DE112016004375T5

DE112016004375T5 - Lichtemittierendes nitrid-halbleiter-element

Info

Publication number: DE112016004375T5
Application number: DE112016004375.9T
Authority: DE
Inventors: Koji Asada; Tokutaro Okabe
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-06-21
Also published as: JPWO2017057149A1; TWI688120B; JP6589987B2; US10505074B2; TW201724560A; US20190371968A1; US10686098B2; KR20180082424A; KR102618238B1; WO2017057149A1; CN108028300A; CN108028300B; US20180287014A1

Abstract

Es wird ein lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element zur Verfügung gestellt, das versehen ist mit: einer n-seitige Schicht; einer p-seitige Schicht; und einer aktiven Schicht mit einer Wannenschicht, vorgehen zwischen der n-seitigen Schicht und der p-seitigen Schicht, wobei die Wannenschicht Al, Ga und N enthält, und einer Sperrschicht, die Al, Ga und N enthält, wobei die Sperrschicht einen AI-Gehalt hat, der höher als derjenige der Wannenschicht ist, wobei: eine Elektronenblockierstrukturschicht zwischen der aktiven Schicht und der p-seitigen Schicht vorhanden ist; und die Elektronenblockierstrukturschicht eine erste Elektronenblockierschicht hat, die eine Bandlücke hat, die größer als diejenige der Sperrschicht ist, eine zweite Elektronenblockierschicht, die zwischen der p-seitigen Schicht und der ersten Elektronenblockierschicht vorgesehen ist und die eine Bandlücke hat, die größer als diejenige der Sperrschicht und kleiner als diejenige der ersten Elektronenblockierschicht, und eine neutrale Schicht, die zwischen der ersten Elektronenblockierschicht und der zweiten Elektronenblockierschicht vorgesehen ist und die eine Bandlücke hat, die kleiner als diejenige der zweiten Elektronenblockierschicht ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Elemente, insbesondere diejenigen lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elemente, die tief ultraviolettes Licht emittieren.
Diskussion des zugehörigen Standes der Technik
Nitrid-Halbleiter, einschließlich GaN, sind Halbleiter vom direkten Übergangstyp und ein Mischkristall mit drei Elementen und ein Mischkristall mit vier Elementen, die Al und In enthalten, können durch geeignetes Einstellen der Zusammensetzung, um die Bandlücke zu variieren, Licht im Bereich von Infrarot bis zu tief Ultraviolett emittieren. Da lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Elemente, die einen Nitrid-Halbleiter verwenden, der Al mit einer großen Bandlücke als seine aktive Schicht enthält, durch geeignetes Einstellen der Al-Zusammensetzung insbesondere konfiguriert sein können, um tief ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge ein einem Bereich zwischen 220 und 350 nm zu emittieren, ist ihr praktischer Einsatz als Quellen von tief ultravioletten Licht, wie z.B. LEDs oder LDs, erfolgversprechend.
Beispielsweise offenbart die Patentliteratur 1 ein lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element mit einer verbesserten Emissionseffizienz durch Ausbilden einer Elektronenblockierschicht auf der aktiven Schicht, die aus einem Nitrid-Halbleiter besteht, der AI mit einer großen Bandlücke enthält.
DOKUMENT DES HERKÖMMLICHEN STANDES DER TECHNIK
Patentliteratur
Patentliteratur 1: WO2011/104969
EFFEKT DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Jedoch neigen herkömmliche lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Elemente, die einen AI enthaltenden Nitrid-Halbleiter mit großer Bandlücke als die aktive Schicht verwenden, dazu, einer kürzere Lebensdauer als blaue LEDs und ähnliches zu haben.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element mit langer Lebensdauer zur Verfügung zu stellen, das mit einem Al-enthaltenden Nitrid-Halbleiter mit großer Bandlücke als aktive Schicht konfiguriert ist.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst: eine n-seitige Schicht, eine p-seitige Schicht und eine zwischen der n-seitigen Schicht und der p-seitigen Schicht angeordnete aktive Schicht, die eine Wannenschicht bzw. Topfschicht umfasst, die AI, Ga und N enthält, und eine Sperrschicht bzw. Grenzschicht, die AI, Ga und N enthält, wobei der AI-Gehalt höher als derjenige der Wannenschicht ist, wobei das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element eine Elektronenblockierstrukturschicht zwischen der aktiven Schicht und der p-seitigen Schicht hat und die Elektronenblockierstruktur eine erste Elektronenblockierschicht mit einer Bandlücke enthält, die größer als diejenige der Sperrschicht ist, und eine zweite Elektronenblockierschicht, die zwischen der p-seitigen Schicht und der ersten Elektronenblockierschicht angeordnet ist und eine Bandlücke hat, die größer als diejenige der Sperrschicht ist, aber kleiner als diejenige der ersten Elektronenblockierschicht, und eine Zwischenschicht, die zwischen der ersten Elektronenblockierschicht und der zweiten Elektronenblockierschicht angeordnet ist und eine Bandlücke hat, die kleiner als diejenige der zweiten Elektronenblockierschicht ist.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Dadurch, dass es eine Zwischenschicht zwischen der ersten Elektronenblockierschicht und der zweiten Elektronenblockierschicht hat, kann das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element der Ausführungsform der Erfindung, das wie oben aufgebaut ist, ein lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element, das mit einem Al-enthaltenden Nitrid-Halbleiter mit großer Bandlücke als aktive Schicht aufgebaut ist, mit langer Lebensdauer zur Verfügung stellen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht, die die Struktur des lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Bandstruktur der Elektronenblockierstrukturschicht 20 einer Form 1 des lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elements gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Bandstruktur der Elektronenblockierstrukturschicht 20 gemäß einer Form 2 des lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elements gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt.
4 ist eine graphische Darstellung, die die Bandstruktur der Elektronenblockierstruktur im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element eines Bezugsbeispiels schematisch zeigt.
5 ist eine graphische Darstellung, die die Bandstruktur der Elektronenblockierstruktur im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element eines herkömmlichen Beispiels schematisch zeigt.
6 ist ein Kurvenbild, das die Ergebnisse des bei dem Beispiel 1 der Erfindung und einem Vergleichsbeispiel durchgeführten Lebensdauertests zeigt.
7 ist ein Kurvenbild, das die Ergebnisse der bei den lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elementen eines Beispiels 2 der Erfindung durchgeführten Auswertung der Emissionsausgaben-Aufrechterhaltungsraten nach einer bestimmten Zeitperiode zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen erklärt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Ausführungsformen
Das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element der in 1 gezeigten Ausführungsform enthält auf einem Substrat 10 eine n-seitige Schicht 13, eine p-seitige Schicht 15 und eine aktive Schicht 14, die zwischen der n-seitigen Schicht 13 und der p-seitigen Schicht 15 angeordnet ist, und ist strukturiert, um beispielsweise tief ultraviolettes Licht in einem Bereich zwischen 220 nm und 350 nm zu emittieren. Im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform hat die aktive Schicht 14 eine Quantentopfstruktur, die beispielsweise einen Wannenschicht 142, die Al, Ga und N enthält, und Sperrschichten 141 und 143, die Al, Ga und N enthalten, enthält. In der aktiven Schicht 14 hat die Wannenschicht 142 beispielsweise eine Aluminiumzusammensetzung x, die eingestellt ist, um in der Bandlücke entsprechend einer gegebenen tief ultravioletten Lichtwellenlänge zu resultieren, und haben die Sperrschichten 141 und 143 beispielsweise eine Aluminiumzusammensetzung x, die eingestellt ist, um in einer größeren Bandlücke als derjenigen der Wannenschicht 142 zu resultieren.
Beispielsweise ist in dem lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element, das tief ultraviolettes Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 280 nm emittiert, die Wannenschicht 142 beispielsweise mit einem Nitrid-Halbleiter aufgebaut, der eine Aluminiumzusammensetzung x von 0.45 hat, d.h. Al0.45Ga0.55N, während die Sperrschichten 141 und 143 mit einem Nitrid-Halbleiter aufgebaut sind, der eine Aluminiumzusammensetzung y von 0.56 hat, d.h. Al0.56Ga0.44N.
In dieser Beschreibung wird auf einen Nitrid-Halbleiter aus Mischkristall mit drei Elementen, der AI, Ga und N enthält, gelegentlich einfach als AIGaN Bezug genommen.
Das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform hat darüber hinaus eine Elektronenblockierstrukturschicht 20, die zwischen der p-seitigen Schicht 15 und der aktiven Schicht 14 angeordnet ist, um zu verhindern, dass die von der n-seitigen Schicht 13 in die aktive Schicht 14 injizierten Elektronen in die p-seitige Schicht 14 ausfließen, ohne in der Wannenschicht 142 zu rekombinieren.
Hier enthält die Elektronenblockierstrukturschicht 20 im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform insbesondere:

(i) eine erste Elektronenblockierschicht 21 mit einer größeren Bandlücke als derjenigen der Sperrschicht 141 oder 143, die auf der Seite der aktiven Schicht 14 angeordnet ist,
(ii) eine zweite Elektronenblockierschicht 23 mit einer Bandlücke, die größer als diejenige der Sperrschicht 141 oder 143 ist, aber kleiner als diejenige der ersten Elektronenblockierschicht 21, die auf der Seite der p-seitigen Schicht 15 angeordnet ist, und
(iii) eine Zwischenschicht (Ladungsreduzierschicht) 22 zwischen der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 mit einer kleineren Bandlücke als derjenigen der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23.

Hat sie die erste Elektronenblockierschicht 21 und die zweite Elektronenblockierschicht 23, wie es oben beschrieben ist, kann die Elektronenblockierstrukturschicht 20 die Effektivität von blockierenden Elektronen verbessern, d.h. sie kann die Effizienz einer Elektroneninjektion in die aktive Schicht 14 durch Reduzieren eines Elektronenüberlaufs erhöhen, um dadurch die Emissionseffizienz zu erhöhen. Andererseits verschlechtert das durch den Elektronenblockiereffekt erzeugte starke elektrische Feld absehbar die zweite Elektronenblockierschicht 23. Bei dieser Ausführungsform kann jedoch die in der Elektronenblockierstrukturschicht 20 enthaltene Zwischenschicht 22 die Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 reduzieren. Spezifischer wird geglaubt, dass die Löcher, die durch die zweite Elektronenblockierschicht 23 gewandert sind, durch die erste Elektronenblockierschicht 21 blockiert werden und in der Zwischenschicht 22 näher zur elektronenreichen aktiven Schicht 14 bleiben, was folglich das an die zweite Elektronenblockierschicht 23 angelegte elektrische Feld mäßigt bzw. mildert. Demgemäß kann das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform, das eine Elektronenblockierstrukturschicht 20 hat, die Emissionseffizienz erhöhen sowie die Lebensdauer verlängern.
Die Elektronenblockierstrukturschicht 20 kann eine zusätzliche Schicht zwischen der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der aktiven Schicht 14 haben und eine weitere Schicht zwischen der zweiten Elektronenblockierschicht 23 und der p-seitigen Schicht 15, solange sie Elektronenblockiereffekte erreicht. Im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element gemäß dieser Ausführungsform ist jedoch die erste Elektronenblockierschicht 21 bevorzugt in Kontakt mit der aktiven Schicht 14. Dies lässt zu, dass die erste Elektronenblockierschicht 21 hohe Ausmaße an Elektronenblockiereffekten erreicht. In dem Fall, in welchem die erste Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit der aktiven Schicht 14 ist, kann die erste Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit entweder der Wannenschicht oder der Sperrschicht sein. Darüber hinaus ist die zweite Elektronenblockierschicht 23 bevorzugt in Kontakt mit der p-seitigen Schicht 15. Dies kann die Abnahme bezüglich der Elektronenlochinjektionseffizienz in die aktive Schicht 14 abschwächen, um dadurch die Abnahme einer optischen Ausgabe abzuschwächen. Weiterhin kann die Elektronenblockierstrukturschicht eine zusätzliche Schicht zwischen der Zwischenschicht 22 und der ersten Elektronenblockierschicht 21 und zwischen der Zwischenschicht 22 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 enthalten, solange sie die Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 abschwächen kann. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Zwischenschicht 22 bevorzugt in Kontakt mit der ersten Elektronenblockierschicht 21 oder der zweiten Elektronenblockierschicht 23, ist bevorzugter in Kontakt mit sowohl der ersten Elektronenblockierschicht 21 als auch der zweiten Elektronenblockierschicht 23. Ein Bringen der Zwischenschicht 22 in Kontakt mit einer, oder bevorzugt beiden, der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 kann das Anlegen eines elektrischen Felds an die zweite Elektronenblockierschicht 23 effektiver mäßigen, um dadurch die Effektivität eines Abschwächens der Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 zu verbessern.
Da die Elektronenblockierstrukturschicht 20 gemäß dieser Ausführungsform mit der ersten Elektronenblockierschicht 21, der Zwischenschicht 22 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 aufgebaut ist, können gute Elektronenblockiereffekte selbst dann erreicht werden, wenn die erste Elektronenblockierschicht 21 dünner als die zweite Elektronenblockierschicht 23 ist. Ein dünner Machen der ersten Elektronenblockierschicht 21 als die zweite Elektronenblockierschicht 23 lässt zu, dass Elektronen durch Tunneleffekte durch die erste Elektronenblockierschicht 21 laufen und die aktive Schicht 14 erreichen. Dies lässt zu, dass die Zwischenschicht Elektronenlöcher behält, während Emissionen in der Zwischenschicht verhindert werden, was die Konzentration eines elektrischen Felds in der zweiten Elektronenblockierschicht 23 reduzieren kann, um dadurch die Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 abzuschwächen. Darüber hinaus kann ein Ausbilden der ersten Elektronenblockierschicht 21, die eine große Bandlücke hat, mit einer geringen Dicke den Elektronenblockiereffekt verbessern, während eine Durchlassspannungserhöhung abgeschwächt wird.
Eine übermäßig dicke erste Elektronenblockierschicht 21 kann die Verzerrung erhöhen, die in der Bandlücke der Wannenschicht auftritt, und ermöglicht somit eine Konzentration des elektrischen Felds. Anders ausgedrückt tritt, weil die Bandlücke klein wird, das meiste einer Strahlungsrekombination in diesem kleinen Bandlückenteil auf. Dies konzentriert folglich das elektrische Feld und verkürzt die Lebensdauer des lichtemittierenden Elements. Auch aus dieser Perspektive hat die erste Elektronenblockierschicht 21 bevorzugt eine geringe Dicke. Eine übermäßig dünne erste Elektronenblockierschicht 21 kann jedoch die Elektronenblockiereffekte reduzieren, um dadurch den Effekt eines Abschwächens der Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 zu reduzieren. Weiterhin können durch kleiner Machen der Zwischenschicht 22 als die Dicke der zweiten Elektronenblockierschicht 23 Emissionen durch die Zwischenschicht 22 effektiver verhindert werden, während verhindert wird, dass sich ein elektrisches Feld in der zweiten Elektronenblockierschicht 23 konzentriert. Die kombinierte Dicke der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der Zwischenschicht 22 ist bevorzugt kleiner als die Dicke der zweiten Elektronenblockierschicht 23.
Die erste Elektronenblockierschicht 21 kann mit einem Nitrid-Halbleiter Alz1Ga1z1N mit beispielsweise einer Aluminiumzusammensetzung z1 aufgebaut sein, die höher als die Aluminiumzusammensetzung y der Sperrschichten 141 und 143 ist. Für die erste Elektronenblockierschicht 21 gilt, dass es bevorzugter ist, dass die Aluminiumzusammensetzung z1 höher ist, um den Elektronenblockiereffekt zu verbessern, bevorzugter wird eine Aluminiumzusammensetzung z1 von 1, AIN, verwendet, um die Schicht zusammenzusetzen.
Die zweite Elektronenblockierschicht 23 kann mit einem Nitrid-Halbleiter AlZ2Ga1-Z2N mit beispielsweise einer Aluminiumzusammensetzung z2 aufgebaut sein, die höher als die Aluminiumzusammensetzung Y der Sperrschichten 141 und 143 ist, aber niedriger als die Aluminiumzusammensetzung Z1 der ersten Elektronenblockierschicht 21. Wenn die Wannenschicht 142 mit einem Nitrid-Halbleiter aufgebaut ist, der aus Al0.45Ga0.55N zusammengesetzt ist, die Sperrschichten 141 und 143 mit einem Nitrid-Halbleiter aufgebaut sind, der aus Al0.56Ga0.44N zusammengesetzt ist, und die erste Elektronenblockierschicht 21 mit AIN, ist die zweite Elektronenblockierschicht 23 beispielsweise mit einem Nitrid-Halbleiter aufgebaut, der einen Aluminiumzusammensetzung z2 von 0.78 hat, z.B. Al0.78Ga0.22N.
Die Zwischenschicht 22 kann mit einem Nitrid-Halbleiter AlrGa1-rN mit beispielsweise einer Aluminiumzusammensetzung aufgebaut sein, die niedriger als die Aluminiumzusammensetzung Z2 der zweiten Elektronenblockierschicht 23 ist, bevorzugt niedriger als die Aluminiumzusammensetzung Y der Sperrschichten 141 und 143, und ist bevorzugt mit einem Nitrid-Halbleiter AlrGa1-rN mit einer Aluminiumzusammensetzung r aufgebaut, die gleich der oder höher als die Aluminiumzusammensetzung X der Wannenschicht 142 ist.
Im lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform kann die Elektronenblockierstrukturschicht 20 verschiedene Formen annehmen, die nachstehend beschrieben sind, solange sie die oben spezifizierten Bedingungen (i) bis (iii) erfüllt. Beispiele der Elektronenblockierstrukturschicht 20 werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 und die 3 erklärt werden.
2 und 3 zeigen jeweils die Bandstrukturen der Elektronenblockierstrukturschicht 20 von Formen 1 und 2. 2 und 3 enthalten auch eine n-seitige zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132, eine aktive Schicht 14, eine p-seitige Mantelschicht 151, eine p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152 und eine p-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht 153, die später beschrieben sind.
Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 1
2 zeigt die Bandstruktur der Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 1.
In der Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 1 ist die Bandlücke der Zwischenschicht 22 genauso wie die Bandlücke der Wannenschicht 142 eingestellt. Beispielsweise ist dann, wenn die Wannenschicht 142 mit einem Nitrid-Halbleiter von AlxGa1-xN aufgebaut ist, die Zwischenschicht 22 mit einem Nitrid-Halbleiter von AlrGa1-rN aufgebaut, wobei die Aluminiumzusammensetzung r dieselbe wie die Aluminiumzusammensetzung x der Wannenschicht 142 ist.
Gemäß der oben beschriebenen Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 1 kann die Zwischenschicht 22 die an die zweite Elektronenblockierschicht 23 angelegte Ladung reduzieren und kann folglich die Lebensdauerabnahme abschwächen, die der Verschlechterung der zweiten Elektronenblockierschicht 23 zuschreibbar ist.
Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 2
3 zeigt die Bandstruktur der Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 2.
In der Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 2 ist die Bandlücke der Zwischenschicht 22 auf größer als die Bandlücke der Wannenschicht 142 eingestellt, aber auf kleiner als die Bandlücke der Sperrschicht 141 oder 143. Beispielsweise ist dann, wenn die Wannenschicht 142 mit einem Nitrid-Halbleiter von AlxGa1-xN aufgebaut ist und die Sperrschichten 141 und 143 mit einem Nitrid-Halbleiter von AlyGa1-yN aufgebaut sind, die Zwischenschicht 22 mit einem Nitrid-Halbleiter von AlrGa1-rN aufgebaut, wobei die Aluminiumzusammensetzung r größer als die Aluminiumzusammensetzung x der Wannenschicht 142 ist, aber kleiner als die Aluminiumzusammensetzung y der Sperrschicht 141 oder 143.
Die oben beschriebene Elektronenblockierstrukturschicht 20 der Form 2 kann die Abnahme bezüglich der Trägerinjektionseffizienz in die Wannenschicht 142 weiter reduzieren sowie die an die zweite Elektronenblockierschicht 23 angelegte Ladung bzw. Last, wie in dem Fall der Form 1.
Bei jeder der oben beschriebenen Elektronenblockierstrukturschichten 20 der Formen 1 und 2 wurde die Bandlücke der Zwischenschicht 22 auf kleiner als die Bandlücke der Sperrschicht 141 oder 143 eingestellt. Jedoch sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Bandlücke der Zwischenschicht 22 kann dieselbe wie oder größer als die Bandlücke der Sperrschicht 141 oder 143 sein, solange sie kleiner als diejenigen der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 ist.
P-Typ-Störstellen in der Elektronenblockierstrukturschicht 20
Die Elektronenblockierstrukturschicht 20 enthält p-Typ-Störstellen wie es nötig ist, weil sie eine Schicht ist, die zwischen der aktiven Schicht 14 und der p-seitigen Schicht 15 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es jedoch für wenigstens eine der ersten Elektronenblockierschicht 21, der Zwischenschicht 22 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 bevorzugt, dass sie eine nichtdotierte Schicht ist. Ein Enthaltensein von wenigstens einer nichtdotierten Schicht in der Elektronenblockierstrukturschicht 20 kann die p-Typ-Störstellen reduzieren, die in der Wannenschicht 142 diffundiert sind, um dadurch die Lebensdauerreduktion zu mildern.
Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugter, die erste Elektronenblockierschicht 21 zu einer nichtdotierten Schicht zu machen. Ein nicht dotiert haben der ersten Elektronenblockierschicht 21 kann die p-Typ-Störstellen weiter reduzieren, die in der Wannenschicht 142 diffundiert sind, um die Lebensdauerreduktion effektiver zu mildern.
Eine nichtdotierte Schicht bezieht sich hierin auf eine Schicht, die ohne ein Dotieren mit p-Typ- oder n-Typ-Störstellen ausgebildet ist, während zugelassen ist, dass die Schicht anwächst, beispielsweise wird dann, wenn man die Schicht durch metallorganische Aufdampfung anwachsen lässt, die Zufuhr von Ausgangsmaterialgas für die Störstellen eingestellt, und bedeutet, dass die Störstellenkonzentration höchstens 1 x 10-16 ist, d.h. die Schicht enthält effektiv keine Störstellen.
Die wie oben strukturierte Elektronenblockierstrukturschicht 20 kann die Last bzw. Ladung reduzieren, die an die Elektronenblockierstrukturschicht 20 angelegt wird, und kann somit die Verschlechterung der Elektronenblockierstrukturschicht 20 im Vergleich mit der in 5 gezeigten Elektronenblockierstruktur mindern, die mit zwei Schichten, nämlich der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23, ohne eine Zwischenschicht 22 strukturiert ist.
Demgemäß kann das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element mit der Elektronenblockierstrukturschicht 20 dieser Ausführungsform die Lebensdauer bzw. Haltbarkeit im Vergleich mit dem Nitrid-Halbleiter mit einer zweischichtigen Elektronenblockierstruktur, die aus der ersten der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 aufgebaut ist, verlängern.
Die wie oben strukturierte Elektronenblockierstrukturschicht 20 kann die Emissionsintensität im Vergleich mit dem lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element der in 4 gezeigten Referenzbeispiels erhöhen, wo die erste Elektronenblockierschicht 21 und die zweite Elektronenblockierschicht 23 dieselbe Bandlücke haben.
Anders ausgedrückt kann das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element mit der Elektronenblockierstrukturschicht 20 dieser Ausführungsform sowohl die Emissionsintensität als auch die Lebensdauer erhöhen.
Beim lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform hat die Zwischenschicht 22 eine Bandlücke, die dieselbe wie oder höher als diejenige der Wannenschicht 142 ist. Demgemäß können, wenn die Emissionswellenlänge auf 250 nm oder höher eingestellt ist, die Bandlücken mit einem großen Unterschied zwischen der Zwischenschicht 22 und sowohl der ersten Elektronenblockierschicht 21 als auch der zweiten Elektronenblockierschicht 23 eingestellt werden. Als Ergebnis wird der Lastreduziereffekt der Zwischenschicht 22 offensichtlich werden. Darüber hinaus intensiviert sich dann, wenn die Emissionswellenlänge auf 310 nm oder niedriger eingestellt ist, das aus dem Elektronenblockiereffekt der ersten Elektronenblockierschicht 21 und der zweiten Elektronenblockierschicht 23 resultierende elektrische Feld weiter. Somit kann die Zwischenschicht den Lastreduziereffekt effektiver ausüben. Demgemäß kann bei dem lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform ein Einstellen der Emissionswellenlänge in einem Bereich zwischen 250 nm und 310 nm die Verschlechterung der Elektronenblockierstrukturschicht 20 effektiver mindern.
Beim lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform ist die erste Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit der Wannenschicht 142 angeordnet. Ein Anordnen der ersten Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit der Wannenschicht 142 auf diese Weise kann den Elektronenüberlauf effektiv reduzieren.
Jedoch kann bei dem lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform eine Sperrschicht als die äußerste Schicht der p-Schichtseite der aktiven Schicht 14 angeordnet sein, um die erste Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit der Sperrschicht anzuordnen. Ein Anordnen der ersten Elektronenblockierschicht 21 in Kontakt mit der äußersten Sperrschicht auf diese Weise kann die Diffusion der p-Typ-Störstellen in die Wannenschicht 142 effektiv reduzieren.
Beim lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Element dieser Ausführungsform kann darüber hinaus eine weitere Schicht angeordnet sein, wie es nötig ist, und zwar zwischen der aktiven Schicht 14 und der ersten Elektronenblockierschicht 21.
Die Komponenten, die andere als die Elektronenblockierstrukturschicht 20 bei dieser Ausführungsform sind, werden nachstehend detailliert erklärt werden.
Substrat 10
Für das Substrat 10 kann beispielsweise ein Saphirsubstrat verwendet werden. Ein Saphirsubstrat ist gegenüber tief ultraviolettem Licht transparent und ist als Substrat für ein lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element geeignet, das tief ultraviolettes Licht emittiert. Ein Saphirsubstrat mit c-Ebene, bevorzugter einer Ebene, die zur c-Ebene in einer Richtung einer a-Achse oder einer m-Achse unter einem Winkel in einem Bereich zwischen 0.2 und 2 Grad geneigt ist, als die obere Fläche ist für ein Nitrid-Halbleiter-Wachstum geeignet.
Pufferschicht 11
Die Pufferschicht 11 ist beispielsweise aus Aluminiumnitrid (AIN) hergestellt, das auf die obere Fläche des Substrats 10 aufgewachsen ist, und puffert die Gitterfehlanpassung zwischen dem Saphir und der darauf aufgewachsenen Nitrid-Halbleiterschicht. Aluminiumnitrid hat eine extreme weite Bandlücke und ist transparent gegenüber tief Ultraviolett und ist somit geeignet in dem Fall, in welchem tief ultraviolettes Licht von der Saphirsubstratseite extrahiert wird. Während der frühen Stufe eines Anwachsens der Pufferschicht 11 können zahlreiche Defekte, die der Gitterfehlanpassung mit dem Saphirsubstrat und dem Unterschied bezüglich des thermischen Expansionskoeffizienten zuschreibbar sind, gelegentlich eingeführt werden. Demgemäß ist die Pufferschicht 11 bevorzugt bis zu einer bestimmten Dicke ausgebildet, beispielsweise bis zu einer Dicke von wenigstens 2 µm. Es gibt keine besondere obere Grenze für die Dicke der Pufferschicht 11, aber sie wird höchstens auf 4 µm eingestellt, um eine Produktivität nicht zu reduzieren. Die Pufferschicht 11 (Aluminiumnitrid) ist bevorzugt ein Einkristall. Einkristall-Aluminiumnitrid hat eine erhöhte c-Achsen-Orientierbarkeit, was die KristallOrientierung der aktiven Schicht 14 verbessert, um dadurch die Emissionseffizienz zu erhöhen.
Supergitterschicht 12
Ausgebildet durch abwechselndes Stapeln einer ersten Schicht mit einer kleinen Gitterkonstante und einer zweiten Schicht mit einer größeren Gitterkonstante als derjenigen der ersten Schicht in eine periodische Mehrschichtenstruktur puffert die Supergitterschicht 12 die Spannung, die auf die darauf ausgebildeten oberen Schichten angelegt werden wird. Dies kann verhindern, dass Brüche bzw. Risse in der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 auftreten. Die Supergitterschicht 12 ist beispielsweise durch abwechselndes Stapeln eines Aluminiumnitrid-(AIN-)Schicht und einer Aluminiumgalliumnitrid-(AlGaN-)Schicht aufgebaut.
Die unterste Schicht der Supergitterschicht 12 in Kontakt mit der Pufferschicht 11 kann entweder eine Aluminiumnitrid-(AIN-)Schicht oder einen Aluminiumgalliumnitrid-(AlGaN-)Schicht sein. Die oberste Schicht der Supergitterschicht 12 in Kontakt mit der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 kann auch entweder eine Aluminiumnitrid-(AIN-)Schicht oder einen Aluminiumgalliumnitrid-(AlGaN-)Schicht sein. Die Aluminiumnitrid-Schicht und/oder die Aluminiumgalliumnitrid-Schicht können/kann darüber hinaus mit einem additiven Element dotiert sein, wie beispielsweise n-Typ-Störstellen, gemäß einer gegebenen Zielsetzung. Im Fall eines Extrahierens von tief ultraviolettem Licht aus der Seite des Saphirsubstrats 10 ist die Zusammensetzung der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht so eingestellt, dass sie eine größere Bandlücke als die Photonenenergie des von der aktiven Schicht emittierten tief ultravioletten Lichts hat.
N-seitige Schicht 13
Die n-seitige Schicht 13 enthält eine erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 und eine zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132.
Erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131
Die erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 ist eine Schicht, deren Zusammensetzung sich von der Supergitterschichtseite zur Seite der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht kontinuierlich ändert, d.h. in der Richtung nach oben, und ist beispielsweise in Kontakt mit der oberen Fläche der Supergitterschicht ausgebildet. Die erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 kann die Kristallinität der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 verbessern, die in Kontakt mit der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 ausgebildet ist.
Die erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 ist beispielsweise aus undotiertem Aluminiumgalliumnitrid hergestellt und der Aluminiumanteil mAl1 im Aluminiumgalliumnitrid (AlmAl1Ga1·mAl1N) wird in der Richtung nach oben sukzessiv oder nach und nach kleiner. Darüber hinaus ist der Aluminiumanteil mAl1 durch das Verhältnis von Aluminium zur Summe aus dem Gallium und Aluminium im Aluminiumgalliumnitrid definiert. Darüber hinaus ist im Fall eines Extrahierens von tief ultraviolettem Licht aus der Seite des Saphirsubstrats 10 der minimale Wert von mAl1 so eingestellt, dass die erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht als ein Ganzes transparent gegenüber von der aktiven Schicht emittiertem tief ultraviolettem Licht ist.
Zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132
Die zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 ist eine Schicht, deren Zusammensetzung sich von der Seite der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 zur Seite der aktiven Schicht 14 kontinuierlich ändert, und ist in Kontakt mit der oberen Fläche der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 ausgebildet. Die zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 ist beispielsweise aus einem mit n-Typ-Störstellen dotiertem Aluminiumgalliumnitrid hergestellt, und der Aluminiumanteil mAl2 im Aluminiumgalliumnitrid (AlmAl2Ga1·mAl2N) wird in der Richtung nach oben sukzessiv oder nach und nach kleiner. Eine solche zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 kann den Teilbereich bilden, wo die n-Elektrode tief in einer Al-Zusammensetzung angeordnet ist. Ein Bilden einer tiefen Al-Zusammensetzung kann die n-Typ-Störstellen besser aktivieren, um dadurch den Kontaktwiderstand zwischen der n-Elektrode und der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 zu reduzieren. Hier sind die n-Typ-Störstellen beispielsweise Silizium.
Darüber hinaus ist im Fall eines Extrahierens von tief ultraviolettem Licht von der Seite des Saphirsubstrats 10 der minimale Wert von mAl2 so eingestellt, dass die zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht als Ganzes gegenüber dem von der aktiven Schicht emittierten tief ultravioletten Licht transparent ist.
Beziehung zwischen den ersten und zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschichten
Die Zusammensetzungen der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 und der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132, sowie wie sich die Zusammensetzungen ändern, können unabhängig voneinander eingestellt werden. Jedoch ist der Aluminiumanteil mAl1 bei der oberen Fläche der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 (hierin nachfolgend mAI1u genannt) bevorzugt gleich dem oder größer als der Aluminiumanteil mAl2 an der unteren Fläche der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 (hierin nachfolgend mAl2b genannt), da dies eine Kompressionsspannung an die gesamte zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 anlegen wird, die die Auftritte von Brüchen bzw. Rissen reduziert. Es ist bevorzugter, die Werte einzustellen, um die Beziehung mAI1u > mAl2b zu erfüllen, während der Unterschied zwischen mAI1u und mAL2b relative klein gemacht wird, da dies das Auftreten von Defekten an der Schnittstelle verhindert, die durch die Gitterfehlanpassung verursacht sind. Der bevorzugte Bereich des mAl1 u/mAl2b-Verhältnisses ist 1.00 oder höher, aber 1.02 oder niedriger. Darüber hinaus bilden die erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 und die zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 die n-seitige Schicht 13 aus und ist die n-Elektrode 31 in Kontakt mit der oberen Fläche der ersten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131 ausgebildet.
Aktive Schicht 14
Die auf der oberen Fläche der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 ausgebildete aktive Schicht 14 hat eine Wannenschicht 142 und Sperrschichten 141 und 143, die beispielsweise aus einem Nitrid-Halbleiter der Gruppe III hergestellt sind, der tief ultraviolettes Licht emittiert. Die Wannenschicht 142 und die Sperrschichten 141 und 143 können beispielsweise mit einem Nitrid der Gruppe III aufgebaut sein, das durch die allgemeine Formel InaAlbGa1·a·bN (0 ≤ a ≤ 0.1, 0.4 ≤ b ≤ 1.0, a + b ≤ 1.0) dargestellt ist. Im Fall eines Erreichens eines lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elements, das bei dieser Ausführungsform tief ultraviolettes Licht einer Spitzen-Wellenlänge von 280 nm emittiert, kann beispielsweise ein Nitrid-Halbleiter mit drei Elementen von AlxGa1-xN ausgewählt werden, um die Wannenschicht 142 aufzubauen, und kann die Aluminiumzusammensetzung x von 0.45, d.h. ein Nitrid-Halbleiter Al0.45Ga0.55N, verwendet werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein Nitrid-Halbleiter mit drei Elementen von Aly-Ga1-yN ausgewählt werden, um die Sperrschichten 141 und 143 aufzubauen, und kann die Aluminiumzusammensetzung y von 0.56, d.h. ein Nitrid-Halbleiter Al0.56Ga0.44N, verwendet werden. 1 stellt eine aktive Schicht 14 dar, die zwei Wannenschichten 142 und zwei Sperrschichten 141 und 143 enthält, spezifischer die Sperrschicht 141 in Kontakt mit der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132, der Wannenschicht 142, der Sperrschicht 143 und der Wannenschicht 142, gestapelt in dieser Reihenfolge in Richtung zur Elektronenblockierstrukturschicht 20. In der aktiven Schicht 14 ist darüber hinaus die Dicke von jeder Schicht beispielsweise auf 50 nm für die Sperrschicht 141, 2.5 nm für die Sperrschicht 143 und 4.4 nm für die Wannenschicht 142 eingestellt. In 1 ist die aktive Schicht 14 durch Ausbilden der Sperrschicht 141 als die unterste Schicht angeordnet, so dass die Sperrschicht 141 in Kontakt mit der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 gelangt, sowie durch Ausbilden der Wannenschicht 142 als die oberste Schicht, so dass die Wannenschicht 142 in Kontakt mit der ersten Elektronenblockierschicht 21 gelangt. Die auf diese Weise aufgebaute aktive Schicht 14 kann den Elektronenüberlauf reduzieren und die Diffusion von Löchern in die aktive Schicht 14 fördern.
Jedoch können bei dieser Ausführungsform die Wannenschichten und die Sperrschichten in der aktiven Schicht 14 auf verschiedene Weisen gemäß einer gegebenen Zielsetzung angeordnet sein und kann beispielsweise alternativ eine Sperrschicht als die oberste Schicht ausgebildet sein und kann eine Wannenschicht als die unterste Schicht ausgebildet sein.
Bei dieser Ausführungsform ist darüber hinaus die aktive Schicht 14 nicht auf einen Mehrfach-Quantentopfstruktur beschränkt, die zwei oder mehr Wannenschichten enthält, sondern kann einen Einzel-Quantentopfstruktur sein, oder es ist nicht erforderlich, dass sie eine Quantentopfstruktur ist.
P-seitige Schicht 15
Die p-seitige Schicht 15 enthält eine p-seitige Mantelschicht 151, eine p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152, ein p-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht 153 und eine p-seitige Kontaktschicht 154, die so aufgebaut sind, dass ihre Bandlücken sich stufenweise verringern oder nach und nach kleiner werden, wenn sie weiter entfernt von der Elektronenblockierstrukturschicht 20 sind. Ein Aufbauen von Ihr, um die Bandlücke in Richtung zur Elektronenblockierstrukturschicht 20 zu erhöhen, auf diese Weise kann die Wanderung von Löchern in der p-seitigen mit niedriger Konzentration dotierten Schicht 153 durch die p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152 ermöglichen, um dadurch die Löcher effizient zur aktiven Schicht zuzuführen.
P-seitige Mantelschicht 151
Die p-seitige Mantelschicht 151 ist aufgebaut, um eine kleinere Bandlücke als diejenige der zweiten Elektronenblockierschicht 23 zu haben, und ist beispielsweise aus einer AlGaN-Schicht mit einem kleineren Aluminiumanteil als demjenigen der zweiten Elektronenblockierschicht 23 hergestellt. Wenn man die zweite Elektronenblockierschicht 23 mit einem Nitrid-Halbleiter mit einem Aluminiumanteil von beispielsweise 0.78, AI0.78Ga0.22N, aufbaut, kann die p-seitige Mantelschicht 151 mit einem Nitrid-Halbleiter, beispielsweise Al0.63Ga0.37N, aufgebaut sein.
P-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152
Die p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152 ist mit einer nach und nach kleineren Bandlücke aufgebaut, wenn sie entfernter von der p-seitigen Mantelschicht 151 wird. Wenn man beispielsweise die p-seitige Mantelschicht 151 mit einem Nitrid-Halbleiter Al0.63Ga0.37N aufbaut und die p-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht 153 mit GaN aufgebaut ist, kann die p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152 mit AlmAl3Ga1-mAl3N aufgebaut sein, was den Aluminiumanteil mAl3 von Al0.63Ga0.37N sukzessiv zu GaN verkleinert. Dies ermöglicht die Wanderung der Löcher in der p-seitigen mit niedriger Konzentration dotierten Schicht 153 durch die p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht 152, um die Löcher effektiv zur aktiven Schicht zuzuführen.
P-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht 153
Die p-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht 153 ist beispielsweise aus GaN hergestellt und spielt eine Rolle eines lateralen Diffundierens des Stroms.
P-seitige Kontaktschicht 154
Die p- seitige Kontaktschicht 154 ist beispielsweise aus GaN hergestellt und enthält p-Typ-Störstellen in einer höheren Konzentration als derjenigen der p-seitigen mit niedriger Konzentration dotierten Schicht 153. Für die p-Typ-Störstellen wird bevorzugt Magnesium verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend unter Verwendung von Beispielen detaillierter erklärt werden.
Beispiel 1
Auf der oberen Fläche der c-Ebene eines Saphirsubstrats 10 wurde in einem Durchmesser von 7.62 cm (3 Inches) eine aus Aluminiumnitrid in einer Dicke von 3.5 µm hergestellte Pufferschicht 11 ausgebildet.
Als Nächstes wurde das mit der Pufferschicht 11 darauf ausgebildete Substrat 10 in einem Reaktionsgefäß platziert und es wurde zugelassen, dass eine Pufferschicht eines Einkristall-Aluminiumnitrids in einer Dicke von etwa 0.1 µm aufwächst, indem Ammoniak und Trimethylaluminium (TMA) als Ausgangsmaterialgase verwendet wurden.
Fährt man fort, wurde eine Al0.7Ga0.3N-Schicht (Schicht a) in einer Dicke von etwa 27.0 nm unter Verwendung von Ammoniak, TMA und Trimethylgallium (TMG) ausgebildet. Dann wurde unter Verwendung von Ammoniak und TMA, während eines Aussetzen der Einführung von TMG, eine AlN-Schicht (Schicht b) in einer Dicke von etwa 10.2 nm ausgebildet. Die Schichten a und b wurden jeweils 30 mal abwechselnd ausgebildet, um eine Supergitterschicht 12 auszubilden.
Dann wurde eine erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131, die undotiert und deren mAl1 sukzessiv kleiner geworden war von Al0.7Ga0.3N zu Al0.56Ga0.44N in der Richtung nach oben, unter Verwendung von Ammoniak, TMA und TMG zu einer Dicke von 500 nm ausgebildet.
Fährt man fort, wurde eine zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht 131, die mit Silizium dotiert und deren mAl2 sukzessiv kleiner geworden war von Al0.56Ga0.44N zu Al0.45Ga0.55N in der Richtung nach oben, unter Verwendung von Ammoniak, TMA, TMG und Monosilan zu einer Dicke von 2500 nm ausgebildet.
Nach einem Ausbilden der zweiten Zusammensetzungs-Gradientenschicht 132 wurde alle Gase gestoppt und der Zustand innerhalb des Reaktionsgefäßes wurde auf 970°C und 26.7 kPa (200 Torr) eingestellt. Nach den Einstellungen wurde eine mit Silizium dotierte Al0.56Ga0.44N-Sperrschicht 141 unter Verwendung von Ammoniak, TMA, Triethylgallium (TEG) und Monosilan in einer Dicke von etwa 50.0 nm ausgebildet.
Dann wurde eine Al0.45Ga0.55N-Wannenschicht 142 unter Verwendung von Ammoniak, TMA und TEG in einer Dicke von etwa 4.4 nm unter Aussetzung der Einführung von Monosilan ausgebildet. Fährt man fort, wurde eine mit Silizium dotierte Al0.56Ga0.44N-Sperrschicht 143 unter Verwendung von Ammoniak, TMA, TEG und Monosilan in einer Dicke von etwa 2.5 nm ausgebildet. Als Nächstes wurde eine Al0.45Ga0.55N-Wannenschicht 142 unter Verwendung von Ammoniak, TMA und TEG unter Aussetzung der Einführung von Monosilan in einer Dicke von etwa 4.4 nm ausgebildet.
Die aktive Schicht 14 wurde wie oben ausgebildet.
Nach einem Ausbilden der aktiven Schicht wurden alle Gase gestoppt und wurden die Bedingungen innerhalb des Reaktionsgefäßes auf 870°C und 13.3 kPa eingestellt. Nach der Einstellung wurde unter Verwendung von Ammoniak und TMA eine aus mit einer p-Typ-Störstelle (Mg) dotiertem Aluminiumnitrid hergestellte erste Elektronenblockierschicht 21 in einer Dicke von etwa 1.0 nm ausgebildet.
Als Nächstes wurde eine Al0.45Ga0.55N-Zwischenschicht 22 unter Verwendung von Ammoniak, TMA und TMG (oder TEG) in einer Dicke von etwa 1.0 nm ausgebildet.
Fährt man fort, wurde unter Verwendung von Ammoniak, TMA und TMG (oder TEG) eine einer p-Typ-Störstelle dotierte zweite Al0.78Ga0.22N-Elektronenblockierschicht 23 in einer Dicke von etwa 4.0 nm ausgebildet.
Fährt man fort, wurde unter Verwendung von Ammoniak, TMA, TMG (oder (TEG) und Bis(Cyclopentadienyl)Magnesium (Cp2Mg; Magnesocen) eine mit Magnesium dotierte p-seitige Al0.63Ga0.37N-Mantelschicht 151 in einer Dicke von etwa 78.0 nm ausgebildet.
Dann wurde eine p-seitige Zusammensetzungs-Gradientenschicht 152, die mit Magnesium dotiert ist und deren mAl3 sukzessiv von Al0.6Ga0.4N zu GaN in der Richtung nach oben kleiner wird, unter Verwendung von Ammoniak, TMA, TNG (oder TEG) und Cp2Mg in einer Dicke von 23.0 nm ausgebildet.
Fährt man fort, wurde eine mit mit Magnesium dotiertem Galliumnitrid mit niedriger Konzentration dotierte p-seitige Schicht 153 unter Verwendung von Ammoniak, TMG und Cp2Mg in einer Dicke von etwa 300.0 nm ausgebildet.
Dann wurde unter Verwendung von Ammoniak, TMG und Cp2Mg eine mit Magnesium dotierte p-seitige Galliumnitrid-Kontaktschicht 154 in einer Dicke von etwa 15 nm ausgebildet.
Freilegen einer n-seitigen Schicht
Eine Maske wurde ausschließlich der vorgeschriebenen Bereiche so ausgebildet, dass nur die vorgeschriebenen Bereiche geätzt wurden. Nach einem Ausbilden der Maske wurde der Halbleiterstapel in einer Trockenätzvorrichtung platziert und ein Ätzen wurde von der p-seitigen Schicht bis zu etwa 0.8 µm durchgeführt, um die n-seitige Schicht in einem vorgeschriebenen Gebiet freizulegen. Nach einem Ätzen wurde der Halbleiterstapel von der Trockenätzvorrichtung entfernt und die Maske wurde entfernt.
N-Elektrodenausbildung
Eine Maske wurde so ausgebildet, dass ein Sputtern nur auf dem freigelegten Elektrodenausbildungsbereich auf der n-seitigen Schicht durchgeführt wird. Fährt man fort, wurde der Halbleiterstapel in einer Sputtervorrichtung platziert und wurde ein Sputtern unter Verwendung einer Titan-Aluminium-Legierung durchgeführt. Nachfolgend resultierte eine Entfernung der Maske in einer n-Elektrode bei dem freigelegten Bereich auf der oberen Fläche der n-seitigen Schicht. An dieser Stelle war sie in dem Zustand, in welchem eine Vielzahl von Halbleiterstapeln auf einem Wafer ausgebildet worden war, und die einzelnen Halbleiterstapel nutzten die n-seitige Schicht gemeinsam.
P-Elektrodenausbildung
Eine Maske wurde so ausgebildet, dass ein Sputtern nur auf der oberen Fläche der p-seitigen Kontaktschicht 154 durchgeführt wird. Fährt man fort, wurden die Halbleiterstapel in einer Sputtervorrichtung platziert und wurde ein Sputtern unter Verwendung von ITO durchgeführt. Nachfolgend resultierte eine Entfernung der Maske in einer p-Elektrode auf der oberen Fläche der p-seitigen Kontaktschicht 154.
Trennung in Stücke bzw. Einzelteile
Nach den oben beschriebenen Schritten wurde der Wafer in einzelne Elemente aufgeteilt.
das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element des Beispiels 1, das tief ultraviolettes Licht einer Wellenlänge von 280 nm emittiert, wurde hergestellt, wie es oben beschrieben ist.
Lebensdauerprüfung
Eine Lebensdauerprüfung wurde vor einer Trennung in Stücke an dem Wafer durchgeführt, auf welchem die Halbleiterstapel unter denselben Bedingungen wie denjenigen des obigen Beispiels 1 ausgebildet wurden, und einem unter denselben Bedingungen wie denjenigen des obigen Beispiels 1, außer dass die zweite Elektronenblockierschicht 23 auf der ersten Elektronenblockierschicht 21 ohne Ausbilden einer Zwischenschicht 22 ausgebildet wurde, vorbereiteten Vergleichswafer durch kontinuierliche Verwendung durchgeführt, während 150 mA unter Raumtemperatur angelegt ist, um die optische Ausgabe (20 mA) in Intervallen von einer Minute zu messen. 6 zeigt die Ergebnisse. Drüber hinaus zeigt 6 die Änderungen über der Zeit unter der Annahme, dass die anfängliche Ausgabe 100% ist.
Die lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elemente des Beispiels 1 waren selbst nach 800 Minuten 85% im Vergleich mit den lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elementen des Vergleichsbeispiels, die unter 60% waren, was eine verbesserte Lebensdauer für die lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elemente des Beispiels zeigt.
Bespiel 2
Sechs lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Elemente (Probennr. 1 - 6) wurden als Beispiel auf eine ähnliche Weise zu den lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elementen des Beispiels 1 vorbereitet, außer für ein Ändern der Dicke der ersten Elektronenblockierschicht 21, und ihre Emissionsausgabe-Aufrechterhaltungsraten nach einer bestimmten Zeitperiode wurden ausgewertet.
Die Aufrechterhaltungsraten wurden durch Durchführen einer beschleunigten Prüfung durchgeführt. Spezifisch wurde nach einen Unterziehen von jedem lichtemittierendem Element einer beschleunigten Prüfung durch Laufenlassen einen elektrischen Stroms von 150 mA für 700 Minuten die optische Ausgabe bei 20 mA gemessen und wurden die Ausgabe-Aufrechterhaltungsaten vor und nach dem Test berechnet.
7 zeigt die Ergebnisse.
Hier sind die Dicke der ersten Elektronenblockierschicht 21 in jedem der lichtemittierenden Nitrid-Halbleiter-Elemente in nachstehender Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Probennr. Dicke der ersten Elektronenblockierschicht 21 (nm)

1 0.5

2 0.9

3 1.3

4 1.3

5 1.3

6 2.3
Aus den in 7 gezeigten Ergebnissen wurde bestätigt, dass dann, wenn die Dicke der aus AIN hergestellten ersten Elektronenblockierschicht 21 im Bereich von 0.9 bis 2.0 nm ist, hohe Ausmaße an Elektronenblockiereffekten erreicht werden können, und wenn die Dicke im Bereich von 0.9 bis 1.3 nm ist, ein sogar höheres Ausmaß an Elektronenblockiereffekt erreicht werden kann.
Wenn die erste Elektronenblockierschicht 21 (AlN-Schicht) so dünn wie etwa 0.5 nm wird, wurde eine Abnahme in Bezug auf eine Aufrechterhaltungsrate beobachtet, von der geglaubt wird, dass sie einer Abnahme des Elektronenblockiereffekts zuschreibbar ist. Wenn die erste Elektronenblockierschicht 21 (AIN-Schicht) so dick wie etwa 2.3 nm wird, wurde eine Abnahme bezüglich der Aufrechterhaltungsrate beobachtet. Es wird geglaubt, dass dies aufgrund dessen so ist, weil die in der Bandlücke der Wannenschicht auftretende Verzerrung größer wird, um dadurch die Konzentration eines elektrischen Felds zu ermöglichen, d.h. die Bandlücke wird klein und lässt zu, dass das meiste einer Strahlungsrekombination in diesem kleinen Bandlückenteil auftritt, was folglich zulässt, dass sich das elektrische Feld konzentriert und die Lebensdauer der Elemente reduziert.
Bezugszeichenliste

10 ...: Substrat
11 ...: Pufferschicht
12 ...: Supergitterschicht
13 ...: n-seitige Schicht
14 ...: aktive Schicht
15 ...: p-seitige Schicht
20 ...: Elektronenblockierstrukturschicht
21 ...: erste Elektronenblockierschicht
22 ...: Zwischenschicht
23 ...: zweite Elektronenblockierschicht
131 ...: erste Zusammensetzungs-Gradientenschicht
132 ...: zweite Zusammensetzungs-Gradientenschicht
141, 143 ...: Sperrschicht
142 ...: Wannenschicht
151 ...: p-seitige Mantelschicht
152 ...: p-seitige Zusammensetzungs-Gradienten-Mantelschicht
153 ...: p-seitige mit niedriger Konzentration dotierte Schicht
154 ...: p-seitige Kontaktschicht

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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/104969 [0004]

Claims

Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element umfassend: eine n-seitige Schicht, eine p-seitige Schicht, und eine zwischen der n-seitigen Schicht und der p-seitigen Schicht angeordnete aktive Schicht, die eine Wannenschicht umfasst, die Al, Ga und N enthält, und eine Sperrschicht, die Al, Ga und N enthält, wobei der AI-Gehalt höher als derjenige der Wannenschicht ist, wobei das lichtemittierende Nitrid-Halbleiter-Element eine Elektronenblockierstrukturschicht zwischen der aktiven Schicht und der p-seitigen Schicht hat, und die Elektronenblockierstrukturschicht folgendes enthält eine erste Elektronenblockierschicht, die zwischen der p-seitigen Schicht und der aktiven Schicht angeordnet ist und eine Bandlücke hat, die größer als diejenige der Sperrschicht ist, eine zweite Elektronenblockierschicht, die zwischen der p-seitigen Schicht und der ersten Elektronenblockierschicht angeordnet ist und eine Bandlücke hat, die größer als diejenige der Sperrschicht ist, aber kleiner als diejenige der ersten Elektronenblockierschicht, und eine Zwischenschicht, die zwischen der ersten Elektronenblockierschicht und der zweiten Elektronenblockierschicht angeordnet ist und eine Bandlücke hat, die kleiner als diejenige der zweiten Elektronenblockierschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach Anspruch 1, wobei die Bandlücke der Zwischenschicht kleiner als die Bandlücke der Sperrschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektronenblockierschicht in Kontakt mit der Wannenschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke der ersten Elektronenblockierschicht kleiner als die Dicke der zweiten Elektronenblockierschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Zwischenschicht kleiner als die Dicke der zweiten Elektronenblockierschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zwischenschicht eine Bandlücke hat, die dieselbe wie diejenige der Wannenschicht ist, oder größer als diejenige der Wannenschicht ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach Anspruch 6, das eine Emissions-Spitzenwellenlänge in einem Bereich zwischen 250 und 310 nm hat.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach Anspruch 7, wobei die erste Elektronenblockierschicht aus AIN hergestellt ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Zwischenschicht aus AIGaN hergestellt ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zweite Elektronenblockierschicht aus AIGaN hergestellt ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Dicke der ersten Elektronenblockierschicht 0.9 bis 2.0 nm ist.
Lichtemittierendes Nitrid-Halbleiter-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste Elektronenblockierschicht eine nicht dotierte Schicht ist, die effektiv keine p-Typ-Störstellen enthält.