DE112014002691T5 - Anregungsbereich, der Nanopunkte (auch als "Quantenpunkte" bezeichnet) in einem Matrixkristall umfasst, der auf Si-Substrat gezüchtet wurde und aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≧ 0, x > 0) mit Zinkblendestruktur (auch als "kubisch" bezeichnet) besteht, und lichtemittierende Vorrichtung (LED und LD), die unter Verwendung desselben erhalten wurde - Google Patents

Anregungsbereich, der Nanopunkte (auch als "Quantenpunkte" bezeichnet) in einem Matrixkristall umfasst, der auf Si-Substrat gezüchtet wurde und aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≧ 0, x > 0) mit Zinkblendestruktur (auch als "kubisch" bezeichnet) besteht, und lichtemittierende Vorrichtung (LED und LD), die unter Verwendung desselben erhalten wurde Download PDF

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Abstract

[Problem] Bereitstellen der Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung (LED) hoher Leuchtdichte oder LD hoher Leuchtdichte. [Lösung] Die vorliegende Erfindung stellt eine LED bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie sowohl AlyInxGazN-Kristalle (y ≥ 0, x > 0) als Matrixkristalle, die eine Zinkblende-Kristallstruktur beibehalten, als auch In-Punkte, die eine höhere In-Konzentration als die AlyInxGazN-Kristalle (y ≥ 0, x > 0) als Matrixkristalle aufweisen, umfasst, wobei die Matrixkristalle und die In-Punkte über eine auf einem Si-Substrat gebildete Zinkblende-BP-Kristallstruktur angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anregungsbereich, der einen Basiskristall, welcher einen auf ein Si-Substrat aufgewachsenen AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps (auch als „kubischer Kristall” bezeichnet) umfasst, Quantenpunkte (auch als „Quantenpunkte” bezeichnet) aufweist, sowie eine lichtemittierende Vorrichtung (LED und LD), die diesen verwendet.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • GaN-Kristalle sind als kurzwellige Lichtemittierende Vorrichtungen bekannt. In der Regel werden GaN-Kristalle gebildet, indem auf ein Saphirsubstrat eine Pufferschicht epitaktisch aufgewachsen wird. Könnte jedoch das epitaktische Wachstum auf einem Si-Substrat erfolgen, wäre eine komplexe Vorrichtung aus Leuchtvorrichtung und integrierter Halbleiterschaltung möglich.
  • GaN-Kristalle liegen in zwei verschiedenen Kristallstrukturen vor, nämlich einer Wurtzitstruktur, die ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften aufweist, und einer Sphaleritstruktur, die praktisch keine piezoelektrische Eigenschaften aufweist und deren Emissionseigenschaften, Datenübertragungsfunktion und Datenverarbeitungsfunktion ausgezeichnet sind. Bezüglich der Unterschiede in der Kristallstruktur und der Veränderung der Eigenschaften liefert derzeit das Dokument 1 des Stands der Technik detaillierte Ergebnisse.
  • Die Wurtzitstruktur ist im Allgemeinen eine stabile Kristallstruktur. Bei den Kristallen des metastabilen Sphalerittyps hingegen wird eine gute Rekombination der Ladungsträger gefördert, weshalb ihre Lichtausbeute wesentlich höher ist. Daher besteht hoher Bedarf an Kristallen mit Sphaleritstruktur als Material für Leuchtelemente. Die Sphaleritstruktur ist dabei die gleiche wie bei GaAs-Kristallen und Si-Kristallen.
  • Zu Quantenpunkten wurden zahlreiche Forschungsaufsätze veröffentlicht, wie die später aufgeführten Dokumente des Stands der Technik 2 bis 4 zeigen.
  • Beim vermischten Wachsen von Ga und In hängt es vom Verhältnis der Ga- und der In-Konzentration ab, ob eine Mischkristallbildung stattfindet. Der Bereich ohne Mischkristallbildung wird hier als Mischungslücke bezeichnet. Insbesondere wenn das Kristallwachstum bei niedriger Temperatur erfolgt oder am Substratkristall eine starke Verzerrung zurückbleibt, zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Bildung einer Mischungslücke vom Konzentrationsverhältnis von Ga und In. Die meisten Dokumente des Stands der Technik beschreiben bezüglich des vermischten Wachsens von Ga und In das Zuführen eines Gases an die Mischungslücke.
  • Bei einer Wachstumstemperatur von bis zu 700°C und einer In-Konzentration von mindestens 90% wächst allerdings ein homogener Kristall heran, der große Mengen des Elements In enthält. In diesem Bereich kann als aktive Schicht ein Quantentopf (QW-Struktur) erzeugt werden. Allerdings beziehen sich die Versuchsergebnisse im Großteil der Literatur auf Wurtzitkristalle. Solche zu kubischen Kristallen (Kristallen des Sphalerittyps) dagegen fehlen vollständig, und es wurde bislang kein kubischer Kristall gewonnen, der sich technisch bewerten ließe.
  • Dokumente des Stands der Technik
  • Patentdokumente
    • Dokument des Stands der Technik 1: Journal of Applied Physics (3675) Bd. 94, Nr. 6, I. Vurgaftman und J. R. Meyer, „Band parameters for nitrogen-containing semiconductors”
    • Dokument des Stands der Technik 2: Journal of Crystal Growth, 255 (2003) 68–80, N. N. Ledentsov und D. Bimberg, „Growth of self-organized quantum dots for Optoelectronics applications: nanostructures, nanoepitaxy, defect engineering”
    • Dokument des Stands der Technik 3: Applied Physics letters 89, 161919 (2006) P. Rinke et al., „Band gap and band parameters of InN and GaN from quasiparticle energy calculations based on exact-exchange density-functional theory”
    • Dokument des Stands der Technik 4: Physics Status Solidi C6, Nr. 52, S561–S564 (2009)/DOI 10.1002/pssc. 2008801913; Christian Tessarek et al., „Improved capping layer growth towards increased stability of InGaN quantum dots”
    • Dokument des Stands der Technik 5: I. Ho und G. B. Stringfellow, Appl. Phys. Lett. 69, 2701 (1996)
    • Dokument des Stands der Technik 6: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 2011-523206
    • Dokument des Stands der Technik 7: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-3803
    • Dokument des Stands der Technik 8: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-44539
    • Dokument des Stands der Technik 9: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-245491
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung
  • Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine Struktur für eine LED mit hoher Lichtstärke oder LD mit hoher Lichtstärke bereitzustellen, wobei auf einem Si-Substrat über einen BP-Kristall, der ein Zwischenkristall ist, ein Kristall des GaN-Typs des Sphalerittyps gebildet wird.
  • Insbesondere wird eine lichtemittierende Vorrichtung mit hoher Lichtstärke bereitgestellt, die eine Quantenpunktstruktur mit einer hohen Konzentration von In-Atomen mit kleiner Bandlücke aufweist, wobei ein kristallwachstumstechnisch schwieriger Kristall mit Sphaleritstruktur als Basiskristall dient.
  • Mittel zum Lösen der Aufgabe
  • Als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in der vorliegenden Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung bereitgestellt, gekennzeichnet durch In-Punkte, deren In-Konzentration höher ist als die eines AlyInxGazN-Kristalls (y ≥ 0, x > 0), der ein Basiskristall ist, welcher auf einer BP-Kristallschicht, die auf einem Si-Substrat gebildet ist, eine Kristallstruktur des Sphalerittyps beibehält, und eines AlyInxGa1-y-xN-Kristalls (y ≥ 0, x > 0), der ein Basiskristall ist.
  • Vorzugsweise liegt der Wert x von Quantenpunkten aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,9.
  • Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) 100 nm oder weniger.
  • Vorzugsweise beträgt die Dichte der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) 103/cm2 bis 104/cm2.
  • Als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Leuchtvorrichtung der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: ein Kristallsubstrat, das ein Si-Substrat ist und von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich von 5 bis 10 Grad geneigt verarbeitet ist, eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Kristallsubstrat gebildet ist, einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist, und einen Anregungsbereich, der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) mit einer In-Konzentration aufweist, die höher ist als die des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildet ist, und eines AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der im Inneren des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps gebildet ist.
  • Vorzugsweise ist dem GaN-Kristall des n-Typs Silizium als Verunreinigung zugesetzt.
  • Vorzugsweise beträgt die Konzentration des dem GaN-Kristall des n-Typs zugesetzten Siliziums zwischen 5 × 1018 pro cm3 und 5 × 1020 pro cm3.
  • Als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die lichtemittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Folgendes auf: ein Kristallsubstrat, das ein Si-Substrat ist und in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich von 5 bis 10 Grad und von der Ebene (100) zur Ebene (111) in einem Bereich von 5 bis 10 Grad geneigt verarbeitet ist, eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Kristallsubstrat gebildet ist, einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist, und einen Anregungsbereich, der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) mit einer In-Konzentration aufweist, die höher ist als die des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildet ist, und eines AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der im Inneren des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps gebildet ist.
  • Als weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die lichtemittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: ein Si-Substrat, eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Si-Substrat gebildet ist, einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist, und einen Anregungsbereich, der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) aufweist, deren In-Konzentration höher ist als die des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildet ist, und eines AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps gebildet ist, wobei vorzugsweise die Oberfläche des Anregungsbereichs durch unvollständig kristallisiertes amorphes InxGa1-xN geglättet ist, indem die Zwischenräume zwischen den Quantenpunktem aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) ausgefüllt werden.
  • Vorzugsweise ist die In-Konzentration des unvollständig kristallisierten amorphen InxGa1-xN geringer als die In-Konzentration der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0).
  • Als weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: ein Si-Substrat, eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Si-Substrat gebildet ist, einen Ga-N-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist, und einen Anregungsbereich, der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) aufweist, deren In-Konzentration höher ist als die des AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildet ist, und eines AlyInxGa1-y-xN-Basiskristalls (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, der auf dem AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps gebildet ist, wobei vorzugsweise vordere Randbereiche der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) nicht in den AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps eingebettet sind.
  • Wirkung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Leuchtvorrichtung mit hoher Lichtstärke bereitgestellt werden, die eine Quantenpunktstruktur mit einer hohen Konzentration von In-Atomen mit kleiner Bandlücke aufweist, wobei ein kristallwachstumstechnisch schwieriger Kristall mit Sphaleritstruktur als Basiskristall dient.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus einer lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Tabelle mit einer Übersicht über den in mehreren Versuchen ermittelten Punktdurchmesser von In-Punkten 6, die Punktdichte und das Verhältniss zwischen der In-Konzentration und GaN-Konzentration bei InxGa1-xN als Basiskristall im Falle eines Gasdrucks von 500 mbar;
  • 3 eine Tabelle mit einer Übersicht über den in mehreren Versuchen ermittelten Punktdurchmesser von In-Punkten 6, die Punktdichte und das Verhältniss zwischen der In-Konzentration und GaN-Konzentration bei InxGa1-xN als Basiskristall im Falle eines Gasdrucks von 800 mbar;
  • 4 eine Ansicht von In-Punkten, die unter Verwendung eines in einer Richtung geneigten Impfsubstrat auf einem Knick einer Stufe aufgewachsen wurden; und
  • 5 eine Ansicht, die für den Fall von in mehrere Richtungen geneigten Impfsubstrat zeigt, dass die In-Punkte sich am Schnittpunkt von Stufen sammeln, wodurch ein punktförmiger 0-dimensionaler Anregungsbereich gebildet wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden sollen verschiedene Beispiele zum Ausführen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann unter Abwandlung der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. Die Angabe „auf ...” in der vorliegenden Beschreibung umfasst sowohl die Bedeutung „unmittelbar auf ...” als auch die Bedeutung „auf ... unter Einbeziehung mehrerer Schichten”.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus einer lichtemittierende Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Si-Substrat zum Aufwachsen eines GaN-Halbleiterkristalls. Als Substrat zum Aufwachsen eines GaN-Halbleiterkristalls können verschiedene Substrate verwendet werden, etwa ein Saphirsubstrat, ein Siliziumcarbidsubstrat, ein Galliumnitridsubstrat, ein Aluminiumnitridsubstrat oder dergleichen. Wird aber ein Si-Substrat als Impfsubstrat verwendet, ermöglicht dies eine Kombinationsvorrichtung aus Leuchtvorrichtung und integrierter Halbleiterschaltung.
  • Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Pufferschicht, die BP-Kristalle aufweist. Wenn die Pufferschicht aus BP-Kristall aufgebaut ist, können die darauf aufgewachsenen GaN-Kristalle Kristalle des Sphalerittyps sein.
  • Bezugszeichen 3 bezeichnet einen mit Si dotierten GaN-Kristall des n-Typs. Da die Pufferschicht aus BP-Kristallen besteht, handelt es sich bei dem GaN-Kristall des n-Typs 3 um einen Kristall mit Sphaleritstruktur. Auf dem GaN-Kristall des n-Typs 3 ist eine n-Elektrode (Bezugszeichen 9) vorgesehen. Bezugszeichen 4 und Bezugszeichen 7 bezeichnen einen AlyGa1-yN-Kristall. Auch der AlyGa1-yN-Kristall ist ein Kristall mit Sphaleritstruktur. Die AlyGa1-yN-Kristalle 4 und 5 sind Schichten, zwischen denen der im Folgenden beschriebener Anregungsbereich angeordnet ist. Indem die Schichten, zwischen denen der Anregungsbereich angeordnet ist, Al enthalten, kann die Bandlücke der Schichten, zwischen denen der Anregungsbereich angeordnet ist, ausreichend größer als der Anregungsbereich gebildet werden. Allerdings kann der AlyGa1-yN-Kristall 4 auch wegfallen. Die Bewegungsmenge eines Defektelektrons ist im Vergleich zu einem Elektron gering. Wenn der AlyGa1-yN-Kristall 4, der die Rolle eines Stoppers des Defektelektrons ausübt, wegfällt, ergibt sich daher keine starke Auswirkung auf die Lichtausbeute.
  • Bezugszeichen 5 bezeichnet AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps, das ein Basiskristall ist, und Bezugszeichen 6 bezeichnet Quantenpunkte (im Folgenden „In-Punkte”) aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0), die innerhalb des Basiskristalls gebildet sind. Auf dem Unterseite des Basiskristalls 5 sind also In-Punkte 6 gebildet, und auch die Zwischenräume zwischen den In-Punkten 6 sind vollständig mit dem Basiskristall 5 gefüllt. Die In-Punkte 6 bilden den erfindungsgemäßen Anregungsbereich. Die In-Punkte 6 enthalten In, das höher konzentriert ist als das im AlyInxGazN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) enthaltene In. Die In-Punkte 6 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von bis zu 100 nm auf. Durch einen Durchmesser von bis zu 100 nm ist eine wirkungsvolle Stromkonzentration möglich. Um außerdem einen Quanteneffekt zu erzielen, ist der Durchmesser der In-Punkte 6 vorzugsweise auf 25 nm oder weniger festgelegt.
  • Die Dichte der In-Punkte 6 beträgt vorzugsweise zwischen 103/cm2 und 104/cm2. Indem die Dichte der In-Punkte 6 derart festgelegt wird, ergibt sich eine Stromdichte, die das Erlangen einer hohen Lichtausbeute ermöglicht.
  • Durch Anpassen der In-Konzentration der In-Punkte 6 kann zudem die abgestrahlte Wellenlänge gesteuert werden. Durch Verändern des Wertes x von AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) von 0,15 auf 0,9 kann die Wellenlänge beispielsweise von 450 nm auf 850 nm gesteuert werden.
  • Bezugszeichen 8 bezeichnet einen GaN-Kristall des p-Typs. Um den GaN-Kristall zu einem p-Kristall zu machen, wird beispielsweise Mg zugesetzt. Obwohl nicht dargestellt, ist auf dem GaN-Kristall 8 des p-Typs beispielsweise über eine Stromdiffusionsschicht eine p-Elektrode gebildet.
  • Als nächstes soll ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
  • Für das Kristallwachstum wird stets das MOCVD-Verfahren angewandt. Als Impfsubstrat zum Aufwachsen der GaN-Kristalle wird ein Si-Substrat 1 vorbereitet, auf dessen Oberfläche als Pufferschicht 2 BP-Kristalle epitaktisch aufgewachsen werden. Bei dem Si-Substrat handelt es sich genauer um ein mit P (Phosphor) dotiertes Si-Substrat des n-Typs. Für das epitaktische Wachstum der BP-Kristalle wird als Ausgangsgas beispielsweise ein Mischgas aus PCl3 (Phosphortrichlorid) und BCL3 (Bortrichlorid) und als Trägergas H2 verwendet. Als weiteres Beispiel für Ausgangsgase lässt sich ein Gasgemisch aus PH3 (Monophosphan) und B2H6 (Diboran) nennen.
  • Durch Verwendung von BP-Kristall als Pufferschicht werden alle darauf aufgewachsenen GaN-Kristalle zu einer Sphaleritstrukturen. Die BP-Kristalldicke beträgt unter Berücksichtigung der Einbringung von Kristallbaufehlern (Versetzungen) vorzugsweise mindestens 100 nm und nach Möglichkeit 150 nm oder mehr. Obwohl in 1 nicht dargestellt, wird auf der Pufferschicht aus BP-Kristall vorzugsweise mithilfe von (C2H5)3In(Indiumtrimethyl)-Gas eine In-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) aufgebracht, auf der dann der GaN-Kristall aufgewachsen wird. Durch Anordnen der In-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) zwischen der Pufferschicht aus BP-Kristall und dem GaN-Kristall wird der GaN-Kristall zu einer guten Sphaleritstruktur. Die dünne In-Schicht in der Größenordnung von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) auf der Pufferschicht aus BP-Kristall hält eine Kristallstruktur des Sphalerittyps aufrecht.
  • Wenn auf der In-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) ein GaN-Kristall aufgewachsen wird, ist diese in Form von In-Flecken erkennbar.
  • Der Grund, weshalb sich ein guter Sphalerit mit einer geringen Versetzung im GaN-Kristall ergibt, wenn auf der Pufferschicht aus BP-Kristall außerdem die In-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) aufgebracht wird, ist nicht vollständig geklärt. Allerdings beträgt die Gitterkonstante des BP-Kristalls etwa 0,454 nm und die Gitterkonstante des GaN-Kristalls etwa 0,451 nm. Da mit zunehmendem Anteil von In in InGaN-Kristallen die Gitterkonstante zunimmt, wird angenommen, dass die im vorstehenden Aufwachsverfahren eingebrachte In-Schicht zusammen mit der darüber liegenden GaN-Schicht Ungleichgewichte in den Gitterkonstanten aufhebt, indem im Hinblick auf die Wirkungsweise InGaN mit einem vergleichsweise hohen In-Gehalt vorliegt.
  • Wenn also anstelle der In-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 Atom (etwa 0,5 nm) eine InGaN-Mischschicht mit einer Dicke von 1 bis mehreren Atomen (0,5 bis 2 nm) und einem vergleichsweise hohen In-Gehalt oder eine InAl-Mischschicht mit einer Dicke von 1 Atom (etwa 0,5 nm) und einem vergleichsweise hohen In-Gehalt verwendet wird, lässt sich die gleiche Wirkung erzielen.
  • Wird eine InGaN-Mischschicht mit einer Dicke von 1 bis mehreren Atomen (0,5 bis 2 nm) und einem vergleichsweise hohen In-Gehalt aufgebracht, so wird ein Mischgas aus CH3-NH-NH2 (Monomethylhydrazin), (C2H5)3Ga (Trimethylgallium) und (C2H5)3In (Indiumtrimethyl) verwendet. Die Dicke der InGaN-Schicht beträgt vorzugsweise 1 bis mehrere Atome (0,5 bis 2 nm). Da die InGaN-Schicht dünn ist, kann eine Kristallstruktur des Sphalerittyps aufrechterhalten werden.
  • Wenn eine InAl-Mischschicht mit einer Dicke von 1 Atom (etwa 0,5 nm) und einem vergleichsweise hohen In-Gehalt aufgebracht wird, wird ein Mischgas aus (C2H5)3In (Indiumtrimethyl) und (C2H5)3Al (Trimethylaluminium) verwendet. Die Dicke der InAl-Schicht beträgt vorzugsweise 1 bis mehrere Atome (0,5 bis 2 nm). Da die InAl-Schicht dünn ist, kann eine Kristallstruktur des Sphalerittyps aufrechterhalten werden.
  • Als Schicht zwischen der Pufferschicht aus BP-Kristall und dem GaN-Kristalle kann auch eine insgesamt 14 nm dicke Übergitterschicht unter Aufrechterhaltung des Sphalerittyps gebildet werden, die eine Stapelstruktur von GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN umfasst. Als Herstellungsverfahren wird (1) ein Mischgas aus CH3-NH-NH2 (Monomethylhydrazin), (C2H5)3Ga (Trimethylgallium) und (C2H5)3In (Indiumtrimethyl) verwendet und eine 1,4 nm dicke InGaN-Schicht gebildet und (2) mithilfe eines Mischgases aus CH3-NH-NH2 (Monomethylhydrazin) und (C2H5)3Ga (Trimethylgallium) eine 1,4 nm dicke GaN-Schicht gebildet. Indem die Schritte (1) und (2) viermal wiederholt werden, wird auf der Pufferschicht aus BP-Kristall eine insgesamt 14 nm dicke Übergitterschicht unter Aufrechterhaltung des Sphalerittyps gebildet, die eine Laminierungsstruktur von GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN/GaInN/GaN umfasst.
  • Als Stickstoffquelle wurde in der vorstehenden Ausführungsform CH3-NH-NH2 (Monomethylhydrazin) verwendet, doch kann auch DMHy (Dimethylhydrazin) verwendet werden.
  • Auf dem BP-Kristall wird der GaN-Kristall des n-Typs 3 gebildet. Als Ausgangsgas für GaN werden beispielsweise Trimethylgallium (Ga(CH3)3, TMG) und Stickstofftrihydrid (NH3) verwendet. Als Verunreinigung des n-Typs erfolgt eine Dotierung mit Si. Der GaN-Kristall des n-Typs 3 hat eine Sphaleritstruktur.
  • Auf den GaN-Kristall des n-Typs 3 wird ein AlyGa1-yN-Kristall 4 aufgewachsen. Als Ausgangsgas für den AlyGa1-yN-Kristall 4 werden beispielsweise Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA, (CH3)3Al) und Biscyclopentadienylmagnesium(Cp2Mg)-Stickstofftrihydrid (NH3) verwendet. Als Trägergas, das die Ausgangsstoffe transportiert, wird beispielsweise H2 verwendet.
  • Auf dem AlyGa1-yN-Kristall 4 werden ein AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall 5 (y ≥ 0, x > 0) und In-Punkte 6 gebildet, deren In-Konzentration höher als die des Basiskristalls 5 ist. Der Basiskristall 5 ist ein Kristall mit Sphaleritstruktur. Der Wert x für AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) kann in einem Bereich zwischen 0,01 und 0,9 festgelegt werden. Wenn das abgegebene Licht grün sein soll, erfolgt die Ausgangsmaterialzuführung vorzugsweise derart, dass er 0,4 betragt. Wenn das abgegebene Licht blau sein soll, erfolgt die Ausgangsmaterialzuführung vorzugsweise derart, dass er zwischen 0,3 und 0,35 beträgt.
  • Als nächstes soll das Verfahren zum Bilden der In-Punkte 6 beschrieben werden. Um den Schluss vorwegzunehmen, hat der Erfinder in Versuchen entdeckt, dass eine Steuerung der In-Konzentration der In-Punkte 6, des Punktdurchmessers und der Punktdichte durch eine Steuerung der Aufwachstemperatur, der Zuführmenge des In-Ausgangsgases und deren Gasdrucks möglich ist.
  • Beispielsweise wird die Aufwachstemperatur des InxGa1-xN-Kristalls auf 700C eingestellt. Die Ausgangsmaterialkonzentration wirdderart festgelegt, dass die In-Konzentration x 0,40 beträgt. Als Aufwachsatmosphärengas wird Stickstoffgas verwendet. Die In-Punkte 6, die ein Bereich mit hoher In-Konzentration sind, werden derart aufgewachsen, dass unmittelbar nach dem Aufwachsen als In-Punktkern eine Dichte von etwa 109/cm2 vorliegt. Der Durchmesser liegt in einem Bereich zwischen 10 nm und 50 nm. Eine Dichte der In-Punkte 6 von 109/cm2 ist zu hoch. Daher wird als nächstes bei gleicher In-Ausgangsgasmenge die Substrattemperatur auf 800°C erhöht. Unter diesen Bedingungen wird die Trennung zwischen Bereichen mit übermäßigem In-Gehalt (im Folgenden „In-Überschussbereich”) und Bereichen mit geringem In-Gehalt (im Folgenden „In-Reduzierter Bereich”) weiter vergrößert. Außerdem kommt es zu einer Verschmelzung der In-Punkte 6 usw. In-Punkte 6 mit vergleichsweise großem Durchmesser wachsen, während In-Punkte 6 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser von den In-Punkten 6 mit vergleichsweise großem Durchmesser absorbiert werden.
  • Anschließend beträgt die Dichte der In-Punkte 6 etwa 104/cm2. 104/cm2 bedeutet eine Stromdichte, bei der eine hohe Lichtausbeute erlangt werden kann. Damit ist der die In-Punkte 6 aufweisende optische Anregungsbereich fertiggestellt. Zum Erreichen der gewünschten optischen Wellenlänge kann zur Steuerung der In-Konzentration in den In-Punkten 6 die Konzentration des Atmosphärengases verändert werden. Die Menge des zugeführten TMI-Gases (Indiumtrimethylgases) oder DMI-Gases (Dimethylindiumgases) wird verändert. Wird die Durchflussmenge [Partialdruck] von TMI(Indiumtrimethyl)-Gas im Stickstoffgas erhöht, erhöht sich nämlich tendenziell auch die In-Konzentration in den In-Punkten. Außerdem kann dem Stickstoffgas beispielsweise Wasserstoffgas beigemischt werden. Bereits das Zusetzen einer Wasserstoffgasmenge von 5% zu dem Stickstoffgas senkt die In-Konzentration im Kristall. Der Grund dafür ist, dass unter Bedingungen mit hoher Substrattemperatur (beispielsweise 700C oder mehr) die Löslichkeit der In-Atome im Wasserstoffgas hoch ist. Indem unter Bedingungen mit hoher Substrattemperatur (beispielsweise 700C oder mehr) bei konstanten Temperatur- und Druckbedingungen dem Stickstoffgas Wasserstoffgas beigemischt wird, wird somit die In-Konzentration in den In-Punkten 6 gesenkt. Indem die Konzentration des Atmosphärengases in dieser Weise verändert wird, kann die In-Konzentration in den In-Punkten 6 gesenkt werden. Durch Regulieren der In-Konzentration in den In-Punkten 6 lässt sich die Wellenlänge der LED mit hoher Lichtstärke auf eine dem Ultraviolettlicht entsprechende Wellenlänge von 250 nm bis 420 nm steuern. Der InxGa1-xN-Basiskristall wächst unabhängig vom Wert x unter Beibehaltung der Sphaleritstruktur.
  • Wird der Wert x von InxGa1-xN auf 0,2 oder weniger festgelegt, ist die Trennung zwischen In-Reduzierter Bereich und In-Überschussbereich nicht einfach. In diesem Fall kann nach dem Aufwachsen des InxGa1-xN-Kristalls etwa 15 Minuten lang eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, wobei die Substrattemperatur von etwa 800C auf etwa 650°C gesenkt wird. Dies bewirkt eine Trennung von In-Überschussbereich und In-Reduzierter Bereich. Auch die Durchführung wenigstens einer Wärmebehandlung mit Temperatursenkung bewirkt eine Trennung von In-Überschussbereich und In-Reduzierter Bereich. Auch wenn die Wärmebehandlung mit Senkung der Substrattemperatur während des Kristallschichtwachstums durchgeführt wird, wird im Wesentlichen die gleiche Wirkung erlangt. Wenn also das InxGa1-xN bei 700C aufgewachsen wird, wird die Substrattemperatur auf 650°C oder weniger gesenkt. Durch diese Temperatursenkung findet eine Trennung von In-Überschussbereich und In-Reduzierter Bereich statt, wodurch ein Wachstum des In-Überschussbereichs ermöglicht wird.
  • Wird beim Aufwachsen des InxGa1-xN-Kristalls ein derartiger Aufwachsversuch unternommen, dass x = 0,2 wird, kann während des Aufwachsens des InxGa1-xN-Kristalls die Zuführmenge des TMI-Gass erhöht und eine Regulierung der Zusammensetzung vorgenommen werden, die eine leichtere Trennung des In-Überschussbereichs und des In-Reduzierter Bereichs des gewachsenen Kristalls bewirkt. Wird beispielsweise die Gaszuführmenge 10 Minuten lang derart verändert, dass der Wert x für die TMI-Menge etwa 0,5 beträgt, findet eine Trennung des In-Überschussbereichs und des In-Reduzierter Bereichs statt.
  • Indem auf diese Weise eine Wärmebehandlung mit Temperatursenkung während des Wachstumsprozesses, eine Wärmebehandlung mit Temperatursenkung nach dem Wachstumsprozess oder eine Veränderung der Zufuhrgasmenge durchgeführt wird, können die In-Konzentration der In-Punkte 6, der Punktdurchmesser und die Punktdichte gesteuert werden. Es ist auch eine Kombination der Wärmebehandlung mit Temperatursenkung während des Wachstumsprozesses und der Veränderung der Zufuhrgasmenge oder eine Kombination der Wärmebehandlung mit Temperatursenkung nach dem Wachstumsprozess und der Veränderung der Zufuhrgasmenge möglich, um die In-Konzentration der In-Punkte 6, den Punktdurchmesser und die Punktdichte zu steuern.
  • Tabelle 1 aus 2 und Tabelle 2 aus 3 sind Übersichtstabellen zu den in mehreren Versuchen ermittelten Punktdurchmesser, Punktdichte und dem Verhältniss zwichen In-Konzentration und GaN-Konzentration bei In-Punkten 6 mit InxGa1-xN als Basiskristall, die in Beziehung zur Temperatur und Gasdruck beim Aufwachsen gesetzt werden. In diesen Tabellen ist die Zuführmenge des Ausgangsgases konstant. Die Dichte der In-Punkte 6 ist bei einem Irreführend von 800 mbar höher als bei 500 mbar. Wenn die Aufwachstemperatur zwischen 550°C und 600°C beträgt, sind die In-Punkte 6 fadenförmig und strecken sich und neigen dazu, sich nach oben zu strecken. Zwischen 650C und 700°C sind sie punktförmig. Da In bei 750C oder mehr flüssig wird, wird die Form bei dieser Temperatur unbeständig, so dass der Durchmesser der In-Punkte 6 nicht gemessen werden konnte.
  • Aus Tabelle 1 aus 2 und Tabelle 2 aus 3 geht hervor, dass die Dichte der In-Punkte 6 mit steigendem Irreführend zunimmt.
  • Auch bei einem nach Al Zugabe entstandenem AlyInxGa1-y-xN Basiskristall ist es möglich, die In-Konzentration der In-Punkte 6, Punktdurchmesser und Punktdichte zu steuern. Bei Al-haltigen In-Punkten 6 mit einem AlzAlyInxGa1-y-xN-Kristall als Basiskristall sind die Kristalle in der Umgebung der Al-haltigen In-Punkte 6, bei denen es sich um die aktive Schicht handelt, AlyInxGa1-y-xN-Kristalle mit großer Bandlücke, was die Lichtausbeute weiter steigert. Im Folgenden soll die Steuerung der In-Konzentration 6, des Punktdurchmessers und der Punktdichte von Al-haltigen In-Punkten für den Fall beschrieben werden, dass der Basiskristall ein AlyInxGa1-y-xN-Kristall ist. Bei dem AlyInxGa1-y-xN-Kristall der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Sphaleritstruktur, da er auf BP-Kristall aufgewachsen wird.
  • Bei der Ausführung des Aufwachsens des AlyInxGa1-y-xN-Kristalls wird das Al-Ausgangsgas derart zugeführt, dass der Anteil des Al-Ausgangsgases im Kristall (y) etwa 0,3 beträgt. Außerdem wird das Gas in einer derartigen Menge zugeführt, dass der Wert x der In-Menge im Kristall unter 0,1 liegt. Bei einer Aufwachstemperatur von 770°C werden In-Punkte 6 gebildet, denen Al in gewissem Umfang beigemischt wurde (im Folgende kurz als „In-Punkte 6” bezeichnet). Die In-Punkte 6 werden derart als In-Punktkern aufgewachsen, dass ihre Dichte unmittelbar nach dem Aufwachsen etwa 106/cm2 beträgt. Dabei liegt der Durchmesser der In-Punkte 6 innerhalb von 10 nm bis 20 nm. Eine Dichte der In-Punkte 6 von etwa 106/cm2 ist zu hoch.
  • Als nächstes wird die Substrattemperatur auf etwa 900°C angehoben, ohne dass die Menge des Al-Ausgangsgases und des In-Ausgangsgases verändert wird. In diesem Zustand vergrößert sich die Trennung zwischen In-Überschussbereich und In-Reduzierter Bereich. Das heißt, es kommt zu einer Verschmelzung der In-Punkte 6. In-Punkte 6 mit vergleichsweise großem Durchmesser wachsen und absorbieren In-Punkte 6 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser. Anschließend beträgt die Dichte der In-Punkte 6 etwa 103/cm2. Bei einer Dichte der In-Punkte 6 von 103/cm2 wird eine Stromdichte erreicht, die das Erlangen einer hohen Lichtausbeute ermöglicht. Damit ist der die In-Punkte aufweisende optische Anregungsbereich fertiggestellt.
  • Die In-Konzentration in den In-Punkten für eine Lichtemission mit einer gewünschten optische Wellenlänge kann durch Verändern des Atmosphärengases gesteuert werden. Beispielsweise kann die Menge des zugeführten TMI-Gases verändert werden. Wird die Durchflussmenge [Partialdruck] von TMI(Indiumtrimethyl)-Gas im Stickstoffgas erhöht, erhöht sich nämlich tendenziell auch die In-Konzentration in den In-Punkten. Oder wenn dem Stickstoffgas etwa 5 Wasserstoffgas beigemischt werden, lässt sich die In-Konzentration in den In-Punkten 6 ungefähr halbieren. Der Grund dafür ist, dass unter Bedingungen mit vergleichsweise hoher Substrattemperatur von 700°C oder dergleichen die Löslichkeit der In-Atome im Wasserstoffgashoch ist. Indem unter Bedingungen mit hoher Substrattemperatur (beispielsweise 700°C oder mehr) bei konstanten Temperatur- und Druckbedingungen dem Stickstoffgas Wasserstoffgas beigemischt wird, wird somit die In-Konzentration in den In-Punkten 6 gesenkt.
  • Die Beziehung zwischen dem Punktdurchmesser, Punktdichte und dem Verhältnis der In-Konzentration und GaN-Konzentration bei In-Punkten 6 mit AlyInxGa1-y-xN als Basiskristall zur Aufwachstemperatur und zum Gasaufwachsdruck gleicht im Wesentlichen derjenigen im Falle von In-Punkten 6 mit AlyInxGa1-y-xN als Basiskristall. Die Dichte von In-Punkten 6 mit AlyInxGa1-y-xN als Basiskristall bei einer konstanten Zufürmenge des Ausgangsgases ist bei einem Ausgangsgasdruck von 800 mbar höher als bei 500 mbar. Allerdings erhöht sich im Falle von AlyInxGa1-y-xN im Vergleich zu InxGa1-xN die Aufwachstemperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 200°C. Bei einer Aufwachstemperatur zwischen 650°C und 800°C sind die In-Punkte 6 daher fadenförmig und strecken sich und neigen dazu, sich nach oben zu strecken. Zwischen 750°C und 900°C werden sie punktförmig, und da In bei 1000°C oder mehr flüssig wird, wird die Form bei dieser Temperatur unbeständig, so dass der Durchmesser der In-Punkte 6 nicht gemessen werden konnte.
  • Auch bei In-Punkten 6 mit AlyInxGa1-y-xN als Basiskristall erhöht sich mit steigendem Ausgangsgasdruck die Dichte der In-Punkte 6.
  • Wie oben beschrieben, ist die Steuerung der In-Konzentration der In-Punkte 6, des Punktdurchmessers und der Punktdichte durch eine Steuerung der Aufwachstemperatur, der Zuführmenge des In-Ausgangsgases und des Ausgangsgasdrucks möglich. Im Folgenden soll ein Verfahren zum noch stabileren Bilden der In-Punkte 6 beschrieben werden.
  • Erstes Abwandlungsbeispiel
  • Das Kristallsubstrat, das als Impfsubstrat für den epitaktisch aufgewachsenen GaN-Kristall dient, ist ein Si-Substrat, welches in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich zwischen 5 und 10 Grad geneigt ist. Nach dem Aufwachsen von BP-Kristall auf dem Si-Substrat erfolgte eine Dotierung mit Si, und ein GaN-Kristall des n-Typs wird aufgewachsen. Der GaN-Kristall des n-Typs hat eine Sphaleritstruktur. Auf der Oberfläche des GaN-Kristalls des n-Typs werden in ungefähr gleichmäßigen Abständen Stufen aufgewachsen. Der Stufenabstand steht mit der Neigung der Fläche, der Menge an zugesetzter Verunreinigung usw. in Beziehung. Wenn beispielsweise die Verunreinigungskonzentration 1018/cm3 übersteigt, verlangsamt sich das Wachstum, und durch den Bunching-Effekt erhöhen sich die Stufen (einige Dutzend Atome), und sich der Stufenabstand erweitert. Vorzugsweise wird dem GaN-Kristall des n-Typs zwischen 5 × 1018/cm3 und 5 × 1020/cm3 an Silizium zugesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Verunreinigungskonzentration 5 × 1018/cm3. Nach dem Aufwachsen des GaN-Kristalls des n-Typs wird die Substrattemperatur auf 750°C oder weniger abgesenkt, und es wird Ausgangsgas zum Aufwachsen des AlyInxGa1-y-xN-Kristalls (y ≥ 0, x > 0) zugeführt.
  • Der AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≥ 0, x > 0) wurde bei einem Wert von 0,15 für x unter Verwendung von 100% Stickstoffgas als Atmosphärengas vereinzelt aufgewachsen, woraufhin bei gleicher Atmosphäre die Substrattemperatur auf 850°C oder mehr angehoben wurde und in einer Stickstoffatmosphäre mit 3% Wasserstoffgas etwa 10 Minuten lang eine Migration von In-haltigen Teilchen an der Kristalloberfläche durchgeführt wurde. Anschließend sammelten sich, wie in 4 gezeigt, In-haltige Kristalle an um 5 bis 8 μm voneinander entfernten Stufen, wodurch eine linienförmige eindimensionale aktive Schicht gebildet wurde.
  • Bei dem vorliegenden Aufwachsverfahren ist es zum genauen Steuern des Stufenabstands beim Bilden der GaN-Kristalle des n-Typs wichtig, die Aufwachsgeschwindigkeit und die Aufwachstemperatur zu steuern. Wird bei einem weiten Stufenabstand und einer Annäherung der Oberfläche an einen flachen Zustand zum Zeitpunkt des Aufwachsens des AlyInxGa1-y-xN-Kristalls (y ≥ 0, x > 0) die Aufwachstemperatur erhöht, wachsen hauptsächlich In-Punkt heran. Wird die Aufwachstemperatur dagegen gesenkt, entstehen Quantendrähte. Ob In-Punkte oder Quantendrähte entstehen, hängt stark von der Wachstumsrate ab, wobei bei kleiner Wachstumsrate In-Punkte, bei hoher Wachstumsrate Quantendrähte entstehen. Durch Steuern der Wachstumsbedingungen im vorliegenden ersten Abwandlungsbeispiel ist es möglich, der Anwendung entsprechend entweder In-Punkte oder In-Quantendrähte herzustellen.
  • Zweites Abwandlungsbeispiel
  • Das epitaktische Wachstum wird durchgeführt, indem ein Kristallsubstrat verwendet wird, dessen Si-Substrat in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich zwischen 5 und 10 Grad un in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (111) in einem Bereich zwischen 5 und 10 Grad geneigt ist. Nach dem Aufwachsen von BP-Kristall auf dem Si-Substrat erfolgt eine Dotierung mit Si, und ein GaN-Kristall des n-Typs wird aufgewachsen. Der GaN-Kristall des n-Typs hat eine Sphaleritstruktur. Auf der Kristalloberfläche des GaN-Kristalls des n-Typs werden in ungefähr gleichmäßigen Abständen Stufengitter aufgewachsen. Der Stufenabstand steht mit der Neigung der Fläche, der Menge an zugesetzter Verunreinigung usw. in Beziehung. Je größer der Neigungswinkel der Fläche, desto kleiner wird der Stufenabstand. Mit erhöhter Konzentration der zugesetzten Verunreinigungsmenge erweitert sich der Stufenabstand in gewissem Maße, und die Stufen werden etwa höher (Bunching-Effekt). Bezüglich der Konzentration der zugesetzten Verunreinigungsmenge wird dem GaN-Kristall des n-Typs vorzugsweise zwischen 5 × 1018/cm3 und 5 × 1020/cm3 an Silizium zugesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem GaN-Kristall des n-Typs als Verunreinigung Silizium in einer Menge von 5 × 1018/cm3 zugesetzt. Nach dem Wachsen des GaN-Kristall des n-Typs wird die Substrattemperatur auf 750°C oder weniger gesenkt, und zum Aufwachsen des AlyInxGa1-y-xN-Kristalls (x = 0,15) wird das Ausgangsgas für AlyInxGa1-y-xN etwa 1 Minuten lang zugeführt. Als Atmosphärengas wird 100% Stickstoffgas verwendet. Als nächstes wird die Substrattemperatur in gleicher Atmosphäre auf 850°C oder mehr erhöht, woraufhin an der Oberfläche des AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) in einer Mischatmosphäre aus Stickstoffgas und Wasserstoffgas mit 10% Wasserstoffgas etwa 15 Minuten lang eine Migration von In-haltigen Teilchen durchgeführt wird. Anschließend sammeln sich In-haltige Kristalle, und zwar sammeln sich In-Punkte an den Schnittpunkten der Stufen, wodurch ein punktförmiger 0-dimensionaler Anregungsbereich gebildet wird. Dieser Zustand ist in 5 gezeigt.
  • Drittes Abwandlungsbeispiel
  • Ein drittes Abwandlungsbeispiel betrifft die Struktur des Anregungsbereichs nach dem Aufwachsen der In-Punkte 6 mit InxGa1-xN als Basiskristall. Nach dem Wachsen eines Basiskristalls 5 aus InxGazN (y ≥ 0, x > 0) und dem Aufwachsen von In-Punkten 6 darauf, deren In-Konzentration höher als die des Basiskristalls 5 ist (wobei die In-Punkte 6 noch nicht vollständig vom InxGazN-Basiskristall 5 (y ≥ 0, x > 0) gefüllt sind, wird die Substrattemperatur von 800°C um 100°C bis 200°C gesenkt, während die Zuführmenge des Ga-Ausgangsgases verdoppelt wird. Daraufhin wächst unvollständig kristallisiertes amorphes InxGa1-xN, dessen In-Konzentration im Vergleich zu den In-Punkten 6 niedrig ist, derart, dass es den Zwischenraum zwischen den In-Punkten 6 füllt, und der Zwischenraum zwischen den In-Punkten 6 wird durch das unvollständig kristallisierte amorphe InxGa1-xN ausgefüllt, wodurch die Oberfläche flach wird. Im vorliegenden Abwandlungsbeispiel wird der Zwischenraum zwischen den In-Punkten 6 also nicht mit Basiskristall aus InxGa1-xN, sondern mit unvollständig kristallisiertem amorphem InxGa1-xN ausgefüllt, dessen In-Konzentration im Vergleich zu den In-Punkten 6 niedrig ist.
  • Da die In-Punkte 6 mit dem amorphen InxGa1-xN gefüllt werden, dessen elektrischer Widerstand hoch ist, konzentrieren sich die Defektelektronen und Elektronen an den In-Punkten, wodurch hier bevorzugt eine Rekombination stattfindet und hohe Lichtausbeute vorliegt. Da die In-Konzentration des unvollständig kristallisierten amorphen InxGa1-xN niedriger als die der In-Punkte 6 ist, ist auch die Bandlücke des unvollständig kristallisierten amorphen InxGa1-xN größer als die der In-Punkte, was einen weiteren Faktor zum Erhöhen der Lichtausbeute darstellt.
  • Je nach Leuchtvorrichtung wird ein Kristallwachstumsprozess mit höherer Reproduzierbarkeit benötigt. Produkte wie etwa Halbleiterlaser mit hoher Lichtstärke, mehrfarbige Halbleiterlaser und dergleichen verlangen beispielsweise, dass mehrere Epitaxieverfahren, chemische Ätzverfahren und Verarbeitungsprozesse usw. wiederholt werden. Bei solchen Produkten müssen stabilere Quantenpunkte erzeugt werden. Insbesondere für die Wärmebehandlung werden auf der Kristallstruktur stabile Quantenpunkte benötigt.
  • Viertes Abwandlungsbeispiel
  • Dazu wird ein in mehrere Richtungen geneigtes Substrat verwendet, wobei die Ebene (100) eins Si-Kristallsubstrats in Richtung der Ebene (110) in einem Bereich von 3 Grad bis 10 Grad und in Richtung der Ebene (111) in einem Bereich von 3 Grad bis 10 Grad geneigt ist. Es wird ein in zwei Richtungen geneigter Si-Substratkristall verwendet. Auf dem Substrat wird eine BP-Kristallschicht aufgewachsen, auf die ein GaN-Kristall des n-Typs epitaktisch aufgewachsen wird. Wenn der GaN-Kristall des n-Typs um etwa 1 μm gewachsen ist, wird das Substrat aus dem Reaktor genommen. Das aus dem Reaktor genommene Substrat wird beispielsweise mittels einer Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) bei 150°C etwa 10 Minuten lang geätzt. Anschließend wird es gewaschen, damit kein Kalium am Substrat zurückbleibt. Wird das Substrat in dieser Phase mikroskopisch betrachtet, ist zu erkennen, dass die Ebene (100) in alle vier Richtungen in einem Abstand von etwa 100 nm von geneigten Stufen umgeben ist. Es handelt sich um eine Struktur mit einer weiteren Vertiefung der Stufen aus 5.
  • Das Substrat wird wieder in den Reaktor für epitaktisches Wachstum gelegt, und mithilfe von Stickstoffgas oder eines Atmosphärengases, das zwischen 1% und 5% Wasserstoffgas in Stickstoffgas enthält, wird ein In0,25Ga0,75N-Kristall aufgewachsen. Die Aufwachstemperatur liegt in einem Bereich zwischen 300°C und 550°C, so dass die Unterschiede in der Wachstumsgeschwindigkeit aufgrund der unterschiedlichen Flächenrichtungen deutlich zutage treten. Beispielsweise wird die Aufwachstemperatur in der ersten Phase auf 500°C eingestellt, und wenn der Basiskristall In0,25Ga0,75N in einer Schichtdicke von beispielsweise 10 bis 70 Atomen, beziehungsweise einer Dicke zwischen 30 nm und 100 nm aufgewachsen wurde, wird sie dann auf 400°C eingestellt und es wird etwa 10 Minuten lang eine Wärmebehandlung durchgeführt, wobei sich an den Schnittpunkten von Verbiegung (Knicken) In-Punkte 6 sammeln.
  • Durch die 10 Minuten dauernde Wärmebehandlung wachsen an den Knicken in der Oberfläche des In0,25Ga0,75N-Basiskristalls In-Punkte, deren In-Konzentration höher als die des In0,25Ga0,75N-Basiskristalls ist. Die In-Punkte 6 wachsen als In-Punkte 6 des Sphalerittyps, ebenso wie der Basiskristall. In diesem Fall beträgt der maximale Durchmesser der In-Punkte 6 etwa 20 nm, womit der Anregungsbereich fertiggestellt ist.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde mithilfe einer Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) bei 150°C etwa 10 Minuten lang geätzt, doch wird vorzugsweise an Positionen, an denen sich bereits vor dem Ätzen In-Punkte 6 gebildet haben könnten, im Voraus eine Laserbestrahlung vorgenommen, um die Ätzrate zu steigern. So können die geneigten Stufen vertieft werden, und die In-Punkte 6 können leichter an den von den geneigten Stufen umgebenen Stellen wachsen.
  • Falls beim Ätzen mittels Kaliumhydroxid (KOH) oder heißer Oxosäure (HPO3) die Schnittpunkte der an der Ebene (100) auftretenden Knicke nicht gut hervortreten, kann unabhängig vom Neigungswinkel der Oberfläche des Aufwuchssubstrats eine Verarbeitung durchgeführt werden, wobei nach dem Wachsen des GaN-Kristalls des n-Typs auf dessen Oberfläche eine etwa 20 nm dicke Kristallschicht aus SiN3 aufgebracht wird und außerdem durch ein Verfahren wie etwa Plasmaätzen in Abständen mit einem Durchmesser zwischen 30 nm und 100 nm Löcher gebildetze werden, damit die Quantenpunkte besser wachsen können.
  • Fünftes Abwandlungsbeispiel
  • Im Folgenden soll ein Verfahren zum Herstellen von Ga-Überschusspunkten mit AlyGa1-yN-Kristall als Basiskristall (im Folgenden als „Ga-Punkte” bezeichnet) beschrieben werden. Die Kristallstruktur des AlyGa1-yN-Kristalls ist vom Sphalerittyp, und bei einem Wert von unter y = 0,8 weist der AlyGa1-yN-Kristall die Eigenschaft eines Kristalls mit direktem Übergang auf.
  • Das AlyGa1-yN Ausgangsgas wird derart zugeführt, dass der Al-Anteil und der Ga-Anteil des AlyGa1-yN-Kristalls jeweils 0,5 betragen. Die Aufwachstemperatur beträgt beispielsweise 900°C. Wenn nun die Substrattemperatur auf beispielsweise 1000°C erhöht wird, beginnen der Al-Überschussbereich und der Ga-Überschussbereich getrennt zu wachsen. Die Ga-Punkte werden derart als Ga-Punktkern aufgewachsen, dass sie unmittelbar nach dem Aufwachsen etwa eine Dichte von 108/cm2 haben. Dabei liegt der Durchmesser der Ga-Punkte zwischen 50 nm bis 100 nm. In diesem Zustand ist die Ga-Punktdichte zu hoch. Daher wird als nächstes bei gleicher Ga-Ausgangsgasmenge die Substrattemperatur auf etwa 1100°C erhöht. In diesem Zustand vergrößert sich die Trennung zwischen Ga-Überschuss und Al-Überschuss, und die Verschmelzung der Ga-Punkte beginnt. Ga-Punkte mit vergleichsweise großem Durchmesser wachsen und absorbieren G-Punkte mit vergleichsweise kleinem Durchmesser. Anschließend beträgt die Dichte der Ga-Punkte etwa 103/cm2. 103/cm2 bedeutet eine Stromdichte, bei der eine effiziente Lichtemission erlangt werden kann. Auf diese Weise wird der die Ga-Punkte aufweisende optische Anregungsbereich fertiggestellt.
  • Zum Abgeben von Licht der gewünschten optischen Wellenlänge kann die Ga-Konzentration in den Ga-Punkten gesteuert werden. Das Steuern der Ga-Konzentration kann mittels Veränderung des Atmosphärengases erfolgen. Beispielsweise kann die Menge des zugeführten Ga-Gases erhöht werden. Beispielsweise kann die Menge des zugeführten Ga-Gases von 70000 cc/s auf 100000 cc/s erhöht werden, um die Ga-Konzentration in den Ga-Punkten zu steigern. Um die Bandlücke der Ga-Punkte im Vergleich zum Basiskristall aus AlyGa1-yN-Kristall zu verkleinern, kann beim Wachstumsprozess der Ga-Punkte auch In-Ausgangsgas zugeführt werden, und es können Ga-Punkte aufgewachsen werden, in die mehr In eingebracht wurde als in den Basiskristall aus AlyGa1-yN-Kristall. Indem die Ga-Konzentration in den Ga-Punkten in einem Bereich zwischen 0,4 und 0,9 gesteuert wird, kann die Wellenlänge der lichtemittierende Vorrichtung auf 200 nm, 300 nm und 350 nm festgelegt werden.
  • Halbleiterlaser
  • Wenn die erfindungsgemäßen In-Punkte 6 als Anregungsbereich eines Halbleiterlasers verwendet werden, werden die In-Punkte 6 vorzugsweise derart gebildet, dass sie Periodizität aufweisen. Daher werden die In-Punkte 6 vorzugsweise, wie im ersten bis vierten Abwandlungsbeispiel gezeigt, an den gebildeten Stufen oder Knicken usw. gebildet, die in ungefähr gleichen Abständen an der Oberfläche des GaN-Kristalls des n-Typs auftreten, der auf der Oberfläche des mit einer Neigung versehenen Impfsubstratas aufgewachsen wurde.
  • Vorzugsweise sind die vorderen Randbereiche der In-Punkte 6 außerdem nicht in den Basiskristall aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≥ 0, x > 0) eingebettet, sondern verbleiben auf dem Kristall des Basiskristalls. Darauf wird mit Mg dotiertes GaN des p-Typs aufgewachsen und anschließend die Konzentration des Al im AlxGa1-xN verändert, um zwei oder mehr Arten von AlxGa1-xN-Schichten aufzuwachsen. Dieser Konfiguration gemäß kann ein Halbleiterlaser mit geringem Stromverbrauch hergestellt werden. Bei einer Konfiguration, wobei die vorderen Randbereiche der In-Punkte 6 außerdem nicht in den Basiskristall aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall eingebettet werden, sondern auf dem Kristall des Basiskristalls verbleiben und darauf mit Mg dotiertes GaN des p-Typs aufgewachsen wird, ist auch eine Anwendung auf LEDs möglich. Eine LED mit dieser Konfiguration weist den Vorteil auf, dass sie bereits beim Anlegen einer niedrigen Spannung leuchten kann und niedrig im Stromverbrauch ist.
  • Konfiguration zur Förderung der Rekombination der Ladungsträger
  • Für die vorstehend beschriebene lichtemittierende Vorrichtung mit einem Anregungsbereich aus In-Punkten oder Ga-Punkten soll nun eine Konfiguration zur Förderung der Rekombination der Ladungsträger beschrieben werden. Beispielsweise handelt es sich hier bei dem Impfsubstrat um ein Si-Substrat, das in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) um 8 Grad geneigt ist. Auf dem Si-Substrat wird ein BP-Kristall des n-Typs aufgewachsen, dem Si zugesetzt wurde. Der BP-Kristall wird unter Berücksichtigung der Einbringung von Kristallbaufehlern (Versetzungen) in einer Dicke von wenigstens 200 nm aufgewachsen. Auch wenn der BP-Kristall in einer Dicke von etwa 300 nm aufgewachsen wird, kann der Neigungswinkel des Impfsubstrats im Wesentlichen beibehalten werden. Anschließend wird auf dem BP-Kristall ein Mischgas aus TMA (Trimethylaluminium) und TMI (Indiumtrimethyl) bei einer Substrattemperatur von 470°C in einer Stickstoffatmosphäre dem Substrat zugeführt, und es wird eine Mischmetallschicht aus Al und In mit 1 bis 15 Atomlagen aufgebracht. Die Mischmetallschicht aus Al und In wird vorzugsweise mit 2 bis 5 Atomlagen aufgebracht. Wird In bzw. Al in einer Dicke mit 2 bis 5 Atomlagen auf der gesamten Fläche aufgebracht, so verläuft das Wachstum nach dem Aufbringen störungsärmer.
  • Das Ablagerungsverhältnis von Al und In in der Mischmetallschicht aus Al und In beträgt Al: 80% zu In: 20%. Auch hier kann als Verunreinigung Si zugesetzt werden. Anschließend wird bei etwa 600°C ein GaN-Kristall des n-Typs aufgewachsen. Dabei ist unmittelbar auf dem BP-Kristall die Al-Konzentration hoch, und es wird ein AlyInxGa1-y-xN-Kristall aufgewachsen, dessen Bandlücke größer ist als die des GaN-Kristalls. Dadurch ergibt sich eine Konfiguration, die beim Herstellen der optischen Vorrichtung die Rekombination der Ladungsträger am Anregungsbereich fördert.
  • Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgte bis zu dieser Stelle anhand einer einzelnen Schicht zum Bilden des Anregungsbereichs, doch können auch mehrere Schichten zum Bilden des Anregungsbereichs hergestellt werden, und die Ansprüche der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich auch auf die Herstellung derartiger aktiver Schichten angewandt werden.
  • Die Beschreibung erfolgte ferner vor allem anhand eines Si-Substrats als Impfsubstrat, doch kann anstelle von Si auch ein anderes Kristallsubstrat verwendet werden, wie z. B SiC-Substratkristall, GaAs-Substratkristall, Saphirsubstrat oder dergleichen. Auch wenn ein Saphirsubstrat oder dergleichen verwendet wird, ist mit einer ausreichenden Neigung der Substratoberfläche zu rechnen.
  • Ferner erfolgte die Beschreibung anhand einer optischen Vorrichtung, doch kann der Quantenpunkte aufweisende Anregungsbereich der vorliegenden Erfindung natürlich auch auf Feldeffekttransistoren, pnp- oder npn-Bipolartransistoren und diese enthaltende Vorrichtungen usw., die diese enthalten, angewandt werden. Es liegt auf der Hand, dass die vorliegend erörterten Konfigurationen und Merkmale insbesondere bei kombinierten Formen von elektronischer Vorrichtung und optischer Vorrichtung nützlich sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Si-Substrat zum Aufwachsen eines GaN-Halbleiterkristalls
    2
    Pufferschicht mit BP-Kristallen
    3
    mit Si dotierter GaN-Kristall des n-Typs
    4
    AlyGa1-yN-Kristall
    5
    AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps
    6
    im Basiskristall gebildete AlyInxGa1-y-xN-Quantenpunkte (y ≥ 0, x > 0)
    7
    AlyGa1-yN-Kristall
    8
    GaN-Kristall des p-Typs
    9
    Elektrode des n-Typs

Claims (10)

  1. Lichtemittierende Vorrichtung, gekennzeichnet durch: ein Si-Substrat; eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Kristallsubstrat gebildet ist; einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist; und einem auf dem GaN-Kristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristalls des Sphalerittypes, im inneren des AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall, der den Anregungsbereich mit Quantenpunkten, die eine In-Konzentration die Höher als die des Basiskristalls aufweisen, beinhaltet.
  2. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem GaN-Kristall des n-Typs Silizium als Verunreinigung zugesetzt ist.
  3. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des dem GaN-Kristall des n-Typs zugesetzten Siliziums zwischen 5 × 1018 pro cm3 und 5 × 1020 pro cm3 betragt.
  4. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallsubstrat ein Si-Substrat ist, das in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich von 5 Grad bis 10 Grad geneigt verarbeitet ist.
  5. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallsubstrat ein Si-Substrat ist, das in der Richtung von der Ebene (100) zur Ebene (110) in einem Bereich von 5 Grad bis 10 Grad und von der Ebene (100) zur Ebene (111) in einem Bereich von 5 Grad bis 10 Grad geneigt verarbeitet ist.
  6. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem GaN-Kristall des n-Typs Silizium als Verunreinigung zugesetzt ist.
  7. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des dem GaN-Kristall des n-Typs zugesetzten Siliziums zwischen 5 × 1018 pro cm3 und 5 × 1020 pro cm3 beträgt.
  8. Lichtemittierende Vorrichtung, gekennzeichnet durch: ein Si-Substrat; eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Kristallsubstrat gebildet ist; einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist; einen auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildeten AlyGa1-yN-Kristall mit Sphaleritstruktur; und einem auf dem GaN-Kristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristalls des Sphalerittypes, im inneren des AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall, der den Anregungsbereich mit Quantenpunkten, die eine In-Konzentration die Höher als die des Basiskristalls aufweisen, beinhaltet. wobei die Oberfläche des Anregungsbereichs durch unvollständig kristallisiertes amorphes InxGa1-xN geglättet ist, das derart gebildet ist, dass es Zwischenräume zwischen den Quantenpunkten aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) ausfüllt.
  9. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die In-Konzentration des unvollständig kristallisierten amorphen InxGa1-xN geringer als die In-Konzentration der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) ist.
  10. Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch: ein Si-Substrat; eine Pufferschicht mit einem BP-Kristall, die auf dem Kristallsubstrat gebildet ist; einen GaN-Kristall des n-Typs, der auf der den BP-Kristall enthaltenden Pufferschicht gebildet ist, einen auf dem GaN-Kristall des n-Typs gebildeten AlyGa1-yN-Kristall mit Sphaleritstruktur; und einem auf dem GaN-Kristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Mutterkristalls des Sphalerittypes, im inneren des AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall gebildeten AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) Basiskristall, der den Anregungsbereich mit Quantenpunkten, die eine In-Konzentration die Höher als die des Basiskristalls aufweisen, beinhaltet. wobei vordere Randbereiche der Quantenpunkte aus AlyInxGa1-y-xN (y ≥ 0, x > 0) nicht in den AlyInxGa1-y-xN-Basiskristall (y ≥ 0, x > 0) des Sphalerittyps eingebettet sind.
DE112014002691.3T 2013-06-05 2014-05-30 Anregungsbereich, der Nanopunkte (auch als "Quantenpunkte" bezeichnet) in einem Matrixkristall umfasst, der auf Si-Substrat gezüchtet wurde und aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≧ 0, x > 0) mit Zinkblendestruktur (auch als "kubisch" bezeichnet) besteht, und lichtemittierende Vorrichtung (LED und LD), die unter Verwendung desselben erhalten wurde Active DE112014002691B4 (de)

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