DE112006002450T5

DE112006002450T5 - Halbleiter-Lichtemitterbauelement

Info

Publication number: DE112006002450T5
Application number: DE112006002450T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Hioki Kinoshita; Hidenori Hioki Kamei
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-07-03
Also published as: WO2007032355A1; US20090267091A1; US20110089466A1; US7863623B2

Abstract

Halbleiter-Lichtemitterbauelement, bei welchem vorgesehen sind:
ein Substrat, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V besteht;
eine Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Substrat vorgesehen ist, wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps mehrere Nitrid-Halbleiterschichten der Gruppe III-V eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
eine aktive Schicht, die auf der ersten Halbleiterschichtanordnung vorgesehen ist; und eine Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der aktiven Schicht vorgesehen ist, wobei die Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps aus einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III-V eines zweiten Leitfähigkeitstyps besteht;
wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps eine Zwischenschicht enthält, die aus Ga_1–xIn_xN (0 < x < 1) besteht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement, das einen Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V aufweist.
Technischer Hintergrund
Seit einigen Jahren wurde ein Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V, der durch die allgemeine Formel Al_xGa_1–x–yIn_yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x + y ≤ 1) repräsentiert wird, in weitem Ausmaß als ein Halbleitermaterial für ein Lichtemitterbauelement eingesetzt, welches innerhalb eines Wellenlängenbereiches arbeitet, der von sichtbaren Wellenlängen bis zu ultravioletten Wellenlängen reicht, und für ein Elektronikbauelement, das mit hoher Leistung und hoher Temperatur arbeitet.
Wenn ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V besteht, auf einem Saphirsubstrat ausgebildet wird, wird normalerweise eine Zwischenschicht, die aus GaInN besteht, zwischen dem Substrat und einer aktiven Schicht vorgesehen, um die Ausbreitung eines Kristalldefekts auf die aktive Schicht zu unterdrücken, wobei der Kristalldefekt durch eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III-V hervorgerufen wird (vgl. beispielsweise Patentdokument 1).
Weiterhin wurde als ein Substrat für ein Lichtemitterbauelement, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III hergestellt ist, ein leitfähiges Substrat wie beispielsweise ein GaN-Substrat als Alternative für ein Isoliersubstrat wie beispielsweise ein Saphirsubstrat eingesetzt.
Wenn das leitfähige Substrat eingesetzt wird, kann ein Strom durch das Substrat hindurchgeleitet werden, um den Widerstandswert eines Stromweges zu verringern, wodurch ermöglicht wird, dass der Verbrauch elektrischer Energie und die Betriebsspannung verringert werden. Darüber hinaus kann die elektrostatische Spannungsfestigkeit erhöht werden.
6 zeigt ein Beispiel für ein herkömmliches Halbleiter-Lichtemitterbauelement, welches ein GaN-Substrat einsetzt. In 6 sind auf ein GaN-Substrat 111, eine GaN-Schicht des Typs n 102, eine aktive GaInN-Schicht 106 und eine GaN-Schicht 112 des p-Typs aufeinanderfolgend aufgestapelt.
Auf der GaN-Schicht 112 des p-Typs ist eine p-seitige Elektrode 109 vorgesehen. Teile der GaN-Schicht 112 des p-Typs, der aktiven GaInN-Schicht 106 und der GaN-Schicht 102 des n-Typs sind entfernt, um einen Teil der GaN-Schicht 102 des n-Typs freizulegen. Auf dem freigelegten Teil der GaN-Schicht 102 des n-Typs ist eine n-seitige Elektrode 110 vorgesehen (vgl. beispielsweise Patentdokument 2).
Das Gitterfehlanpassungsverhältnis ist kleiner zwischen einem GaN-Substrat und einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III, die auf dem GaN-Substrat vorgesehen ist, als zwischen einem Saphirsubstrat und einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III, die auf dem Saphirsubstrat vorgesehen ist. Daher weist die Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III, die auf dem GaN-Substrat vorgesehen ist, wenige Defekte auf, die durch eine Gitterfehlanpassung hervorgerufen werden, so dass es nicht erforderlich ist, die Ausbreitung des Kristalldefekts zu unterdrücken, der durch die Gitterfehlanpassung in Bezug auf das Substrat hervorgerufen wird. Da eine Zwischenschicht, die aus GaInN besteht, aufgewachsen bei niedriger Temperatur, ebenfalls die Ursache für einen Kristalldefekt sein kann, der normalerweise während des Wachstums hervorgerufen wird, wird die Zwischenschicht, die aus GaInN besteht, und eine Gitterfehlanpassung in Bezug auf das GaN-Substrat aufweist, nicht ausgebildet.
[Patentdokument 1]

Japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 8-70139

[Patentdokument 2]

Japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 2001-60719

Beschreibung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Wenn das GaN-Substrat eingesetzt wird, tritt jedoch ein neues Problem auf, nämlich dass Änderungen der Eigenschaften zwischen Bauelementen durch eine Winkelabweichungsverteilungsabweichung und eine Oberflächenbehandlungsabweichung hervorgerufen werden können, die speziell bei einem GaN-Substrat auftreten.
Weiterhin wächst anders als in jenem Fall, in welchem Kristalle durch einen abgestuften Fluss aufwachsen, auf einem GaN-Substrat, dessen Hauptoberfläche eine Winkelabweichung von weniger als 0,3° gegenüber der Ebene (0001) aufweist, eine Anzahl an Kristallen auf, die jeweils ein Oberflächenmorphologieprofil einer sechsseitigen Pyramide aufweisen, so dass die Glätte des Substrats beträchtlich beeinträchtigt wird. Daher ist eine Kristallstruktur der Halbleiterschicht, die auf dem GaN-Substrat ausgebildet wird, welches die Winkelabweichung von weniger als 0,3° aufweist, instabil. Dies führt zu dem Problem, dass die Photolumineszenzintensität eines Halbleiter-Lichtemitterbauelements extrem verringert wird.
Wenn das Kristallwachstum einer Halbleiterschicht auf einem Substrat mittels Metallorganik-CVD (MOCVD) oder dergleichen durchgeführt wird, verringert ein Gasstrom in einer MOCVD-Einrichtung die Temperatur einer Kristallwachstumsoberfläche, wodurch die Form des Substrats zu einer konkaven Form zu der Kristallwachstumsoberfläche hin geändert werden kann. Im Falle des Saphirsubstrats tritt infolge der Tatsache, dass das Gitterfehlanpassungsverhältnis zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht groß ist, eine Kraft auf, welche die Form zu einer konvexen Form zur Kristallwachstumsoberfläche von dem Saphirsubstrat aus ändert. Daher wird das Saphirsubstrat in eine annähernd ebene Oberfläche zurückversetzt, so dass kein Problem in Bezug auf eine Verwerfung des Substrats auftritt, die während des Kristallwachstums geschieht. Im Falle des GaN-Substrats tritt jedoch infolge der Tatsache, dass das Gitterfehlanpassungsverhältnis zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht klein ist, jene Kraft nicht auf, welche sich so auswirkt, dass die Form des Substrats zu einer konvexen Form geändert wird, so dass das Substrat in eine konkave Form verwunden werden kann. Dies führt dazu, dass das Problem besteht, dass sich Eigenschaften zwischen Halbleiter-Lichtemitterbauelementen wesentlich ändern können, die auf dem Substrat ausgebildet werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von Halbleiter-Lichtemitterbauelementen, die stabile Eigenschaften aufweisen, bei welchen das voranstehend geschilderte, herkömmliche Problem überwunden ist, und Änderungen zwischen den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen unterdrückt werden, die auf einem Substrat ausgebildet werden, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V hergestellt ist.
Maßnahmen zur Lösung der Probleme
Um den voranstehend geschilderten Vorteil zu erreichen, ist ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass es eine Zwischenschicht aufweist, welche In enthält.
Im Einzelnen weist ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung auf: ein Substrat, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V hergestellt ist; eine auf dem Substrat vorgesehene Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps mehrere Nitrid-Halbleiterschichten der Gruppe III-V des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; und eine aktive Schicht, die auf der Anordnung der ersten Halbleiterschicht vorgesehen ist; und eine Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der aktiven Schicht vorgesehen ist, wobei die Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps aus einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III-V des zweiten Leitfähigkeitstyps hergestellt ist; wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps eine Zwischenschicht enthält, die aus Ga_1– _xIn_xN (0 < x < 1) hergestellt ist.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenschicht vorgesehen, die aus Ga_1– _xIn_xN (0 < x < 1) hergestellt ist, so dass ermöglicht wird, den Einfluss der Halbleiterschichten zu verringern, die durch die Austiefungen und Ausbauchungen in Form sechsseitiger Pyramiden hervorgerufen werden, die auf einer Oberfläche eines Substrats ausgebildet werden, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V hergestellt ist. Daher wird ermöglicht, stabil die Halbleiterschichten auf dem Substrat auszubilden. Hierdurch werden Schwankungen der Lichtaussendeeigenschaften zwischen Halbleiter-Lichtemitterbauelementen unterdrückt, wodurch ermöglicht wird, Halbleiter-Lichtemitterbauelemente zu erzielen, welche stabile Eigenschaften aufweisen.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass ein Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die aktive Schicht, und die Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen Mesa-Abschnitt ausbilden, und jenes Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welches den Mesa-Abschnitt ausbildet, die Zwischenschicht enthält.
Alternativ können bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, der aktiven Schicht, und der Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen Mesa-Abschnitt ausbilden, und kann jenes Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welches den Mesa-Abschnitt ausbildet, ein Teil sein, das zumindest die Zwischenschicht ausnimmt. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass die Zwischenschicht in Kontakt mit dem Substrat steht.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Zwischenschicht eine Dicke von 10–500 nm aufweist.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass eine Hauptoberfläche des Substrats eine Ebene (0001) ist.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass eine Hauptoberfläche des Substrats eine Winkelabweichung von 0,3–5° gegenüber einer Ebene (0001) aufweist.
Bei dem Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass eine Hauptoberfläche des Substrats eine Winkelabweichung von weniger als 0,3° gegenüber einer Ebene (0001) aufweist, und die Zwischenschicht eine Dicke von 50–500 nm aufweist.
Auswirkungen der Erfindung
Bei Halbleiter-Lichtemitterbauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht, Schwankungen zwischen den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen zu unterdrücken, die auf einem Substrat vorgesehen sind, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III–V besteht, so dass Halbleiter-Lichtemitterbauelemente erzielt werden können, welche stabile Eigenschaften aufweisen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Lichtemitterbauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2A und 2B sind Diagramme, welche die Beziehung zwischen der Photolumineszenzintensität von Halbleiter-Lichtemitterbauelementen und Ausbildungspositionen der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente in einem Substrat erläutert, wobei 2A jenen Fall darstellt, bei welchem eine Zwischenschicht aus InGaN vorgesehen ist, und 2B jenen Fall darstellt, bei welchem die Zwischenschicht nicht vorgesehen ist.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Photolumineszenzintensität und der Dicke einer Zwischenschicht des Halbleiter-Lichtemitterbauelements gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß einer Abänderung der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
5 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement gemäß einer Abänderung der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
6 ist eine Querschnittsansicht, die ein herkömmliches Halbleiter-Lichtemitterbauelement erläutert.

11: Substrat
12: Schicht des n-Typs
13: Aktive Schicht
14: Schicht des p-Typs
15: p-seitige Elektrode
16: n-seitige Elektrode
22: Erste Schicht des n-Typs
23: Zwischenschicht
24: Zweite Schicht des n-Typs
25: Mantelschicht

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt im Querschnitt die Ausbildung eines Halbleiter-Lichtemitterbauelements gemäß einer Ausführungsform. Wie in
1 gezeigt, sind über einem aus GaN bestehenden Substrat eine Schicht 12 des n-Typs, eine aktive Schicht 13, und eine Schicht 14 des p-Typs vorgesehen. Die Schicht 12 des n-Typs besteht beispielsweise, von unten nach oben, aus einer ersten Schicht 22 des n-Typs, die aus GaN besteht, das mit Si dotiert ist, einer Zwischenschicht 23, die aus Ga_1– _xIn_xN (0 < x < 1) besteht, dotiert mit Si, einer zweiten Schicht 24 des n-Typs, die aus GaN besteht, dotiert mit Si, und einer Mantelschicht 25, die aus undotiertem AlGaN besteht.

Die aktive Schicht 13 weist eine Schicht mit mehreren Quantentöpfen auf, bei welcher Sperrschichten, die aus undotiertem GaN bestehen, und Topfschichten, die aus undotiertem InGaN bestehen, abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Die Schicht 14 des p-Typs besteht aus einer Schicht aus AlGaN, dotiert mit Mg. Die Schicht 14 des p-Typs, die aktive Schicht 13, die Mantelschicht 25 der Schicht 12 des n-Typs, und ein Teil der zweiten Schicht 24 des n-Typs der Schicht 12 des n-Typs sind entfernt, um einen Mesa-Abschnitt auszubilden, und einen Teil der zweiten Schicht 24 des n-Typs freizulegen. Auf der Schicht 14 des p-Typs ist eine p-seitige Elektrode 15 vorgesehen. Auf dem freigelegten Teil der zweiten Schicht 24 des n-Typs ist eine n-seitige Elektrode 16 vorgesehen. Ein spezielles Beispiel für die Zusammensetzung, die Dicke und dergleichen jeweiliger Halbleiterschichten ist in Tabelle 1 angegeben. [Tabelle 1]

		Al-Zusammensetzung	In-Zusammensetzung	Dicke	Dottiermittel	Fremdstoffkonzentration (cm^–3)	Ansonsten
GaN-Substrat 11		0	0	300 μm	–
Erste Schicht 22 des n-Typs		0	0	1 μm	Si	15 × 10¹⁸
Zwischen-schicht 23		0	x	10–500 μm	Si	5 × 10¹⁸
Zweite Schicht 24 des n-Typs		0	0	500 nm	Si	5 × 10¹⁸
Mantelschicht		0,05	0	20 nm	undotiert
Aktive Schicht 13	Sperrschicht	0	0	16 nm	undotiert	–	Vier Topf- und drei Sperrschichten sind abwechselnd jeweils einzeln vorgesehen
Aktive Schicht 13	Topfschicht	0	0,06	2 nm	undotiert	–
Schicht 14 des p-Typs		0,05	0	100 nm	Mg	1 × 10²⁰

Es wird darauf hingewiesen, dass die p-seitige Elektrode 15 eine reflektierende Elektrode auf Goldbasis ist, die eine Dicke von 1 μm aufweist, und die n-seitige Elektrode 16 eine Kontaktelektrode auf Goldbasis ist, die eine Dicke von 1 μm aufweist. Die zweite Schicht 24 des n-Typs weist eine Dicke von 500 nm unter der n-seitigen Elektrode 16 auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind mehrere Halbleiter-Lichtemitterbauelemente auf einem GaN-Substrat vorgesehen, das einen Durchmesser von 2 Zoll und eine Dicke von 300 μm aufweist, und dann werden die Halbleiter-Lichtemitterbauelemente, die jeweils eine ebene Abmessung von 300 μm × 300 μm aufweisen, von dem Substrat abgeschnitten. Eine Hauptoberfläche des Substrats kann jede ebene Orientierung aufweisen, aber es ist vorzuziehen, dass die Orientierung der Ebene eine Winkelabweichung von 0,3° bis 5° gegenüber der Ebene (0001) aufweist. Da die Hauptoberfläche eine Winkelabweichung aufweist, nimmt das Aktivierungsverhältnis eines Fremdstoffs des Typs p in der Schicht 14 des p-Typs zu, wodurch ermöglicht wird, dass die Betriebsspannung verringert wird. Wenn die Winkelabweichung größer oder gleich 0,2° ist, wird die Auswirkung der Verringerung der Betriebsspannung hervorgerufen, und tritt bei dem Effekt bei der Winkelabweichung von größer oder gleich 2° allmählich eine Sättigung auf. Wenn die Winkelabweichung kleiner ist als 0,3°, kann jedoch die Morphologie des Substrats beeinträchtigt werden, wie dies nachstehend geschildert wird. Wenn die Winkelabweichung kleiner ist als 0,3°, kann jedoch die Morphologie des Substrats beeinträchtigt werden, wie dies nachstehend geschildert wird. Weiterhin neigt bei Erhöhung der Winkelabweichung die Ausbeute an Chips, die von dem Substrat abgeschnitten werden, dazu, abzunehmen. Daher ist die Winkelabweichung vorzugsweise kleiner oder gleich 5°. Die Winkelabweichung kann in jeder Richtung vorhanden sein. Weiterhin weist die Lichtwellenlänge der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente einen Spitzenwert bei 460 nm auf. Es wird darauf hingewiesen, dass jedes der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung eine so genannte Lichtemitterdiode ist (nachstehend bezeichnet als LED).
Die 2A und 2B zeigen die Beziehung zwischen der Photolumineszenzintensität der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente und den Orten der Ausbildung der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente in einem Substrat, wobei 2A jenen Fall zeigt, bei welchem eine Zwischenschicht vorgesehen ist, die aus Ga_0,98In_0,02N besteht, und 2B jenen Fall zeigt, bei welchem die Zwischenschicht nicht vorgesehen ist. Die Orte der Ausbildung der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente in dem Substrat von 2 sind so angegeben, dass das Zentrum des Substrats als Ursprung verwendet wird, wobei die x-Achse parallel zu einer Orientierungsebene angeordnet ist, und die y-Achse vertikal zur Orientierungsebene angeordnet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zwischenschicht eine Dicke von 50 nm aufweist.
Wie in 2B gezeigt, wird in jenem Fall deutlich, bei welchem die Zwischenschicht nicht vorgesehen ist, dass sich die Photolumineszenzintensität stark abhängig von den Orten der Ausbildung der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente in dem Substrat ändert. Andererseits ist, wie in 2A gezeigt, in jenem Fall, bei welchem die Zwischenschicht vorgesehen ist, die Änderung der Photolumineszenzintensität zwischen den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen gering.
Aus den in 2 dargestellten Daten wird die Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung bestimmt, und werden die Änderungen der Photolumineszenzintensität quantitativ untersucht. Die Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung ist eine Standardabweichung in jenem Fall, bei welchem die Verteilung der Änderungen der Photolumineszenzintensität der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente in Bezug auf einen vorbestimmten Leuchtdichtewert als Normalverteilung angenommen wird. Im Einzelnen bedeutet beispielsweise "die Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung weist einen Wert von 25% auf", dass Änderungen des Ausgangswertes von innerhalb 25% in Bezug auf den Mittelwert der Leuchtdichte innerhalb einer 1-σ-Verteilung liegen (68,3% des Gesamtwertes). Es wird darauf hingewiesen, dass als eine Anregungslichtquelle für die Photolumineszenz ein He-Cd-Laser mit einer Wellenlänge von 325 nm verwendet wird.
Die Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung in 2B in jenem Fall, bei welchem die Zwischenschicht nicht vorgesehen ist, beträgt 33,1%, was einen hohen Wert darstellt. Weiterhin ist die Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung bei 2A in jenem Fall, bei welchem die Zwischenschicht vorgesehen ist, gleich 5,1%, was bedeutet, dass der Wert der Standardabweichung der Leuchtdichteverteilung so verbessert ist, dass er kleiner oder gleich einem Sechstel im Vergleich zu 2B ist.
Ein Grund dafür, dass das voranstehende Ergebnis erzielt wird, wird darin angesehen, dass Austiefungen und Ausbauchungen in Form sechsseitiger Pyramiden, die spezifisch für das GaN-Substrat sind, und nach dem Kristallwachstum des Substrats auftauchen, durch die Zwischenschicht abgefangen werden, wodurch die Glätte verbessert wird, was ermöglicht, die Halbleiterschicht stabil auszuformen. Ein anderer Grund wird darin gesehen, dass infolge der Bereitstellung der Zwischenschicht eine mechanische Spannung ausgeübt wird, welche die Form des Substrats in eine konvexe Form zu der Kristallwachstumsoberfläche des Substrats hin ändert, entgegenwirkend einer mechanischen Spannung, welche die Form des Substrats in eine konkave Form zu der Kristallwachstumsoberfläche des Substrats ändern möchte, und welche dadurch hervorgerufen wird, dass die Temperatur einer Kristalloberfläche des Substrats durch einen Gasstrom in der MOCVD-Einrichtung verringert wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Substrat flach bleibt.
Bei dieser Untersuchung stellte sich heraus, dass die Zwischenschicht 23, die eine große Dicke aufweist, die Schwankungen der Photolumineszenzintensität unterdrücken kann. Infolge des Ergebnisses, dass die Schwankungen der Intensität unterdrückt werden, lässt sich erwarten, dass eine Erhöhung der Dicke der Zwischenschicht 23 weiterhin die Eigenschaften der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente stabilisiert.
3 zeigt die Beziehung zwischen der Filmdicke der Zwischenschicht 23 und der Photolumineszenzintensität. Es ergibt sich, dass dann, wenn die Zwischenschicht 23 eine Dicke von größer oder gleich 50 nm aufweist, wie in 2 gezeigt, das Halbleiter-Lichtemitterbauelement eine sehr hohe Photolumineszenzintensität aufweist.
Es ist bekannt, dass dann, wenn das aus GaN hergestellte Substrat eine Hauptoberfläche aufweist, deren Winkelabweichung kleiner als 0,3° ist, die Austiefungen und Ausbauchungen in Form sechsseitiger Pyramiden besonders deutlich auftreten, wodurch die Oberflächenmorphologie beeinträchtigt wird. Auch in diesem Fall ermöglicht die Bereitstellung der Zwischenschicht 23 mit einer Dicke von größer oder gleich 50 nm, dass die Halbleiterschicht stabil ausgebildet werden kann. Dies führt dazu, dass ermöglicht wird, die Photolumineszenzintensität der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente zu erhöhen, und die Schwankungen der Photolumineszenzintensität bei den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen zu verringern.
Wie voranstehend geschildert ist es vorzuziehen, um die Photolumineszenzintensität der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente zu erhöhen, dass die Zwischenschicht 23 eine große Dicke aufweist. Wenn die Zwischenschicht 23 eine große Dicke aufweist, kann jedoch die mechanische Spannung zu groß werden, die durch die Zwischenschicht 23 hervorgerufen wird, und sich so auswirkt, dass sie die Form der Kristallwachstumsoberfläche des Substrats zu einer konvexen Form ändert, so dass die Form des Substrats zu einer konvexen Form geändert wird. Wenn die Zwischenschicht 23 eine zu große Dicke aufweist, weist darüber hinaus das Substrat eine erhebliche Verwindung auch nach dem Wachstum der Halbleiterschicht auf. Dies verringert die Prozessgenauigkeit bei einem Maskenausrichtungsschritt eines Elektrodenausbildungsprozesses, bei einem Schleifschritt, einem Polierschritt, und einem Zerschneideschritt, was dazu führen kann, dass die Ausbeute der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente verringert wird.
Unter Berücksichtigung der voranstehend angegebenen Gesichtspunkte kann die Zwischenschicht 23 eine Dicke von 10–500 nm aufweisen. Wenn die Verwindung des Substrats problematisch ist, weist die Zwischenschicht 23 eine Dicke von vorzugsweise 10–100 nm auf, und bevorzugter von 10–50 nm. Wenn das Substrat eine Winkelabweichung von weniger als 0,3° aufweist, weist die Zwischenschicht 23 eine Dicke von vorzugsweise 50–500 nm auf.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Zwischenschicht 23 vorzugsweise eine Si-Dotierkonzentration im Bereich von 5 × 10¹⁷ cm^–3 bis 1 × 10¹⁹ cm^–3 aufweist. Dies liegt daran, dass dann, wenn die Si-Dotierkonzentration der Zwischenschicht 23 kleiner oder gleich 5 × 10¹⁷ cm^–3 ist, die Zwischenschicht 23 als eine Schicht mit hohem Widerstand dient, wodurch die Treiberspannung erhöht wird, und dann, wenn die Si-Dotierkonzentration der Zwischenschicht 23 größer oder gleich 1 × 10¹⁹ cm^–3 ist, die Kristallqualität der Zwischenschicht 23 abnimmt, wodurch die Eigenschaften der Halbleiter-Lichtemitterbauelemente beeinträchtigt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beispiel, bei welchem die Zwischenschicht 23 zwischen der ersten Schicht 22 des n-Typs und der zweiten Schicht 24 des n-Typs vorgesehen ist. Es ist allerdings auch eine Anordnung wie in 4 gezeigt möglich, bei welcher die n-seitige Elektrode 16 auf der ersten Schicht 22 des n-Typs vorgesehen ist, ohne dass die zweite Schicht 24 des n-Typs vorhanden ist. Ein Beispiel für die Zusammensetzung und die Dicke der jeweiligen Schichten in diesem Fall ist in Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 2]

		Al-Zusammensetzung	In-Zusammensetzung	Dicke	Dotiermittel	Fremdstoffkonzentration (cm^–3)	Ansonsten
GaN-Substrat 11		0	0	300 μm	–	–
Erste Schicht 22 des n-Typs		0	0	1 μm	Si	5 × 10¹⁸
Zwischen-schicht 23		0	x	10–500	Si	5 × 10¹⁸
Mantelschicht 25		0,05	0	20 nm	undotiert	–
Aktive Schicht 13	Sperrschicht	0	0	16 nm	undotiert	–
Aktive Schicht 13	Topfschicht	0	0,06	2 nm	undotiert	–	Vier Topfund drei Sperrschichten sind abwechselnd jeweils einzeln vorgesehen
Schicht 14 p-Typs	des	0,05	0	100 nm	Mg	1 × 10²⁰

Alternativ kann eine Anordnung wie in 5 gezeigt möglich sein, bei welcher die Zwischenschicht 23 zwischen dem Substrat 11 und der ersten Schicht 22 des n-Typs vorhanden ist. Ein Beispiel für die Zusammensetzung und die Dicke jeder Schicht in diesem Fall ist in Tabelle 3 gezeigt. [Tabelle 3]

		Al-Zusammensetzung	In-Zusammensetzung	Dicke	Dotiermittel	Fremdstoffkonzentration (cm^–3)	Ansonsten
GaN-Substrat 11		0	0	300 μm	–
Erste Schicht 22 des n-Typs		0	0	1 μm	Si	5 × 10¹⁸
Zwischen-schicht 23		0	x	10–500 nm	Si	5 × 10¹⁸
Mantelschicht 25		0,05	0	20 nm	undotiert	–
Aktive Schicht 13	Sperrschicht	0	0	16 nm	undotiert	–
Aktive Schicht 13	Topfschicht	0	0,06	2 nm	undotiert	–	Vier Topf- und drei Sperrschichten sind abwechselnd jeweils einzeln vorgesehen
Schicht 14 des p-Typs		0,05	0	100 nm	Mg	1 × 10²⁰

Es wird darauf hingewiesen, dass das aus GaN hergestellte Substrat 11 so ausgebildet werden kann, dass eine dicke GaN-Schicht auf einem Saphirsubstrat ausgebildet wird, und dann das Saphirsubstrat entfernt wird. Alternativ kann ein im Handel erhältliches GaN-Substrat verwendet werden. Als eine Alternative für ein Saphirsubstrat kann ein Substrat, welches das Kristallwachstum einer GaN-Schicht ermöglicht, und aus SiC, MgAlO₂ oder dergleichen besteht, als ein Substrat zur Ausbildung einer dicken GaN-Schicht verwendet werden.
Darüber hinaus ist das Substrat 11 nicht auf ein aus GaN hergestelltes Substrat beschränkt. Ein Substrat, das aus einem anderen Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V hergestellt ist, beispielsweise aus AlGaN, GaInN, oder dergleichen, kann dieselben Auswirkungen zur Verfügung stellen.
Obwohl jede Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine LED beschrieben wurde, kann ein Halbleiter-Laserbauelement, das einen Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V verwendet, über eine LED hinaus, dieselben Auswirkungen zur Verfügung stellen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Mit den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht, Abweichungen zwischen den Halbleiter-Lichtemitterbauelementen zu unterdrücken, die auf einem Substrat ausgebildet werden, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V besteht, so dass Halbleiter-Lichtemitterbauelemente mit stabilen Eigenschaften erzielt werden können. Daher sind die Halbleiter-Lichtemitterbauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich als Halbleiter-Lichtemitterbauelemente, die aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V oder dergleichen hergestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Halbleiter-Lichtemitterbauelement weist ein Substrat 11 auf, das einen Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V enthält; eine Schicht 12 eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Substrat 11 vorgesehen ist, wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps mehrere Nitrid-Halbleiterschichten der Gruppe III-V des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; eine aktive Schicht 13, die auf der ersten Halbleiterschicht 12 vorgesehen ist, und eine Schicht 14 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der aktiven Schicht 13 vorgesehen ist, wobei die Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps eine Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III-V des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist. Die Schicht 12 des ersten Leitfähigkeitstyps enthält eine Zwischenschicht 23, die aus Ga_1–xIn_xN (0 < x < 1) hergestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 8-70139 [0008]
- JP 2001-60719 [0008]

Claims

Halbleiter-Lichtemitterbauelement, bei welchem vorgesehen sind: ein Substrat, das aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III-V besteht; eine Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Substrat vorgesehen ist, wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps mehrere Nitrid-Halbleiterschichten der Gruppe III-V eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; eine aktive Schicht, die auf der ersten Halbleiterschichtanordnung vorgesehen ist; und eine Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der aktiven Schicht vorgesehen ist, wobei die Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps aus einer Nitrid-Halbleiterschicht der Gruppe III-V eines zweiten Leitfähigkeitstyps besteht; wobei die Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps eine Zwischenschicht enthält, die aus Ga_1–xIn_xN (0 < x < 1) besteht.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach Anspruch 1, bei welchem ein Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, der aktiven Schicht, und der Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen Mesa-Abschnitt bilden, und jenes Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welches den Mesa-Abschnitt bildet, die Zwischenschicht enthält.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem ein Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, der aktiven Schicht, und der Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen Mesa-Abschnitt bilden, und das Teil der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welches den Mesa-Abschnitt bildet, ein Teil mit Ausnahme zumindest der Zwischenschicht ist.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach Anspruch 3, bei welchem die Zwischenschicht in Kontakt mit dem Substrat steht.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Zwischenschicht eine Dicke von 10–500 nm aufweist.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Hauptoberfläche des Substrats eine (0001)-Ebene ist.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Hauptoberfläche des Substrats eine Winkelabweichung von 0,3–5° gegenüber einer (0001)-Ebene aufweist.
Halbleiter-Lichtemitterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Hauptoberfläche des Substrats eine Winkelabweichung von weniger als 0,3° gegenüber einer (0001)-Ebene aufweist, und die Zwischenschicht eine Dicke von 50–500 nm aufweist.