 min geändert wurde.
Eine Satellitenreflexion der Multiquantentopfstruktur wurde durch Röntgenbeugung ermittelt. Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur betrug 3,29 %. Dieses Ergebnis zeigt einen durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer aktiven Schicht von InGaN von 19,74 % an.
Eine aus NiAu bestehende p-Elektrode und eine aus Al bestehende n-Elektrode wurden auf den Verbindungshalbleitern gebildet, wobei eine LED erhalten wurde. Bei Anlegen eines Stroms von 20 mA an die LED in Durchlassrichtung zeigte diese ein klares blaues Licht. Die Helligkeit betrug 46 mcd und die Wellenlänge des emittierten Lichts betrug 480 nm. Entsprechend der Wellenlänge des emittierten Lichts wurde der Molenbruch von InN in der aktiven Schicht von InGaN mit 31,9 % berechnet.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Dauer der Unterbrechung des Wachstums nach dem Züchten einer InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm von 15 min auf 10 min geändert wurde.
Eine Satellitenreflexion der Multiquantentopfstruktur wurde durch Röntgenbeugung ermittelt. Der durchschnittliche Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur betrug 2,26 %. Dieses Ergebnis zeigt einen durchschnittlichen Molenbruch von InN in einer aktiven Schicht von InGaN von 13,56 % an.
Eine aus NiAu bestehende p-Elektrode und eine aus Al bestehende n-Elektrode wurden auf den Verbindungshalbleitern gebildet, wobei eine LED erhalten wurde. Bei Anlegen eines Stroms von 20 mA an die LED in Durchlassrichtung zeigte diese ein klares blaues Licht. Die Helligkeit betrug 163 mcd und die Wellenlänge des emittierten Lichts betrug 464 nm. Entsprechend der Wellenlänge des emittierten Lichts wurde der Molenbruch von InN in der aktiven Schicht von InGaN als 28,5 % berechnet.
In 2 sind die Ergebnisse in den Beispielen 1 bis 3 sowie Vergleichsbeispielen 1 und 2 mit dem Molenbruch von InN (in Prozent), der aus der Wellenlänge des emittierten Lichts berechnet wurde, als Ordinate und dem Molenbruch (in Prozent) von InN in der Multiquantentopfstruktur, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, als Abszisse aufgetragen. Die Auftragungen für Beispiele und Vergleichsbeispiele zeigen, dass eine Linie, auf der das Verhältnis des Molenbruchs von InN, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge von aufgrund von Strominjektion emittiertem Licht berechnet wurde, 42,5 % beträgt, klar Beispiele und Vergleichsbeispiele trennt.
In 3 sind die Ergebnisse in den Beispielen 1 und 2 sowie Vergleichsbeispielen 1 und 2 mit der Dauer der Unterbrechung des Wachstums zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht als der Abszisse und dem Molenbruch von InN in der Multiquantentopfstruktur, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, und der Wellenlänge von aufgrund von Strominjektion emittiertem Licht als Ordinate aufgetragen. Überraschenderweise zeigt sie, dass fast keine Änderung im Hinblick auf die Wellenlänge von durch Strominjektion emittiertem Licht trotz einer Abnahme des Molenbruchs von InN, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, beobachtet wurde. Diese Tatsache zeigt, dass ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter mit einer hohen Helligkeit durch Steuerung des Molenbruchs von InN in einer aktiven Schicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, ohne Änderung der Wellen länge von emittiertem Licht erhalten wird.
Großtechnische Verwendbarkeit
Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Quantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, auf, das nicht mehr als 42,5 % beträgt, und er wird daher als Leuchtvorrichtung mit hoher Helligkeit verwendet.
Unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das eine Stufe der Unterbrechung des Wachstums der Quantentopfschicht zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht bei einer Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht während 10 min oder bei einer Temperatur, die höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht ist, umfasst, wird der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der als Leuchtvorrichtung mit hoher Helligkeit verwendet wird, erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Einquantentopfstruktur umfasst, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten aufweist, wobei eine Multiquantentopfstruktur, die wiederholt die Sperrschichten und die Quantentopfschicht aufweist, gebildet wird, das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Multiquantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.

Claims

Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Multiquantentopfstruktur (multiple quantum well structure, MQWS) umfasst, die mindestens zwei Quantentopfstrukturen aufweist, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten umfassen, wobei das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Quantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.
Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine Einquantentopfstruktur umfasst, die zwei Sperrschichten und eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten aufweist, wobei eine Multiquantentopfstruktur, die wiederholt die Sperrschichten und die Quantentopfschicht aufweist, gebildet wird, das Verhältnis des durchschnittlichen Molenbruchs von InN in der Multiquantentopfschicht, der durch Röntgenbeugung ermittelt wurde, zum Molenbruch von InN, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wurde, nicht mehr als 42,5 % beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbin dungshalbleiters mit zwei Sperrschichten und einer Quantentopfstruktur, die eine Quantentopfschicht der Formel In_xGa_yAl_zN (worin x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1 und 0≤z<1) zwischen den Sperrschichten umfasst, wobei das Verfahren die Stufe einer Unterbrechung des Wachstums zwischen der Beendigung des Wachstums der Quantentopfschicht und dem Beginn des Wachstums der Sperrschicht bei einer Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht während 10 min oder mehr oder bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters nach Anspruch 4, wobei die Unterbrechung des Wachstums ohne Zuführen eines Ausgangsmaterials der Gruppe III erfolgt.
Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter-Leuchtvorrichtung, die den Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter nach Anspruch 1 oder 2 oder den durch das Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 erhaltenen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter umfasst.