DE112006001766T5

DE112006001766T5 - Substrat und Halbleiter-Lichtemittirende-Vorrichtung

Info

Publication number: DE112006001766T5
Application number: DE112006001766T
Authority: DE
Inventors: Naohiro Tsukuba Nishikawa; Kazumasa Tsuchiura Ueda; Kenji Tsukuba Kasahara; Yoshihiko Tsukuba Tsuchida
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20090236629A1; GB2441705A; KR20080031292A; CN101218688A; WO2007007774A1; JP2007019318A; CN101218688B; GB0724781D0

Abstract

Substrat, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Substrat und eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5, die hohe Leuchtstärke aufweist, sowie ein Substrat, das zur Herstellung der Vorrichtung geeignet ist.
Eine lichtemittierende Vorrichtung eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 wird als Lichtquelle für Flüssigkristallanzeigen, Lichtquelle für große Bildschirme, Lichtquelle für Tageslichtbeleuchtungskörper, Lichtquelle für Schreib/Lesesignale auf DVDs und dgl. verwendet. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung umfasst beispielsweise ein Substrat, eine Halbleiterschicht des n-Typs, eine lichtemittierende Schicht und eine Halbleiterschicht des p-Typs in dieser Reihenfolge; die lichtemittierende Schicht besteht aus einer Verbindung der Formel In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1), eine n-Elektrode ist auf der Halbleiterschicht des n-Typs ausgebildet und eine p-Elektrode ist auf der Halbleiterschicht des p-Typs ausgebildet. Es wird vorgeschlagen, dass die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung für eine Lichtquelle wie eine ultraviolette, blaue oder grüne Leuchtdiode und eine Laserdiode für ultraviolettes, blaues oder grünes Licht verwendet wird.
In den letzten Jahren wird eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung hoher Leuchtstärke im Hinblick auf eine Verbesserung der Leistung von Anzeigevorrichtungen und Beleuchtungskörpern gefordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Substrats, das zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung hoher Leuchtstärke geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten intensive Untersuchungen zur Lösung des oben beschriebenen Problems durch und sie gelangten infolgedessen zur vorliegenden Erfindung.
Durch die vorliegende Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Substrats, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind.
Durch die vorliegende Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Substrats, das die folgenden Stufen (1) und (2) umfasst:

(1) Platzieren von anorganischen Teilchen auf einem Substrat und
(2) Trockenätzen des Substrats und der anorganischen Teilchen unter Ausbildung konvexer Gebilde.

Durch die vorliegende Erfindung erfolgt die Bereitstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung, die ein Substrat, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind, und eine Halbleiterschicht auf dem Substrat umfasst.
Ferner erfolgt durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung, das die folgenden Stufen (1) bis (3) umfasst:

(1) Platzieren von anorganischen Teilchen auf einem Substrat,
(2) Trockenätzen des Substrats und der anorganischen Teilchen unter Ausbildung konvexer Gebilde und
(3) Züchten von Halbleiterschichten auf dem Substrat.

1 zeigt die Stufen (a) bis (c) zur Herstellung eines Substrats.
2 zeigt eine Ausführungsform von konvexen Gebilden auf dem Substrat.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform von konvexen Gebilden auf dem Substrat.
4 zeigt die Schichtstruktur einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung.
5 zeigt ein Elektronenmikroskopbild des in Beispiel 3 erhaltenen Substrats.
6 zeigt ein Elektronenmikroskopbild des in Beispiel 4 erhaltenen Substrats.
Das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung weist konvexe Gebilde auf.
Das Substrat besteht beispielsweise aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂.
Die konvexen Gebilde weisen mindestens eine gekrümmte Oberfläche auf und sie sind üblicherweise in Inselform auf dem Substrat ausgebildet und bestehen aus dem gleichen Material wie das Substrat. Die konvexen Gebilde liegen beispielsweise in der Form eines Kegels oder gestutzten Kegels mit einer gekrümmten Oberfläche oder in der Form einer Pyramide oder gestutzten Pyramide oder in der Form einer Halbkugel vor.
Ferner weisen die konvexen Gebilde eine Höhe von üblicherweise nicht weniger als etwa 10 nm, vorzugsweise nicht weniger als 30 nm und üblicherweise nicht mehr als 5 μm, vorzugsweise nicht mehr als 3 μm auf. Ein Substrat mit den die oben genannte Höhe aufweisenden konvexen Gebilden kann ein problemloses Aufwachsen von Schichten eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 ermöglichen und es wird eine lichtemittierende Vorrichtung eines Verbindungshalbleiters von hoher Leuchtstärke erhalten.
Darüber hinaus weisen die konvexen Gebilde einen Verjüngungswinkel von üblicherweise nicht weniger als 5°, vorzugsweise nicht weniger als 10° und üblicherweise nicht mehr als 90°, vorzugsweise nicht mehr als 80° auf.
Das Verfahren zur Herstellung eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die obige Stufe (1).
Das in der Stufe (1) verwendete Substrat besteht beispiels weise aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂.
Die anorganischen Teilchen bestehen beispielsweise aus einem Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid, Selenid oder Metall. Beispiele für das Oxid umfassen Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Ceroxid, Zinkoxid, Zinnoxid und Yttriumaluminiumgranat (YAG). Beispiele für das Nitrid umfassen Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid. Beispiele für das Carbid umfassen Siliciumcarbid (SiC), Borcarbid (BC), Diamant, Graphit und Fullerene. Beispiele für das Borid umfassen Zirconiumborid (ZrB₂) und Chromborid (CrB₂). Beispiele für das Sulfid umfassen Zinksulfid, Calciumsulfid, Cadmiumsulfid und Strontiumsulfid. Beispiele für das Selenid umfassen Zinkselenid und Cadmiumselenid. In dem Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid und Selenid kann ein darin enthaltenes Element partiell durch ein anderes Element ersetzt sein und Beispiele hierfür umfassen einen Silicatleuchtstoff und einen Aluminatleuchtstoff, die Cer oder Europium als Aktivator enthalten. Beispiele für das Metall umfassen Silicium (Si), Nickel (Ni), Wolfram (W), Tantal (Ta), Chrom (Cr), Titan (Ti), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Aluminium (Al), Gold (Au), Silber (Ag) und Zink (Zn). Ferner können die anorganischen Teilchen aus einem Gemisch oder Verbundstoff bestehen, das bzw. der aus mindestens zwei Komponenten von einem Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid, Selenid und Metall besteht. Die anorganischen Teilchen können auch aus beispielsweise SIALON, das Silicium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff enthält, bestehen. Die anorganischen Teilchen bestehen vorzugsweise aus einem Oxid, noch besser aus Siliciumdioxid.
Die anorganischen Teilchen können in der Form einer Kugel, einer mehrseitigen Pyramide, eines orthogonalen Parallelepipeds oder einer Nadel vorliegen oder eine nichtspezifizierte Form (amorph) aufweisen. Von diesen Formen sind keine Ausrichtung aufweisende Formen bevorzugt; beispielsweise ist die Form einer Kugel bevorzugt.
Wenn die anorganischen Teilchen in der Form einer Kugel vorliegen, weisen die anorganischen Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser von üblicherweise nicht weniger als 5 nm, vorzugsweise nicht weniger als 10 nm und üblicherweise nicht mehr als 50 μm, vorzugsweise nicht mehr als 10 μm auf. Der mittlere Teilchendurchmesser ist das Volumenmittel des Teilchendurchmessers und er wird unter Verwendung von Zentrifugensedimentation ermittelt.
Die anorganischen Teilchen weisen vorzugsweise eine gleichförmige Form (einen gleichförmigen Teilchendurchmesser im Falle der Form einer Kugel) auf.
Die Platzierung der anorganischen Teilchen kann unter Verwendung eines Verfahrens, wobei anorganische Teilchen in einem Lösemittel (beispielsweise Wasser, Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-Butanol, Ethylenglykol, Dimethylacetamid, Methylethylketon oder Methylisobutylketon) unter Bildung einer Aufschlämmung dispergiert werden und ein Substrat in die Aufschlämmung getaucht und dann getrocknet wird, oder eines Verfahrens, wobei die Aufschlämmung auf das Substrat appliziert oder gesprüht wird und das Substrat getrocknet wird, durchgeführt werden. Das Trocknen kann mit einem Spinner durchgeführt werden.
Der deckende Belag der auf dem Substrat platzierten anorganischen Teilchen macht üblicherweise nicht weniger als 0,1 %, vorzugsweise nicht weniger als 5 % und üblicherweise nicht mehr als 90 %, vorzugsweise nicht mehr als 80 % aus. Wenn der deckende Belag innerhalb des obigen Bereichs liegt, ist es möglich, ein Substrat herzustellen, das zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrich tung, die höhere Leuchtstärke aufweist, geeignet ist. Der deckende Belag kann durch Betrachten der Oberfläche eines Substrats, auf dem anorganische Teilchen platziert sind, unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) und durch Berechnen der im folgenden angegebenen Gleichung unter Verwendung der Zahl P der anorganischen Teilchen und eines mittleren Teilchendurchmessers d in dem vermessenen Sichtfeld (Fläche S) ermittelt werden. Deckender Belag (%) = [(d/2)2 × π × P × 100]/S
Das Verfahren zur Herstellung eines Substrats umfasst ferner die obige Stufe (2).
Trockenätzen kann unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung, beispielsweise einer ICP-Trockenätzvorrichtung oder einer ECR-Trockenätzvorrichtung, durchgeführt werden. Trockenätzen kann unter derartigen Bedingungen, dass konvexe Gebilde mit einer gegebenen Form und Höhe ausgebildet werden, durchgeführt werden. Beispielsweise kann Trockenätzen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt werden:

Substrat-Bias-Leistung: 200 bis 400 W
ICP-Leistung: 100 bis 300 W
Druck: 1,5 bis 2,5 Pa
Chlorgas: 20 bis 40 sccm
Bortrichloridgas: 40 bis 60 sccm
Argongas: 150 bis 250 sccm
Ätzdauer: 1 bis 60 min

Die Ätztiefe ist üblicherweise gleich der mittleren Höhe der auf dem Substrat ausgebildeten konvexen Gebilde, sie beträgt üblicherweise nicht weniger als etwa 10 nm, vorzugsweise nicht weniger als etwa 30 nm und üblicherweise nicht mehr als etwa 5 μm, vorzugsweise nicht mehr als etwa 3 μm.
Die Form und Größe der durch Trockenätzen ausgebildeten konvexen Gebilde hängen von dem Material, der Form und Größe der anorganischen Teilchen ab. Für den Fall, dass die anorganischen Teilchen auf dem Substrat platziert sind und das Substrat einem Trockenätzen unterzogen wird, fungieren die anorganischen Teilchen als Ätzmaske. Der Oberflächenbereich des Substrats, der außerhalb der Schatten der anorganischen Teilchen liegt, wird vorzugsweise geätzt. Die anorganischen Teilchen werden ebenfalls gleichzeitig geätzt und die Form und Größe der anorganischen Teilchen ändern sich, wenn das Ätzen fortschreitet, wodurch das Material, die Form und Größe der anorganischen Teilchen Wirkungen auf das Ätzen des Substrats zeigen.
Beispielsweise werden, wenn ein Trockenätzen unter den Bedingungen durchgeführt wird, dass die anorganischen Teilchen in der Form einer Kugel sind, dass die Größe (der Durchmesser) der anorganischen Teilchen stufenweise abnimmt und dass die anorganischen Teilchen am Ende verschwinden, konvexe Gebilde, die eine nahezu Halbkugelform oder nahezu Kegelform aufweisen, ausgebildet. Wenn ein Trockenätzen nach dem Platzieren anorganischer Teilchen 2 auf der Oberfläche 1A eines Substrats 1, wie in 1(a) gezeigt ist, durchgeführt wird, wird der Oberflächenbereich des Substrats 1, der außerhalb der Schatten der anorganischen Teilchen 2 liegt, nicht geätzt, sondern der andere Bereich geätzt, und es werden konvexe Gebilde ausgebildet und die anorganischen Teilchen 2 werden ebenfalls gleichzeitig trockengeätzt; infolgedessen werden konvexe Gebilde 1B wie in 1(b) gezeigt ausgebildet. Wenn ein Trockenätzen weiter kontinuierlich durchgeführt wird, verschwinden die anorganischen Teilchen 2 und die konvexen Gebilde 1B verbleiben, wie in 1(c) gezeigt ist. Die erhaltenen konvexen Gebilde weisen üblicherweise einen vorgegebenen Verjüngungswinkel, der in 2(a) gezeigt ist, auf.
Wenn ein Trockenätzen unter den Bedingungen durchgeführt wird, dass die anorganischen Teilchen in der Form einer quadratischen Pyramide vorliegen, dass die Größe der anorganischen Teilchen stufenweise abnimmt und dass die anorganischen Teilchen am Ende verschwinden, werden konvexe Gebilde, die nahezu die Form einer quadratischen Pyramide aufweisen, wie in 2(b) gezeigt, gebildet. Die erhaltenen konvexen Gebilde weisen üblicherweise einen vorgegebenen Verjüngungswinkel auf.
Wenn ein Trockenätzen unter den Bedingungen durchgeführt wird, dass die anorganischen Teilchen in der Form einer Kugel vorliegen, dass die Größe (der Durchmesser) der anorganischen Teilchen stufenweise abnimmt, dass jedoch die anorganischen Teilchen verbleiben, werden konvexe Gebilde, die die Form eines nahezu gestutzten Kegels aufweisen, wie in 3(a) gezeigt, ausgebildet. Die erhaltenen konvexen Gebilde weisen üblicherweise einen vorgegebenen Verjüngungswinkel auf.
Wenn ein Trockenätzen unter den Bedingungen durchgeführt wird, dass die anorganischen Teilchen in der Form einer quadratischen Pyramide vorliegen, dass die Größe der anorganischen Teilchen stufenweise abnimmt, dass jedoch die anorganischen Teilchen verbleiben, werden konvexe Gebilde, die die Form einer nahezu gestutzten quadratischen Pyramide aufweisen, wie in 3(b) gezeigt, ausgebildet. Die erhaltenen konvexen Gebilde weisen üblicherweise einen vorgegebenen Verjüngungswinkel auf.
Ferner werden, wenn ein Trockenätzen durchgeführt wird, nachdem anorganische Teilchen, die in der Form eines ortho gonalen Parallelepipeds vorliegen, platziert wurden, konvexe Gebilde, die die Form eines orthogonalen Parallelepipeds aufweisen, wie in 2(c) gezeigt, ausgebildet.
Die Einstellung des Verjüngungswinkels der konvexen Gebilde kann beispielsweise durch Ändern des Verhältnisses (im folgenden als selektives Verhältnis bezeichnet) der Substrattrockenätzrate zur Trockenätzrate der anorganischen Teilchen durchgeführt werden. Beispielsweise nimmt, wenn ein Trockenätzen mit einem hohen selektiven Verhältnis durchgeführt wird, der maximale Durchmesser (im folgenden als Teilchengröße L bezeichnet) der anorganischen Teilchen in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen Richtung stufenweise ab; infolgedessen nimmt der Verjüngungswinkel der konvexen Gebilde zu. Andererseits nimmt, wenn ein Trockenätzen mit einem niedrigen selektiven Verhältnis durchgeführt wird, die Teilchengröße L der anorganischen Teilchen schnell ab; infolgedessen nimmt der Verjüngungswinkel der konvexen Gebilde ab.
Das selektive Verhältnis hängt üblicherweise vom Material des Substrats, von den Trockenätzbedingungen und vom Material der anorganischen Teilchen ab. Das selektive Verhältnis kann durch Änderung der Bedingungen und dgl. eingestellt werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner die Stufe (4) umfassen:

(4) Entfernen der anorganischen Teilchen von dem Substrat.

Die Stufe (4) ist eine Stufe des Entfernens der anorganischen Teilchen, die nach dem Trockenätzen in der Stufe (3) auf dem Substrat verbleiben. Das Entfernen kann beispielsweise durch ein chemisches Verfahren, wobei ein Ätzmittel, das zum Ätzen der anorganischen Teilchen fähig ist und zum Ätzen des Substrats nicht fähig ist, verwendet wird, oder durch ein physikalisches Verfahren, wobei eine Bürstenrollreinigungsvorrichtung verwendet wird, durchgeführt werden.
Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das obige Substrat und eine Halbleiterschicht auf dem Substrat.
Die Halbleiterschicht ist eine Schicht zur Bereitstellung der Funktion einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung. Beispiele hierfür umfassen eine Halbleiterfunktionsschicht, Elektronentransportschicht, Löchertransportschicht. Die Halbleiterfunktionsschicht besteht üblicherweise aus einem Nitrid der Gruppe 3-5 der Formel In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1). Vorzugsweise weist mindestens eine der Halbleiterfunktionsschichten einen von dem Substrat verschiedenen Brechungsindex auf und noch günstiger weist die mit dem Substrat in Kontakt stehende Halbleiterfunktionsschicht einen von dem Substrat verschiedenen Brechungsindex auf. Beispielsweise kann die Halbleiterfunktionsschicht eine Pufferschicht (beispielsweise GaN, AlN), eine Kaschierungsschicht mit n-Leitfähigkeit (beispielsweise n-GaN, n-AlGaN), eine lichtemittierende Schicht (beispielsweise InGaN, GaN), eine Kaschierungsschicht mit p-Leitfähigkeit (beispielsweise undotiertes GaN, p-AlGaN) und eine Abschlussschicht (beispielsweise Mg-dotiertes AlGaN, Mg-dotiertes GaN) in dieser Reihenfolge gemäß der Beschreibung in JP-A-6-260682 , JP-A-7-15041 , JP-A-9-64419 und JP-A-9-36430 umfassen.
Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung umfasst ferner üblicherweise eine n-Elektrode und eine p-Elektrode. Diese Elektroden versorgen die lichtemittierende Schicht mit elektrischem Strom und sie bestehen aus einem Metall, wie Ni, Au, Pt, Pd, Rh, Ti oder Al.
Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die obigen Stufen (1) bis (3). Die Stufen (1) und (2) sind die gleichen wie die Stufen des Verfahrens zur Herstellung eines Substrats.
Das Aufwachsen der Halbleiterschicht in Stufe (3) kann durch Epitaxie, beispielsweise MOVPE, MBE oder HVPE, durchgeführt werden. Beim Aufwachsen der Halbleiterschicht (beispielsweise der Funktionsschicht eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5) durch MOVPE können das im folgenden angegebene Material, Trägergas und optional ein Dotierungsmaterial verwendet werden. Beispiele für das Material der Gruppe 3 umfassen ein Trialkylgallium der Formel R₁R₂R₃Ga (R₁, R₂ und R₃ sind Niederalkylgruppen), wie Trimethylgallium [(CH₃)₃Ga, im folgenden als TMG bezeichnet] oder Triethylgallium [(C₂H₅)₃Ga, im folgenden als TEG bezeichnet]; Trialkylaluminium der Formel R₁R₂R₃Al (R₁, R₂ und R₃ sind Niederalkylgruppen), wie Trimethylaluminium [(CH₃)₃Al, im folgenden als TMA bezeichnet], Triethylaluminium [(C₂H₅)₃Al, im folgenden als TEA bezeichnet] oder Triisobutylaluminium [(i-C₄H₉)₃Al]; ein Trimethylaminalan [(CH₃)₃N:AlH₃]; Trialkylindium der Formel R₁R₂R₃In (R₁, R₂ und R₃ sind Niederalkylgruppen), wie Trimethylindium [(CH₃)₃In, im folgenden als TMI bezeichnet] oder Triethylindium [(C₂H₅)₃In]; ein Material, das durch Ersetzen von einer oder zwei Alkylgruppen von einem Trialkylindium durch ein Halogenatom erhalten wird, wie Diethylindiumchlorid [(C₂H₅)₂InCl]; und ein Indiumhalogenid der Formel InX₃ (X steht für ein Halogenatom), wie Indiumchlorid (InCl₃). Diese können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Beispiele für ein Material der Gruppe 5 umfassen Ammoniak, Hydrazin, Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhydrazin, 1,2-Di methylhydrazin, tert-Butylamin und Ethylendiamin. Diese sollten einzeln oder in Kombination verwendet werden. Von diesen Materialien sind Ammoniak und Hydrazin im Hinblick darauf, dass in dem Molekül kein Kohlenstoffatom enthalten ist und eine Kohlenstoffkontamination der gebildeten Halbleiterschicht verhindert wird, bevorzugt.
Beispiele für das n-Dotierungsmaterial umfassen Silan, Disilan, German und Tetramethylgermanium.
Beispiele für das p-Dotierungsmaterial umfassen Biscyclopentadienylmagnesium [(C₅H₅)₂Mg], Bismethylcyclopentadienylmagnesium [(C₅H₄CH₃)₂Mg] und Bisethylcyclopentadienylmagnesium [(C₅H₄C₂H₅)₂Mg].
Ferner umfassen Beispiele für das Umgebungsgas während des Aufwachsens und das Trägergas eines organometallischen Materials Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Helium, vorzugsweise Wasserstoff und Helium.
Diese können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Das Züchten der Halbleiterschicht kann unter herkömmlichen Bedingungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die lichtemittierende Schicht üblicherweise bei nicht weniger als 600 °C und nicht mehr als 800 °C gezüchtet werden, die Schicht mit p-Leitfähigkeit üblicherweise bei nicht weniger als 800 °C und nicht mehr als 1200 °C gezüchtet werden und die Schicht mit n-Leitfähigkeit üblicherweise bei nicht weniger als 800 °C und nicht mehr als 1200 °C gezüchtet werden.
Das Züchten einer Halbleiterschicht wird im folgenden in einem Beispiel angegeben.
Das Substrat 1, auf dem, wie in 1(c) gezeigt ist, die konvexen Gebilde 1B ausgebildet sind, wird auf einen Suszeptor in einem Reaktor gesetzt. Der Suszeptor weist üblicherweise eine Struktur mit einem Rotor zum Drehen des Substrats 1, um ein gleichförmiges Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf der Oberfläche 1C des Substrats 1 zu ermöglichen, auf. Der Suszeptor wird unter Verwendung einer Heizvorrichtung, beispielsweise einer Infrarotlampe, erhitzt. Ein Materialgas wird von einem Gasbehälter durch eine Zufuhrleitung dem Reaktor zugeführt. Das dem Reaktor zugeführte Materialgas wird auf der Oberfläche 1C des Substrats 1 thermisch zersetzt und auf der Oberfläche 1C des Substrats 1 wird eine Halbleiterschicht gezüchtet. Das nicht-umgesetzte Materialgas des dem Reaktor zugeführten Materialgases wird aus dem Reaktor nach außen durch eine Abgasleitung abgelassen und einer Abgasbehandlungseinrichtung zugeführt.
Eine Funktionsschicht eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 wird auf der Oberfläche 1C des Substrats 1 durch Fortsetzen des Vorgangs unter Änderung des Materialgases und der Heiztemperatur gezüchtet. Die Funktionsschicht eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 umfasst eine Schicht, die für die lichtemittierende Vorrichtung eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 notwendig ist, und sie umfasst üblicherweise eine Schicht mit n-Leitfähigkeit (Schicht 3 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des n-Typs in 4), eine Schicht mit p-Leitfähigkeit (Schicht 5 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des p-Typs in 4) und eine lichtemittierende Schicht zwischen diesen Schichten. Die lichtemittierende Schicht besteht vorzugsweise aus einem Nitridhalbleiter der Gruppe 3-5 der Formel In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1).
Das Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vor richtung umfasst üblicherweise die Stufe der Ausbildung von Elektroden. Ferner kann das Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung die Stufe der Ausbildung einer weiteren Schicht im Hinblick auf eine Verbesserung der Kristallinität der Schicht mit n-Leitfähigkeit, der lichtemittierenden Schicht oder der Schicht mit p-Leitfähigkeit umfassen. Beispiele für die weitere Schicht umfassen eine n-Kontaktschicht, n-Kaschierungsschicht, p-Kontaktschicht, p-Kaschierungsschicht, Abschlussschicht und Pufferschicht oder sie können eine Schicht eines dicken Films und eine Überstrukturdünnschicht umfassen.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung wird beispielsweise die in 4 gezeigte lichtemittierende Vorrichtung 10 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 erhalten. Die lichtemittierende Vorrichtung 10 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 umfasst das Substrat 1, die Schicht 3 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des n-Typs, die lichtemittierende Schicht 4 und die Schicht 5 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des p-Typs in dieser Reihenfolge. Ferner sind eine n-Elektrode 6 auf der Schicht 3 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des n-Typs ausgebildet und eine transparente p-Elektrode 7 und eine p-Elektrode 8 auf der Schicht 5 eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 des p-Typs ausgebildet.
In der Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung 10 werden, wenn ein Teil des Lichts von der lichtemittierenden Schicht 4 das Substrat 1 erreicht, die Brechung und Reflexion des Lichts gestört und die Totalreflexion unterdrückt, da die konvexen Gebilde mit gekrümmter Oberfläche auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Infolgedessen ist die Intensität des Lichts, das ausgehend von der transparenten p-Elektrode 7 der Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung 10 nach außen emittiert wird, erhöht.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele detaillierter beschrieben, wobei diese nicht als Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollen.
Beispiel 1
Herstellung eines Substrats mit konvexen Gebilden
Ein spiegelglanzpoliertes c-Fläche-Saphirsubstrat wurde auf einen Spinner geladen. Eine Aufschlämmung, die durch Dispergieren von 4 Gew.-% kugelförmigem Siliciumdioxid (HIPRESICA, hergestellt von UBE-NITTO KASEI CO., LTD., mittlerer Teilchendurchmesser: 5 μm) in Ethanol erhalten wurde, wurde auf das Substrat appliziert, während der Spinner angehalten war. Nachdem der Spinner 10 s mit 500 Umin^–1 und 40 s mit 2500 Umin^–1 rotiert worden war, war das Substrat getrocknet. Der deckende Belag des Siliciumdioxids auf dem Substrat betrug 69 %. Das Substrat wurde unter Verwendung einer ICP-Trockenätzvorrichtung unter den im folgenden angegebenen Bedingungen trockengeätzt, auf der Oberseite der konvexen Gebilde verbleibende Siliciumdioxidteilchen wurden unter Verwendung eines Baumwolltupfers entfernt und es wurde ein Substrat mit konvexen Gebilden, die nahezu die Form einer Halbkugel aufwiesen, erhalten.
Trockenätzbedingungen

Substrat-Bias-Leistung: 300 W
ICP-Leistung: 200 W
Druck: 2,0 Pa
Chlorgas: 32 sccm
Bortrichloridgas: 48 sccm
Argongas: 190 sccm
Ätzdauer: 10 min

Das Substrat wurde durch Trockenätzen etwa 2,25 μm in vertikaler Richtung geätzt. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids war auf eine mittlere Größe von 1,22 μm verringert. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids, die nach dem Trockenätzen ermittelt wurde, betrug etwa 24,5 % des Durchmessers desselben, der vor dem Trockenätzen ermittelt wurde. Die konvexen Gebilde wiesen eine Seitenfläche mit einem Verjüngungswinkel von 50° auf.
Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung
Schichten eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 wurden auf dem erhaltenen Substrat durch MOVPE, wie im folgenden beschrieben, epitaxial aufwachsen gelassen.
Das Substrat wurde 15 min mit einer Suszeptortemperatur von 1040 °C und einem Druck von 1 atm in Wasserstoffatmosphäre erhitzt, und die Temperatur des Suszeptors wurde auf 485 °C gekühlt, ein Trägergas (Wasserstoff), Ammoniak und TMG wurden zugeführt, wobei eine GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von etwa 500 Å gezüchtet wurde. Die Temperatur des Suszeptors wurde auf 900 °C erhöht, das Trägergas (Wasserstoff), Ammoniak und TMG wurden zugeführt, wobei eine undotierte GaN-Schicht gezüchtet wurde. Die Temperatur des Suszeptors wurde auf 1040 °C erhöht, der Druck des Reaktors wurde auf 1/4 atm gesenkt und das Trägergas (Wasserstoff), Ammoniak und TMG wurden zugeführt, wobei eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 5 μm gezüchtet wurde. Das Trägergas (Wasserstoff), Ammoniak, TMG und SiH₄ (als Si-Quelle zum Züchten einer n-GaN-Schicht) wurden zugeführt, wobei eine Si-dotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 5 μm gezüchtet wurde. Infolgedessen wurde ein epitaxiales Substrat eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 erhalten.
Dann wurden eine n-Halbleiterschicht, eine lichtemittierende Schicht aus InGaN (Multiquantentopfstruktur, im folgenden als MQW-Struktur bezeichnet) und eine p-Halbleiterschicht in dieser Reihenfolge auf dem epitaxialen Substrat eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5 gezüchtet, wobei ein epitaxiales Substrat für eine blaue LED mit einer Emissionswellenlänge von 440 nm erhalten wurde. Das epitaxiale Substrat wurde einer Ätzstufe zur Freilegung einer n-Kontaktschicht, einer Elektrodenausbildungsstufe und einer Vorrichtungsisolationsstufe unterzogen, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung mit der in 4 gezeigten Struktur erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 6,2 mW mit einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Beispiel 2
Die Operationen "Herstellung eines Substrats mit konvexen Gebilden" gemäß Beispiel 1 wurden durchgeführt, wobei jedoch kugelförmiges Siliciumdioxid (HIPRESICA, hergestellt von UBE-NITTO KASEI CO., LTD., mittlerer Teilchendurchmesser: 3 μm) verwendet wurde und die Trockenätzdauer auf 3 min geändert wurde, wobei ein Substrat, das konvexe Gebilde mit nahezu der Form einer Halbkugel aufwies, erhalten wurde.
In diesem Beispiel betrug der deckende Belag des Siliciumdioxids auf dem Substrat vor dem Ätzen 22 %. Das Substrat wurde mit einer Tiefe von etwa 0,44 μm in vertikaler Richtung trockengeätzt. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids war auf eine mittlere Größe von 2,38 μm verringert. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids nach dem Trockenätzen betrug etwa 79,5 % des Durchmessers desselben vor dem Trockenätzen. Die konvexen Gebilde wiesen Seitenflächen mit einem Verjüngungswinkel von 55° auf.
Die Operationen "Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung" gemäß Beispiel 1 wurden für das Substrat durchgeführt, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 5,6 mW bei einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Beispiel 3
Die Operationen "Herstellung eines Substrats mit konvexen Gebilden" gemäß Beispiel 1 wurden durchgeführt, wobei jedoch kugelförmiges Siliciumdioxid (HIPRESICA, hergestellt von UBE-NITTO KASEI CO., LTD., mittlerer Teilchendurchmesser: 1 μm) verwendet wurde und die Trockenätzdauer auf 5 min geändert wurde, wobei ein Substrat, das konvexe Gebilde mit nahezu der Form einer Halbkugel aufwies, erhalten wurde. Ein Elektronenmikroskopbild des Substrats ist in 5 gezeigt.
In diesem Beispiel betrug der deckende Belag des Siliciumdioxids auf dem Substrat vor dem Ätzen 38 %. Das Substrat wurde mit einer Tiefe von etwa 0,51 μm in vertikaler Richtung trockengeätzt. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids war auf eine mittlere Größe von 0,20 μm verringert. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids nach dem Trockenätzen betrug etwa 20,3 % des Durchmessers desselben vor dem Trockenätzen. Die konvexen Gebilde wiesen Seitenflächen mit einem Verjüngungswinkel von 52° auf.
Die Operationen "Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung" gemäß Beispiel 1 wurden für das Substrat durchgeführt, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 5,5 mW bei einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Beispiel 4
Die Operationen gemäß Beispiel 3 wurden durchgeführt, wobei jedoch die Trockenätzdauer auf 3 min geändert wurde, wobei ein Substrat, das konvexe Gebilde mit nahezu der Form einer Halbkugel aufwies, erhalten wurde. Ein Elektronenmikroskopbild des Substrats ist in 6 gezeigt.
In diesem Beispiel betrug der deckende Belag des Siliciumdioxids auf dem Substrat vor dem Ätzen 38 %. Das Substrat wurde mit einer Tiefe von etwa 0,25 μm in vertikaler Richtung trockengeätzt. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids war auf eine mittlere Größe von 0,43 μm verringert. Die seitliche Größe des Siliciumdioxids nach dem Trockenätzen betrug etwa 43,5 % des Durchmessers desselben vor dem Trockenätzen. Die konvexen Gebilde wiesen Seitenflächen. mit einem Verjüngungswinkel von 53° auf.
Die Operationen "Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung" gemäß Beispiel 1 wurden für das Substrat durchgeführt, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 5,2 mW bei einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Vergleichsbeispiel 1
Die Operationen "Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung" gemäß Beispiel 1 wurden ohne Durchführen der in "Herstellung eines Substrats mit konvexen Gebilden" von Beispiel 1 beschriebenen Stufen durchgeführt, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 3,2 mW bei einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Resistmuster mit gleichseitigen Sechsecken mit einer Seitenlänge von 5 μm wurde durch Photolithographie auf einem spiegelglanzpolierten c-Fläche-Saphirsubstrat ausgebildet und eine Ni-Schicht mit einer Dicke von 5000 Å wurde abgelagert. Der Teil außerhalb der Sechsecke wurde abgehoben, wobei eine Ni-Schicht auf den Sechsecken erhalten wurde.
Das erhaltene Substrat wurde unter Verwendung einer ICP-Trockenätzvorrichtung unter den im folgenden angegebenen Bedingungen trockengeätzt, wobei die Ni-Schicht entfernt wurde. Ein Substrat mit orthogonalen konvexen Gebilden wurde erhalten. Die konvexen Gebilde machten einen deckenden Belag von 54 % aus.
Trockenätzbedingungen

Die Operationen "Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung" von Beispiel 1 wurden für das Substrat durchgeführt, wobei eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung erhalten wurde. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung wies eine Lichtleistung von 4,0 mW bei einem Ansteuerstrom von 20 mA auf.
Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt hohe Leuchtstärke. Ferner wird eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung mit hoher Leuchtstärke unter Verwendung des Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Beschrieben wird ein Substrat und eine Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung. Eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde sind auf dem Substrat ausgebildet. Die Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung umfasst ein Substrat, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind, und eine Halbleiterschicht auf dem Substrat.

1: Substrat
1A, 1C: Substratoberfläche
1B: konvexes Gebilde
2: anorganisches Teilchen
3: Nitridhalbleiter der Gruppe 3-5 des n-Typs
4: lichtemittierende Schicht
5: Nitridhalbleiter der Gruppe 3-5 des p-Typs
6: n-Elektrode
7: transparente p-Elektrode
8: p-Elektrode
10: lichtemittierende Vorrichtung eines Nitridhalbleiters der Gruppe 3-5

Claims

Substrat, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind.
Substrat nach Anspruch 1, wobei die konvexen Gebilde und das Substrat aus dem gleichen Material bestehen.
Substrat nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂ besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Substrats, das die folgenden Stufen (1) und (2) umfasst: (1) Platzieren von anorganischen Teilchen auf einem Substrat und (2) Trockenätzen des Substrats und der anorganischen Teilchen unter Ausbildung konvexer Gebilde.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die anorganischen Teilchen aus mindestens einer Komponente bestehen, die aus der Gruppe von einem Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid, Selenid und Metall ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die anorganischen Teilchen aus einem Oxid bestehen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Oxid aus Siliciumdioxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die anorganischen Teilchen in der Form einer Kugel, einer mehrseitigen Pyramide, eines orthogonalen Parallelepipeds oder ei ner Nadel vorliegen.
Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung, die ein Substrat, auf dem eine gekrümmte Oberfläche aufweisende konvexe Gebilde ausgebildet sind, und eine Halbleiterschicht auf dem Substrat umfasst.
Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Substrat aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂ besteht.
Halbleiter-lichtemittierende-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Halbleiterschicht aus einer Halbleiterverbindung eines Nitrids der Gruppe 3-5 besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-lichtemittierenden-Vorrichtung, das die folgenden Stufen (1) bis (3) umfasst: (1) Platzieren von anorganischen Teilchen auf einem Substrat, (2) Trockenätzen des Substrats und der anorganischen Teilchen unter Ausbildung konvexer Gebilde und (3) Züchten einer Halbleiterschicht auf dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 13, das die im folgenden angegebene Stufe (4) zwischen der Stufe (2) und der Stufe (3) umfasst: (4) Entfernen der anorganischen Teilchen von dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, LiTaO₃, ZrB₂ oder CrB₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die anorganischen Teilchen aus mindestens einer Komponente, die aus der Gruppe von einem Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid, Selenid und Metall ausgewählt ist, bestehen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Halbleiterschicht aus einer Halbleiterverbindung eines Nitrids der Gruppe 3-5 besteht.