DE112007000313T5 - Verfahren zum Aufwachsenlassen von Halbleiter-Heterostrukturen auf der Basis von Galliumnitrid - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren epitaxialen Heterostrukturen für weiße Emissionen erzeugende Leuchtdioden und Laser auf der Basis von Verbindungen und Legierungen im AlGaInN-System, das den Schritt der Dampfphasenabscheidung von einer oder mehreren Heterostrukturschichten beinhaltet, die durch die Formel AlxGa1-xN(0 < x < 1) beschrieben werden, wobei der Schritt des Aufwachsenlassens von A3N-Strukturen unter Verwendung von (a)-Langasit (La5Ga5SiO14)-Substraten zwecks Reduzierens der Dichte von Defekten und mechanischen Spannungen in Heterostrukturen angewendet wird.

Description

  • 1. Bereich der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterialien und -bauelementen und spezieller zur Herstellung von nichtpolaren epitaxialen Heterostrukturen aus Nitriden von Elementen der dritten Gruppe (nachfolgend A N Strukturen genannt) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (nachfolgend OMVPE genannt), die gewöhnlich für Bauelemente wie Laser, Leuchtdioden (LEDs) und insbesondere Weiß-LEDs eingesetzt werden.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • A3N-Halbleiterheterostrukturen sind Grundwerkstoffe für das Design und die Herstellung von hocheffizienten Leuchtdioden und Laser im sichtbaren und ultravioletten Teil des optischen Strahlungsspektrums, einschließlich Weiß-LEDs.
  • In der Referenzliteratur [1] wurde zum ersten Mal die Umwandlung von dunkelblauer und/oder ultravioletter Strahlung von GaN-mis-Strukturen in Strahlung mit größerer Wellenlänge im sichtbaren Teil des Spektrums durch Bedecken dieser Strukturen mit Stokes-Phosphoren angeboten.
  • In der Referenzliteratur [2] wird das Design von Weißlicht emittierenden Dioden auf der Basis von dunkelblauen p-n-Emittern mit AlGalnN-Heterostruktur bereitgestellt, die mit Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor bedeckt sind. Ein Teil der primären dunkelblauen Strahlung von Emittern wird in gelbe Phosphorstrahlung umgewandelt. Folglich erzeugt das Mischen von blauer Strahlung von einem Emitter und komplementärer Gelblumineszenz, die von der blauen Strahlung in Phosphor erregt wird, Weißlicht durch LEDs mit bestimmten Farbmaßzahlen.
  • Es sind drei Grunddesigns von Weißlicht emittierenden Dioden bekannt, die sich wesentlich voneinander unterscheiden:
    • – Leuchtdioden auf der Basis eines Emitters von dunkelblauer Lumineszenz, der mit einer Stokes-Phosphorschicht bedeckt ist, die einen Teil von dunkelblauer Strahlung in gelbe Strahlung umwandelt;
    • – Leuchtdioden auf der Basis eines Emitters von ultravioletter Strahlung, der mit einer Stokes-Phosphorschicht bedeckt ist, die ultraviolette Strahlung in rote, grüne und dunkelblaue Lumineszenzbanden umwandelt (RGB-System);
    • – Vollfarben-Leuchtdioden, die drei separate Emitter enthalten, die im roten, grünen und dunkelblauen Spektrumteil strahlen (RGB-System).
  • Trotz der Unterscheidung verlangt eine Verbesserung von Parametern aller aufgeführten Typen von Weißlicht emittierenden Dioden eine Vervollkommnung von Verfahren des Aufwachsenlassens von epitaxialen A3N-Heterostrukturen und des Erhöhen des Quantenstrahlungsausgangs von Phosphoren.
  • Für eine Massenproduktion von Leuchtdioden ist das am meisten bevorzugte Verfahren zur Herstellung von A3N-Heterostrukturen die metallorganische Dampfphasenepitaxie (OMVPE).
  • Saphir (Al2O3), Siliciumcarbid (6H-SiC), Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumnitrid (AlN) werden als Substrate zum Aufwachsenlassen von epitaxialen A3N-Strukturen verwendet. Am meisten werden billigere Saphirsubstrate verwendet. Siliciumcarbidsubstrate sind zuweilen teurer als solche aus Saphir und werden daher nicht so häufig eingesetzt. Nahezu ideal wären Substrate aus GaN oder AlN, aber deren Massenproduktion konnte bisher noch nicht erzielt werden.
  • Typische A3N-Heterostrukturen für Leuchtdioden enthalten die folgenden Funktionsteile:
    • • ein Einzelkristallsubstrat aus Saphir oder Siliciumcarbid mit einer kristallographischen c-Ebenen-(0001)-Oberfläche, die einen kristallographischen Typ von epitaxialen A3N-Schichten wie z. B. den Wurtzit-Typ ihrer Kristallstrukturen und die Azimuthorientierung von kristallographischen Gittern definiert;
    • • Emitter mit großem Bandabstand, in der Regel AlXGa1-XN-Schichten des n-Typs und des p-Typs für eine effektive Injektion von Elektronen und Löchern und deren Eingrenzung in der aktiven Region der Heterostruktur;
    • • eine aktive Region, die in der Regel einen Satz von Schichten mit geringem Bandabstand solcher Materialien enthält, wie z. B. InXGa1-XN-Legierungen, die gewöhnlich nicht speziell dotiert sind;
    • • epitaxiale GaN-Kontaktschichten mit n- und p-Leitfähigkeit für einen geringen spezifischen Widerstand von ohmschen Kontakten und eine gleichförmige Verteilung der Stromdichte in einem Querschnitt eines Bauelementes.
  • In epitaxialen A3N-Heterostrukturen, die in verschiedenen Bauelementen verwendet werden, besonders in Leuchtdioden und Laser, sollen die Dichte von Defekten (Versetzungen, Packungsdefekte usw.) sowie das Niveau der mechanischen Beanspruchungen möglichst niedrig sein. So haben beispielsweise GaAs-Laser-Heterostrukturen gewöhnlich eine Versetzungsdichte von nicht mehr als 102–103 cm–2.
  • In A3N-Heterostrukturen existieren grundsätzlich zwei Defektquellen, die erste betrifft eine Differenz zwischen Gitterparametern bei einem Substrat und epitaxialen A3N-Schichten, die zweite eine Gitterfehlanpassung bei Schichten innerhalb einer Heterostruktur, z. B. zwischen GaN- und AlXGa1-XN-Schichten oder zwischen GaN- und InXGa1-XN-Schichten. Im Falle von GaN- oder AlN-Substraten nimmt der Beitrag der ersten Defektquelle ab und ist mit dem Beitrag der zweiten Defektquelle vergleichbar.
  • Epitaxiale A3N-Einzelkristallschichten mit einer Wurtzit-Kristallstruktur: AIN (Gitterparameter a = 0,311 nm), GaN (a = 0,316 nm) und InN (a = 0,354 nm), aufwachsen gelassen auf Al2O3-Einzelkristallsubstraten, orientiert in der (0001)-Ebene (Sauerstoff-Subgitterparameter a = 0,275 nm), oder auf 6H-SiC-Substraten (a = 0,308 nm), haben immer eine hohe Defektdichte, grundsätzlich Versetzungen.
  • Zu Versetzungen kommt es in der Grenzfläche "Substrat – Epitaxialschicht", weil es eine erhebliche Differenz zwischen Gitterparametern eines Substrats und einer Epitaxialschicht gibt. Gitterparameter von Epitaxialschichten sind größer als ein Gitterparameter eines Substrats (Diskrepanz bis zu 16%) und Versetzungen breiten sich durch Heterostrukturschichten aus. In typischen AlGalnN-Heterostrukturen, die in blauen und grünen Leuchtdioden verwendet werden, die auf Saphirsubstraten aufwachsen gelassen wurden, können Versetzungsdichten 108–1010 cm–2 betragen. Für ähnliche Heterostrukturen, die auf SiC-Substraten aufwachsen gelassen wurden, können Versetzungsdichten 107–109 cm–2 betragen. So wird der Beitrag der ersten Defektquelle durch einen Wert von 107–107 cm–2 definiert, der Beitrag der zweiten Quelle, der Bildung von Versetzungen innerhalb einer Heterostruktur, ist gleich 106–107 cm–2. Insbesondere wird die Entstehung einer hohen Versetzungsdichte oder sogar von Reißen in AlGaN-Schichten durch eine Differenz zwischen Gitterparametern von GaN- und AIN-Schichten (Diskrepanz von 3,5%) und durch die Differenzen zwischen ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht.
  • Diese Probleme können teilweise mit Verfahren gelöst werden. Bei einem ersten davon wird vor dem Aufwachsenlassen einer AlGaN-Schicht, z. B. einer Emitterschicht des n-Typs, eine dünne In0,1Ga0,9N-Schicht aufwachsen gelassen (Dicke etwa 0,1 Mikron), um ein Reißen einer nachfolgenden AlXGa1-XN-Schicht (x = 0,15–0,20) zu verhüten. Im zweiten Verfahren wird anstatt einer AlXGa1-XN-Volumenemitterschicht des n-Typs mit einem konstanten x-Wert eine gespannte Multiquanten-AlGaN/GaN-Supergitterschicht aufwachsen gelassen. Die Dicke jeder Schicht in dem Supergitter beträgt etwa 0,25 nm.
  • Ein sehr spezielles Merkmal von metallorganischer Dampfphasenepitaxie für das Wachstum von A3N-Heterostrukturen ist die Notwendigkeit für eine abrupte Änderung der Temperatur von Substraten während eines technischen Prozesses. So geht beim Aufwachsenlassen einer Pufferschicht (gewöhnlich eine sehr dünne amorphe GaN- oder AIN-Schicht) die Temperatur von Saphir- oder Siliciumcarbidsubstraten rasch von 1050°C–1100°C auf 550°C zurück und nach abgeschlossenem Wachstum der amorphen GaN- oder AIN-Schicht wird die Substrattemperatur rasch auf die Wachstumstemperatur einer einzelkristallinen GaN-Schicht (1050°C) erhöht. Wenn der Erhitzungsverlauf von Substraten mit einer GaN- oder AIN-Pufferschicht langsam ist, dann führt er zur Kristallisation einer dünnen (etwa 20 nm) GaN-Schicht und das nachfolgende Aufwachsenlassen einer dicken GaN-Schicht führt zur Bildung eines nichtplanaren Films mit einer größeren Anzahl von Defekten und Wachstumsgebilden.
  • Eine weitere Notwendigkeit für eine Änderung der Substrattemperatur während des Wachstums wird beim Aufwachsenlassen von InXGa1-XN-Schichten (bei x > 0,1) in der aktiven Region der Heterostruktur realisiert. Diese Schichten neigen zu thermischer Zersetzung bei Temperaturen über 850°C–870°C. In diesem Fall erfolgt das Aufwachsenlassen der InXGa1-XN-Schichten bei einer niedrigeren (800°C–850°C) Temperatur. Beim Erhöhen der Substrattemperatur auf 1000°C–1050°C ist der Heterostrukturwachstumsprozess durch Stoppen der Zufuhr von metallorganischen Ga-, Al- und In-Vorläufern zu Substraten zu unterbrechen. Um eine thermische Zersetzung von InXGa1-XN-Schichten auszuschließen, werden diese zuweilen mit einer dünnen (~20 nm) Al0,2Ga0,8N-Schutzschicht bedeckt. Diese Schicht hat eine ausreichende Dissoziationsstabilität bis auf Temperaturen von etwa 1050°C. Eine abrupte Änderung der Temperatur eines Substrats mit abgesetzten Epitaxialschichten (ausgenommen bei einer wachsenden GaN- oder AlN-Puffer-GaN-Schicht) kann zur Bildung zusätzlicher Defekte und zum Reißen von wachsenden Schichten, z. B. AlGaN-Schichten, führen. Daher ist es wünschenswert, Methoden zum Aufwachsenlassen von A3N-Heterostrukturen zu haben, besonders Strukturen für superhelle Leuchtdioden, die eine fließende Änderung von Wachstumstemperaturen erlauben und Wachstumsunterbrechungen bei wachsenden InXGa1-XN-Schichten ausschließen. Diese Methoden des Aufwachsenlassens müssen auch die Dichte von Versetzungen reduzieren, die in Grenzflächen von A3N-Heterostrukturschichten entstehen.
  • Eine Reduzierung von Versetzungen, die in eine auf Saphir- oder Siliciumcarbidsubstraten gewachsene (0001) Heterostruktur eindringen, kann mit speziellen Techniken wie laterales epitaxiales Überwachstum (LEO-Technik) erzielt werden. Bei dieser Technik wird zunächst eine dünne GaN-Schicht gewöhnlich bei einer niedrigen Temperatur aufwachsen gelassen. Dann wird ein SiO2- oder Si3N4-Film auf die Strukturoberfläche abgesetzt. In diesem Film werden lange, schmale, zueinander parallele Fenster bis hinunter auf die Pufferschicht geätzt, dann wird im nächsten Epitaxieprozess eine dicke GaN-Schicht auf der SiO2- oder Si3N4-Filmoberfläche bei einer hohen Temperatur aufwachsen gelassen. In demselben Prozess wird auch eine A3N-Heterostruktur aufwachsen gelassen. Es ist leicht ersichtlich, dass die LEO-Technik weitaus komplexer und arbeitsaufwendiger ist als die gewöhnliche Technik.
  • Theoretische und zum Teil experimentelle Untersuchungen weisen auf einen Vorteil der Verwendung von nichtpolaren α-Ebenen-(nachfolgend α-A3N genannt)-Heterostrukturen in zahlreichen Bauelementen hin, besonders in Leuchtdioden und Laser. Im Vergleich zu gewöhnlichen polaren Heterostrukturen, die entlang der polaren c-Richtung [0001] in nichtpolaren α-A3N-Heterostrukturen aufwachsen gelassen wurden, fehlen starke elektrostatische Felder in der Wachstumsrichtung. Dank dieser Tatsache wird eine räumliche Trennung injizierter Elektronen und Löcher in der aktiven Region von nichtpolaren α-A3N-Heterostrukturen eliminiert und demzufolge keine Zunahme interner Quantenstrahlungseffizienzen in auf deren Basis hergestellten Leuchtdioden und Laser erwartet werden.
  • Zahlreiche Publikationen befassen sich mit dem Aufwachsenlassen von nichtpolaren α-A3N-Heterostrukturen. In der Patentanmeldung [3] wird das Wachstum von α-GaN-(1120)-Filmen auf r-Ebenen-(1102)-Saphirsubstraten beschrieben. In der Publikation [4] schlägt Sh. Nakamura fortschrittliche nichtpolare α-A3N-Heterostrukturen vor, die auf α-GaN-Substraten aufwachsen gelassen wurden.
  • In der Patentanmeldung [3] schließlich werden die Möglichkeiten für ein Aufwachsenlassen von nichtpolaren α-A3N-Heterostrukturen auf Siliciumcarbid, Silicium, Zinkoxid, Lithiumaluminaten, Lithiumniobat und Germaniumsubstraten erwähnt.
  • So ist ein Aufwachsenlassen von nichtpolaren α-A3N-Heterostrukturen mit wenigen Versetzungen und einer geringen Strukturdefektdichte eine gut geeignete technische Weiterentwicklung zur Lösung von Problemen von zunehmenden internen Quanteneffizienzen von Leuchtdioden und Laser sowie deren Lebensdauern.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein neues Verfahren zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren epitaxialen α-A3N-Homo- und/oder Heterostrukturen auf der Basis von Verbindungen und Legierungen im AlInGaN-System, die geringe Versetzungen und Strukturdefektdichten in Schichten auf LANGASIT-(α-La3Ga5SiO14)-Substraten anstatt Substraten aus anderen bekannten Werkstoffen aufweisen, um diese A3N-Strukturen für den Entwurf und die Herstellung von Leuchtdioden und Laser zu benutzen. Die Eigenschaften von A3N-Werkstoffen und Langasit sind in Tabelle 1 dargestellt.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufwachsenlassen bereitgestellt, bei dem zum Verringern der Versetzungsdichte an der Grenzfläche "erste epitaxiale AlxGa1-XN-Schicht-Substrat" und in anderen Funktionsschichten einer lichtemittierenden Heterostruktur ein α-Langasitsubstrat verwendet wird. Gitterfehlanpassungen zwischen c-Gitterparametern des Substrats und der ersten epitaxialen AlXGa1-XN-Schicht liegen innerhalb des Bereichs von –2,3% bei x = 1 bis +1,7% bei x = 0, und ein Versatz zwischen ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Richtung entlang der c-Achse liegen innerhalb des Bereichs von +46% bei x = 1 bis –15% bei x = 0. So gibt es besondere x-Werte, bei denen es keine Gitterfehlanpassungen zwischen c-Gitterparametern des Substrats und der ersten epitaxialen AlXGa1-XN-Schicht und Versatz zwischen ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Richtung entlang der c-Achse gibt (Tabelle 1).
  • Im Einklang mit dem zweiten Aspekt der Erfindung wird zur Herstellung einer "weißen Heterostruktur mit eingebautem Phosphor" das Langasitsubstrat mit speziellen Störstellen dotiert, um einen Teil der primären dunkelblauen Strahlung der A3N-Heterostrukctur (λMAX = 455 nm) in gelbe Strahlung des Substrats umzuwandeln, daher entspricht die Substratstruktur der Formel La3-x-yCexPryGa5SiO14.
  • Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung werden eine Topologie des Langasitsubstrats und ein Design des Emitterchips bereitgestellt, mit der nur dunkelblaue Heterostrukturstrahlung in das Substrat gerichtet wird, um die Strahlungsleistung zu erhöhen und eine gleichförmige räumliche Farbtemperaturverteilung von weißer Strahlung zu erzielen. Tabelle 1
    Physikalische Eigenschaften Nitride des A3N-Typs Langasit La3Ga5SiO14
    AlN GaN InN Al0.44Ga0.56N
    Kristallstruktur Wurtzit Wurtzit Wurtzit Wurtzit Trigonale Gruppe P321
    Gitterkonstante α, Å (Richtung lotrecht zur c-Achse) 3,112 3,189 3,548 3,155 8,173
    Gitterkonstante α, Å (Richtung parallel zur c-Achse) 4,982 5,185 5,760 5,099 5,099
    Verhältnis der Gitterkonstanten cA3N/CLa3Ga5SiO14 0,977 (–2,3%) 1,017 (+1,7%) 1,130 (+13%) 1,00 (0%) -
    Wärmeausdehnung (Δc/c), K–1 (Richtung parallel zur c-Achse) 5,3 × 10–6 3,17 × 10–6 3,0 × 10–6 4,11 × 10–6 6 3,56 × 10–6
    Wärmeausdehnung (Δα/α), K–1 (Richtung lotrecht zur c-Achse) 4,2 × 10–6 5,59 × 10–6 4,0 × 10–6 4,98 × 10–6 5,11 × 10–6
    Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten (Δc/c)A3N/(Δc/c)La3Ga5SiO14 (Richtung parallel zur c-Achse) 1,49 (+49%) 0,89 (–11%) 0,84 (–16%) 1,15 (+15%) -
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die in der vorliegenden Anmeldung enthaltenen Zeichnungen geben eine ausführliche Beschreibung der Vorteile der Erfindung und tragen zum Verständnis ihres Wesens bei. Gleiche Bezugsziffern kennzeichnen überall entsprechende Teile.
  • 1 ist eine Zeichnung einer polaren lichtemittierenden A3N-Heterostruktur, die mit einem üblichen Epitaxieprototypverfahren [2] aufwachsen gelassen wurde.
  • 2 ist eine Zeichnung einer polaren lichtemittierenden A3N-Heterostruktur, die auf einem Langasitsubstrat aufwachsen gelassen wurde.
  • 3 ist eine schematische Ansicht einer lichtemittierenden Heterostruktur auf einem Langasitsubstrat mit einer zusätzlichen Ce- und Pr-dotierten Langasitschicht, die auf der Oberfläche der A3N-Heterostruktur aufwachsen gelassen wurde.
  • 4 repräsentiert ein Emissionsspektrum, das von der Leuchtdiode auf dem Ce- und Pr-dotierten Langasitsubstrat erzeugt wurde.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt eine typische Leuchtdiodenheterostruktur und sich ändernde Bandabstandsenergie in Heterostrukturschichten entsprechend Prototypen; US-Patent 5,290,393 3/1994, Nakamura; US-Patent 5,993,542 1 1/1999, Yanashima; US-Patent 5,909,036 6/1999 Tanakana. Diese Heterostruktur enthält eine zusätzliche n-InXGa1-XN-Schicht (4), die aufwachsen gelassen wurde, um ein Reißen einer nachfolgenden n-AlGaN (5) Emitterschicht zu verhüten, die vor einer aktiven InXGa1-XN/InYGa1-YN-Multiquantenmuldenschicht (6) aufwachsen gelassen wurde.
  • 2 stellt eine Leuchtdiodenheterostruktur dar, die auf einem Langasitsubstrat aufwachsen gelassen wurde. Ein Profil von sich ändernder Bandabstandsenergie in verschiedenen Heterostrukturschichten ist ebenfalls zu sehen. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Struktur werden in der bereitgestellten Struktur die n-InXGa1-XN-Schicht (4) und die p-GaN-Schicht (8) nicht aufwachsen gelassen. Die p-GaN-Schicht (8) ist eine Wellenleiterschicht, die am wirksamsten in Laserdioden, nicht in Leuchtdioden eingesetzt wird. Zum Aufwachsenlassen einer Leuchtdiodenheterostruktur wird ein Langasitsubstrate (1) mit α-Ebenenorientierung und perfekter Oberflächenbehandlung (Ra < 0,5 nm) in einen Reaktor einer OMVPE-Vorrichtung unter sehr reinen Stickstoffatmosphärenbedingungen geladen. Nach dem Durchblasen des Reaktors mit reinem Stickstoff geht der Wasserstoffdruck im Reaktor auf einen Betriebspegel nahe 70 Torr zurück. Dann wird der Graphitsuszeptor mit dem Substrat auf 1050°C erhitzt. Nach 15-minütigem Erhitzen mit einer Wasserstoffströmungsgeschwindigkeit von 15 l/min wird Ammoniak mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 l/min in den Reaktor geleitet. In diesem Zustand wird der Prozess 5 Minuten lang gehalten. Danach wird die Hochfrequenzheizleistung verringert und innerhalb von 6 Minuten stabilisiert sich die Temperatur des Suszeptors auf einem Wert von 530°C.
  • Dann wird zum Aufwachsenlassen einer GaN-Pufferschicht (2) Trimethylgallium (TMG) als Quellgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 4·10–5 mol/min durch eine separate Injektiondüse 50 Sekunden lang in den Reaktor geleitet. Infolgedessen wächst eine GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von 15 nm. Danach wird die Suszeptortemperatur sehr rasch auf 1030°C erhöht und TMG mit Silan (SiH4) wird als Donatorstörstellenquelle mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 7·10–5 mol/min in den Reaktor geleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit des TMG + SiH4 Gasgemischs wird experimentell so gewählt, dass die GaN-Schicht ein Dotierungsniveau von etwa 2·1018 cm–3 erhält. Die GaN-Schicht (3) mit einer Dicke von etwa 3,2 Mikron wächst 35 Minuten lang. Dann wird das Trimethylaluminium (TMAl) als Quellgas zugeführt und seine Strömungsgeschwindigkeit nimmt über 5 Minuten linear von 0 auf 1·10–5 mol/min zu. Infolgedessen wächst die n-AlXGa1-XN (x < 0.15) (5) Schicht auf eine Dicke von 0,5 Mikron und mit einem Aluminiumgehaltsgradienten. Danach wird die Zufuhr von TMG, TMAl und SiHU gestoppt, die Suszeptortemperatur wird über 5 Minuten sehr rasch auf 860°C gesenkt. Jetzt wird die Zufuhr von TMG und Trimethylindium (TMI) eingeschaltet und das Wachstum von InxGa1·xN/InyGa1-yN-Schichten (6), die eine Mehrquantenmuldenstruktur bilden, erfolgt durch periodisches Schalten der TMI-Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 7·10–6 mol/min und 3·10–5 mol/min. Die Dauer der TMI-Zufuhr mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit dauert 3 Sekunden, die mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit 16 Sekunden. Dann steigt die Suszeptortemperatur über 5 Minuten auf 1030°C und TMG + TMAL werden wieder in den Reaktor eingeleitet. Während des Wachstums der AlGaN (9) und GaN (10) Schichten wird Bis(byclopentadienyl)magnesium (Cp2Mg) als Akzeptorstörstellenquelle in den Reaktor geleitet. Die Cp2Mg-Strömungsgeschwindigkeit muss hoch genug sein, damit eine Akzeptorkonzentration in der Größenordnung von 3·1018 cm–3 erzielt wird, um einen niedrigen spezifischen Widerstand der p-GaN-Kontaktschicht (10) zu erzielen.
  • 3 zeigt ein Design eines Emitters für eine Weißlicht emittierende Diode. Der Emitter hat eine Heterostruktur, die im dunkelblauen Teil des Spektrums strahlt und deren Schicht (2)–(10) erfindungsgemäß durch selektive OMVPE-Epitaxie auf einem α-Langasitsubstrat aufwachsen gelassen werden. Die Langasit-Zusammensetzung wird durch die Formel La3-x-yCexPryGa5SiO14 beschrieben. Das Substrat weist speziell vorbereitete Aussparungen in dem Substrat für eine selektive Heterostrukturepitaxie auf. Vor dem letzten Vorgang des Vereinzelns eines Wafers zu Chips werden einige technische Operationen durchgeführt: Fotolithografie, Entfernen der Schichten (6), (9) und (10) von einem Teil der selektiv aufwachsen gelassenen Heterostruktur durch Ätzen, Absetzen der Reflexionsbeschichtung (11) bestehend aus dünnen Nickel- und Goldschichten und Absetzen der ohmschen Kontaktschicht (12) bestehend aus der Zinn-Gold-Legierung, die für die spätere Montage des Emitters auf der Basis einer Leuchtdiode benötigt wird. Die Absorption der dunkelblauen Strahlung der Heterostruktur erregt gelbe Photolumineszenz im Substrat, verursacht durch das Vorliegen von Ce und Pr im Langasit. Eine wirksame Umwandlung eines Teils der dunkelblauen Strahlung in Gelb erfolgt in Abwesenheit einer Luftzwischenschicht zwischen der selektiv aufwachsen gelassenen Heterostruktur und dem Langasit darum herum aus allen Richtungen. Infolgedessen erzeugt der Emitter aufgrund des Gemischs aus dunkelblauer und gelber Strahlung Weißlicht.
  • 4 stellt ein typisches Design einer Weißlicht emittierenden Diode (Prototyp) dar, in der ein dunkelblauer Farbemitter (13) verwendet wird, der mit gewöhnlichem Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (14) bedeckt ist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • A3N-Heterostrukturen auf α-Ebenen-Langasitsubstraten, die mit dem in der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren aufwachsen gelassen wurden, haben eine geringere Defektdichte als Strukturen, die mit üblichen Methoden aufwachsen gelassen wurden, und haben keine Mikrorisse. Die Versetzungsdichte in Heterostrukturen von 2 kann Werte von weniger als 5·107 cm–2 haben. Emitter haben eine weiße Lichtfarbe mit den Farbmaßzahlen X = 0.31, Y = 0.31.
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    • [2] US N⍛ 5998925 , 07. 12. 1999.
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    • [4] Sh. Nakamura, Growth and device strategies for AlGaN-based UV emitters, UCSB, 2004.
  • Zusammenfassung
  • Verfahren zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren epitaxialen Heterostrukturen für weiße Emissionen erzeugende Leuchtdioden und Laser auf der Basis von Verbindungen und Legierungen im AlGaInN-System, das den Schritt der Dampfphasenabscheidung von einer oder mehreren Heterostrukturschichten beinhaltet, die durch die Formel AlXGa1-xN(0 < x < 1) beschrieben werden, wobei der Schritt des Aufwachsenlassens von A3N-Strukturen unter Verwendung von (a)-Langasit (LasGa5SiO14)-Substraten zwecks Reduzierens der Dichte von Defekten und mechanischen Spannungen in Heterostrukturen angewendet wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • - US 5998925 [0037]
    • - US 03/11177 [0037]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Sh. Nakamura, Growth and device strategies for AlGaN-based UV emitters, UCSB, 2004 [0037]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren epitaxialen Heterostrukturen für weiße Emissionen erzeugende Leuchtdioden und Laser auf der Basis von Verbindungen und Legierungen im AlGaInN-System, das den Schritt der Dampfphasenabscheidung von einer oder mehreren Heterostrukturschichten beinhaltet, die durch die Formel AlxGa1-xN(0 < x < 1) beschrieben werden, wobei der Schritt des Aufwachsenlassens von A3N-Strukturen unter Verwendung von (a)-Langasit (La5Ga5SiO14)-Substraten zwecks Reduzierens der Dichte von Defekten und mechanischen Spannungen in Heterostrukturen angewendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Substrate zum Aufwachsenlassen von A3N-Strukturen La3-x-yCexPryGa5SiO14 (x = 0,1 ÷ 3%, y = 0,01 ÷ 1%) Langasitsubstrate verwendet werden, so dass ein Teil von dunkelblauer Strahlung der Heterostruktur in eine gelbe Photolumineszenz des Substrates umgewandelt werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Substrate zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren A3N-Strukturen für monochromatische grüne und ultraviolette Strahlungsbauelemente α-Ebenen-Langasitsubstrate verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Substrate zum Aufwachsenlassen von nichtpolaren A3N-Strukturen zum Umwandeln von ultravioletter Strahlung in sichtbare Strahlung, inklusive Weißlicht, mit geeigneten Phosphoren dotierte a-Ebenen-Langasit-(La3Ga5SiO14)-Substrate verwendet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Langasitsubstrats maximal 80 Mikron beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ce-dotierte und Pr-dotierte Langasitpufferschichten, abgesetzt auf die Materialien der Gruppe bestehend aus beliebigen von Si, Al2O3, Ge oder ähnlichen Werkstoffen, als Substrate verwendet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf den Schritt des Aufwachsenlassens von A3N-Strukturen der Schritt des Aufwachsenlassens einer zusätzlichen Phosphor-Langasit-Schicht auf der Oberfläche von A3N folgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke der aufwachsen gelassenen Langasitschicht maximal 3 Mikron beträgt.
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