DE112019003671T5

DE112019003671T5 - Halbleiterlichtemissionselement

Info

Publication number: DE112019003671T5
Application number: DE112019003671.8T
Authority: DE
Inventors: Yuusuke Nakayama
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US20210328410A1; WO2020017207A1; JPWO2020017207A1

Abstract

Ein Halbleiterlichtemissionselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet Folgendes: ein Nitridhalbleitersubstrat, das eine Hauptebene aufweist, die von einer c-Ebene in einer m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90° geneigt ist; eine Grundschicht, die auf dem Nitridhalbleitersubstrat bereitgestellt ist und eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, die gestapelt sind, wobei die erste Schicht Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1) umfasst und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie, wo die Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats eine (1-100)-Ebene schneidet, aufweist, und die zweite Schicht Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie, wo die Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats eine (0001)-Ebene schneidet, aufweist; und eine Vorrichtungsschicht, die eine aktive Schicht beinhaltet, die auf der Grundschicht bereitgestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die zum Beispiel ein Nitridhalbleitermaterial verwendet.
Stand der Technik
In letzter Zeit wurden Halbleiterlaser (LDs: Laserdioden) und Leuchtdioden (LEDs: Light Emitting Diodes), die einen Nitridhalbleiter verwenden und Licht in einem Bereich von einem blauen Band bis zu einem grünen Band emittieren, aktiv zur Verwendung als eine Lichtquelle entwickelt. Unter Obigem ist ein semipolarer oder nichtpolarer Nitridhalbleiter, der zum Reduzieren eines Einflusses eines piezoelektrischen Feldes in der Lage ist, effektiv zum Konfigurieren einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die Licht in einem langen Wellenlängenband emittiert.
Um eine längere Emissionswellenlänge einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung mit einer aktiven Schicht, die GaInN beinhaltet, zu erreichen, ist es notwendig, einen Anteil an Indium (In) zu erhöhen. Falls eine aktive Schicht mit einem hohen In-Anteil unter Verwendung eines typischen Verfahrens kristallin auf einem GaN-Substrat aufgewachsen wird, wächst die aktive Schicht mit dem hohen In-Anteil, während das Gitter mit dem GaN-Substrat übereinstimmt. Dies führt zu einem höheren Gitterfehlanpassungsgrad, was bewirkt, dass ein Kristalldefekt oder eine Versetzung eingeführt wird, wodurch die Kristallinität verschlechtert wird.
Um dies zu bewältigen, offenbart PTL 1 zum Beispiel eine optische Vorrichtung, bei der eine Schicht mit einer gitterentspannten Gitterkonstante zwischen einem GaN-Substrat und einer optischen Vorrichtungsstruktur bereitgestellt wird, indem (eine) Fehlanpassungsversetzung(en) um Heterogrenzflächen herum begrenzt wird (werden).
Zitatliste
Nicht-Patentliteratur
PTL 1: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung (veröffentlichte japanische Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr. JP2013-502730 Kurzdarstellung der Erfindung
Währenddessen wird gefordert, dass eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die einen Nitridhalbleiter verwendet, bezüglich Lichtemissionscharakteristiken verbessert wird.
Es ist wünschenswert, eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, die Lichtemissionscharakteristiken zu verbessern.
Eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet Folgendes: ein Nitridhalbleitersubstrat, das als eine Hauptebene eine Ebene aufweist, die von einer c-Ebene in einer m-Achse-Richtung innerhalb eines Bereichs von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist; eine Unterschicht, die auf dem Nitridhalbleitersubstrat bereitgestellt ist und eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, die aufeinander gestapelt sind, wobei die erste Schicht Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 < x2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (1-100)-Ebene aufweist, wobei die zweite Schicht Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (0001)-Ebene aufweist; und eine Vorrichtungsschicht einschließlich einer aktiven Schicht, die auf der Unterschicht bereitgestellt ist.
Bei der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die zwei Schichten, die als eine Unterschicht dienen, die sich voneinander bezüglich der Versetzungsrichtung in der Schicht unterscheiden, auf dem Nitridhalbleitersubstrat bereitgestellt, das als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Die zwei Schichten, die als die Unterschicht dienen, sind die erste Schicht, die Al_x2In_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1) beinhaltet, und die zweite Schicht, die Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) beinhaltet, von denen jeweilige Versetzungsrichtungen zwei Richtungen entlang der Schnittlinien der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und der (1-100)- und (0001)-Ebene sind. Dies bildet die ausreichend gitterentspannte Unterschicht und verbessert die Kristallinität der aktiven Schicht, die oberhalb des Nitridhalbleitersubstrats zu bilden ist.
Gemäß der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung der Ausführungsform der Offenbarung, wie oben beschrieben, ist die Unterschicht, in der die erste Schicht einschließlich Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1) und die zweite Schicht einschließlich Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1), die Versetzungen in jeweils unterschiedlichen Richtungen in den Schichten aufweisen, aufeinander gestapelt sind, auf dem Nitridhalbleitersubstrat gebildet, das als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Dies fördert eine Gitterentspannung der Unterschicht und verbessert die Kristallqualität der aktiven Schicht, die oberhalb des Nitridhalbleitersubstrats zu bilden ist. Entsprechend ist es möglich, die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung mit besseren Lichtemissionscharakteristiken bereitzustellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Effekte nicht zwangsweise einschränkend sind und beliebige der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Effekte sein können.
Figurenliste

[1] 1 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
[2] 2 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration eines Halbleiterlasers als ein spezielles Beispiel für die in 1 veranschaulichte Halbleiterlichtemissionsvorrichtung veranschaulicht.
[3] 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Bildungsverfahren des in 2 veranschaulichten Halbleiterlasers veranschaulicht.
[4A] 4A ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das das Bildungsverfahren des in 2 veranschaulichten Halbleiterlasers veranschaulicht.
[4B] 4B ist ein schematisches Querschnittsdiagramm anschließend an 4A.
[4C] 4C ist ein schematisches Querschnittsdiagramm anschließend an 4B.
[5] 5 ist ein Diagramm, das Ebenenorientierungen eines Substrats und jeder Unterschicht, die in 1 veranschaulicht sind, veranschaulicht.
[6A] 6A veranschaulicht ein SEM-Bild einer ersten Unterschicht.
[6B] 6B veranschaulicht ein SEM-Bild einer zweiten Unterschicht.
[7] 7 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung gemäß einem Modifikationsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

Ausführungsweisen der Erfindung
Im Folgenden werden manche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung betrifft spezielle Beispiele der vorliegenden Offenbarung und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Außerdem ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die Anordnung, Abmessungen, Abmessungsverhältnisse und dergleichen jeweiliger in den Zeichnungen veranschaulichter Komponenten beschränkt. Es wird angemerkt, dass die Beschreibung in der folgenden Reihenfolge gegeben ist.
Ausführungsform
(Ein Beispiel, bei dem zwei Schichten, die sich bezüglich der Versetzungsrichtung in der Schicht voneinander unterscheiden, als Unterschichten auf einem Substrat bereitgestellt sind)

1-1. Konfiguration eines Halbleiterlasers
1-2. Herstellungsverfahren eines Halbleiterlasers
1-3. Arbeitsweisen und Effekte

Modifikationsbeispiel
(Ein Beispiel bei dem jeweilige Zwischenschichten zwischen dem Substrat und einer ersten Unterschicht, zwischen der ersten Unterschicht und einer zweiten Unterschicht und zwischen der zweiten Unterschicht und einer Vorrichtungsschicht bereitgestellt sind)
<1. Ausführungsform>
1 veranschaulicht eine Querschnittskonfiguration einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung (einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch. Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 ist zum Beispiel ein Halbleiterlaser (LD), eine Leuchtdiode (LED) oder dergleichen, die/der Licht in einem sichtbaren Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge von 480 nm oder mehr emittiert. Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform weist eine Konfiguration auf, bei der eine erste Unterschicht 12 (eine erste Schicht) und eine zweite Unterschicht 13, die sich voneinander bezüglich der Versetzungsrichtung in der Schicht unterscheiden, in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 11 (einem Nitridhalbleitersubstrat) gestapelt sind, das als eine Hauptebene eine Ebene aufweist, die von einer c-Ebene in einer m-Achse-Richtung in einem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Ferner ist eine Vorrichtungsschicht 20 (eine Vorrichtung) einschließlich einer aktiven Schicht (zum Beispiel einer aktiven Schicht 23) auf der zweiten Unterschicht 13 (einer zweiten Schicht) bereitgestellt. Es ist anzumerken, dass 1 die Querschnittskonfiguration der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 schematisch veranschaulicht, wobei Abmessungen und Formen von tatsächlichen abweichen.
(1-1. Konfiguration eines Halbleiterlasers)
2 veranschaulicht ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Halbleiterlasers 1A als ein spezielles Beispiel für die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 schematisch. Der Halbleiterlaser 1A ist zum Beispiel ein nitridbasierter Halbleiterlaser, der Laserlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 480 nm oder mehr oszilliert, und wird als eine Lichtquelle für zum Beispiel eine Laseranzeige, einen Pointer oder dergleichen verwendet. Der Halbleiterlaser 1A weist eine Konfiguration auf, bei der eine n-Typ-Mantelschicht 21, eine n-Typ-Leitungsschicht 22, die aktive Schicht 23, eine p-Typ-Leitungsschicht 24, eine p-Typ-Mantelschicht 25 mit einem Erhöhungsteil 25X, eine Kontaktschicht 26 und eine Strombegrenzungsschicht 27, wobei die Strombegrenzungsschicht 27 auf einer oberen Oberfläche der Mantelschicht 25 und kontinuierlich auf einer Seitenoberfläche des Erhöhungsteils 25X und einer Seitenoberfläche der Kontaktschicht 26 bereitgestellt ist, der Reihe nach als die Vorrichtungsschicht 20 auf einem Vorlagensubstrat 10 einschließlich des oben beschriebenen Substrats 11, der ersten Unterschicht 12 und der zweiten Unterschicht 13 gestapelt sind. Eine untere Elektrode 31 und eine obere Elektrode 32 sind auf einer hinteren Oberfläche (einer Oberfläche gegenüber einer Oberfläche, wo die oben beschriebene Vorrichtungsschicht 20 gebildet ist) des Substrats 11 bzw. der Kontaktschicht 26 gebildet.
Das Substrat 11 ist ein Nitridhalbleitersubstrat, das als eine Hauptebene eine Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung innerhalb des Bereichs von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Eine Ebenenorientierung des Substrats 11 ist zum Beispiel (10-11), (20-21), (30-31) oder (1-100). Das Substrat 11 weist eine Dicke in einem Bereich von zum Beispiel 300 µm bis 500 µm auf.
Die erste Unterschicht 12 ist auf dem Substrat 11 bereitgestellt und beinhaltet zum Beispiel Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1), wobei eine Versetzung in einer Richtung einer Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und einer (1-100)-Ebene (siehe 6A) eingeführt ist, wobei Einzelheiten davon später beschrieben werden. Die erste Unterschicht 12 weist bevorzugt einen hohen Indium(In)-Anteil auf. Zum Beispiel beträgt ein Indium(In)-Anteil x1 der ersten Unterschicht 12 bevorzugt 6 % oder mehr, weiter bevorzugt 20 % oder mehr und besonders bevorzugt 30 % oder mehr. Es gibt keine spezielle Beschränkung für eine obere Grenze davon; jedoch wird in Anbetracht von Bedingungen für ein Kristallwachstum der ersten Unterschicht 12 und eines Oberflächenzustands nach dem Wachstum bevorzugt, dass die obere Grenze nicht mehr als zum Beispiel 50 % beträgt. Eine Dicke (d1) der ersten Unterschicht 12 beträgt zum Beispiel bevorzugt 3 nm oder mehr, weiter bevorzugt 10 nm oder mehr und besonders bevorzugt 15 nm oder mehr. Die Dicke ist bevorzugt kleiner als jene der zweiten Unterschicht 13, die später beschrieben wird, und eine obere Grenze davon ist zum Beispiel kleiner als 50 nm.
Die zweite Unterschicht 13 ist auf der ersten Unterschicht 12 bereitgestellt und beinhaltet zum Beispiel Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1), wobei eine Versetzung in einer Richtung einer Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und einer (0001)-Ebene (siehe 6B) eingeführt ist, wobei Einzelheiten davon später beschrieben werden. Die zweite Unterschicht 13 weist bevorzugt einen geringeren (In)-Anteil als die erste Unterschicht 12 auf. Zum Beispiel ist ein Indium(In)-Anteil y1 der zweiten Unterschicht 13 bevorzugt niedriger als 6 %. Eine untere Grenze davon ist bevorzugt 0,5 % oder mehr, weiter bevorzugt 2 % oder mehr und besonders bevorzugt 4 % oder mehr. Eine Dicke (d2) der zweiten Unterschicht 13 ist bevorzugt größer als jene der ersten Unterschicht 12 und beträgt zum Beispiel bevorzugt 50 nm oder mehr, weiter bevorzugt 200 nm oder mehr und besonders bevorzugt 300 nm oder mehr. Eine obere Grenze davon ist in Anbetracht der Planarität der Oberfläche bevorzugt nicht größer als 1 µm.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Versetzungsrichtungen der ersten Unterschicht 12 und der zweiten Unterschicht 13, die oben beschrieben sind, den größten Teil, zum Beispiel 80 % oder mehr, der Schichten belegen und eine Versetzung außer der obigen eingeführt werden kann. Außerdem sind die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 jeweils mit zum Beispiel Silicium (Si) als ein n-Typ-Dotierungsstoff dotiert. Obwohl 1 und 2 ein Beispiel veranschaulichen, bei dem die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 in dieser Reihenfolge gestapelt sind, ist dies ferner ein nichtbeschränkendes Beispiel und die erste Unterschicht 12 kann auf der zweiten Unterschicht 13 gebildet werden.
Die Vorrichtungsschicht 20 auf dem Vorlagensubstrat 10 beinhaltet einen Nitridhalbleiter. Der Nitridhalbleiter ist zum Beispiel GaN, AlGaN, GaInN, AlGaInN oder dergleichen. Der Nitridhalbleiter kann, falls gewünscht, ein Bor(B)-Atom, ein Thallium(Tl)-Atom, Silicium (Si), Sauerstoff (O), ein Arsen(As)-Atom, ein Phosphor(P)-Atom, ein Antimon(Sb)-Atom usw. enthalten.
Die n-Typ-Mantelschicht 21 ist auf der zweiten Unterschicht 13 des Vorlagensubstrats 10 bereitgestellt und beinhaltet GaInN, das mit zum Beispiel Silicium(Si) als ein n-Typ-Dotierungsstoff dotiert ist.
Die n-Typ-Leitungsschicht 22 ist auf der n-Typ-Mantelschicht 21 bereitgestellt und beinhaltet GaInN, das mit zum Beispiel Silicium (Si) als ein n-Typ-Dotierungsstoff dotiert ist.
Die aktive Schicht 23 ist auf der n-Typ-Leitungsschicht 22 bereitgestellt. Die aktive Schicht 23 weist eine Einzelquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, wobei mehrere Quantentopfschichten mit dazwischenliegenden Barriereschichten gestapelt sind. Sowohl die Quantentopfschichten als auch die Barriereschichten der aktiven Schicht 23 beinhalten zum Beispiel Al_aIn_bGa_cN (0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1, 0 <c ≤ 1). Die Quantentopfschichten enthalten bevorzugt Indium (In) und ein In-Anteil in dem AlGalnN beträgt zum Beispiel bevorzugt 15 % oder mehr und nicht mehr als 50 % und besonders bevorzugt 20 % oder mehr und nicht mehr als 50 %. Eine Dicke der aktiven Schicht 23 beträgt zum Beispiel bevorzugt 2 nm oder mehr und nicht mehr als 10 nm. Eine Spitzenwellenlänge von Laserlicht, das von der aktiven Schicht 23 oszilliert wird. beträgt zum Beispiel bevorzugt 480 nm oder mehr und weiter bevorzugt 500 nm oder mehr.
Die p-Typ-Leitungsschicht 24 ist auf der aktiven Schicht 23 bereitgestellt und beinhaltet zum Beispiel nichtdotiertes GaInN.
Die p-Typ-Mantelschicht 25 ist auf der n-Typ-Leitungsschicht 24 bereitgestellt und beinhaltet zum Beispiel AlGaN, das mit Magnesium (Mg) als ein p-Typ-Dotierungsstoff dotiert ist. In einem Teil der p-Typ-Mantelschicht 25 ist der Erhöhungsteil 25X in der Form eines dünnen Streifens, der sich in einer Resonatorrichtung zur Strombegrenzung (in einer Z-Achse-Richtung in 2) erstreckt, als ein optischer Wellenleiter gebildet. Der Erhöhungsteil 25X weist eine Breite (eine X-Achse-Richtung in 2: w) von zum Beispiel 1 µm bis 50 µm und eine Höhe (eine Y-Achse-Richtung in 2: h) von zum Beispiel 0,1 bis 1 µm auf. Eine Länge des Erhöhungsteils 25X in der Resonatorrichtung beträgt zum Beispiel bevorzugt 200 µm oder mehr und nicht mehr als 3000 µη.
Die Kontaktschicht 26 ist auf dem Erhöhungsteil 25X der p-Typ-Mantelschicht 25 bereitgestellt und beinhaltet zum Beispiel mit Magnesium (Mg) dotiertes GaN.
Die Strombegrenzungsschicht 27 einschließlich zum Beispiel Siliciumoxid (SiO₂) ist auf der p-Typ-Mantelschicht 25, die die Seitenoberfläche des Erhöhungsteils 25X beinhaltet, und auf der Seitenoberfläche der Kontaktschicht 26 gebildet.
Die untere Elektrode 31 ist auf der hinteren Oberfläche des Substrats 11 gebildet und beinhaltet ein Metall. Ein Beispiel für die untere Elektrode 31 ist ein Mehrfachschichtfilm (Ti/Pt/Au), wobei zum Beispiel Titan (Ti), Platin (Pt) und Gold (Au) der Reihe nach von der Seite des Substrats 11 gestapelt sind. Es reicht aus, dass die untere Elektrode 31 über das Substrat 11 usw. elektrisch mit der n-Typ-Mantelschicht 21 gekoppelt ist, und die untere Elektrode 31 muss nicht zwingend auf der hinteren Oberfläche des Substrats 11 gebildet sein.
Die obere Elektrode 32 ist zum Beispiel auf der Kontaktschicht 26 und kontinuierlich auf der Seitenoberfläche des Erhöhungsteils 25X mit der Strombegrenzungsschicht 27 dazwischenliegend bereitgestellt und beinhaltet ein Metall wie bei der unteren Elektrode 31. Ein Beispiel für die obere Elektrode 32 ist ein Mehrfachschichtfilm (Pd/Pt/Au), wobei zum Beispiel Palladium (Pd), Platin (Pt) und Gold (Au) der Reihe nach von der Seite der Kontaktschicht 26 gestapelt sind. Die obere Elektrode 32 erstreckt sich in einer Bandform, um zu bewirken, dass ein Strom begrenzt wird, und ein Gebiet, das der oberen Elektrode 32 entspricht, in der aktiven Schicht 23 dient als ein Lichtemissionsgebiet.
(1-2. Herstellungsverfahren eines Halbleiterlasers)
Der Halbleiterlaser 1A der vorliegenden Ausführungsform kann zum Beispiel wie folgt hergestellt werden. 3 veranschaulicht einen Fluss eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterlasers 1A und 4A bis 4C veranschaulichen das Herstellungsverfahren des Halbleiterlasers 1A in der Prozessreihenfolge.
Zuerst wird das Substrat 11 einschließlich GaN mit zum Beispiel einer (20-21)-Ebene als eine Hauptebene zum Wachstum in einem Reaktor vorbereitet (Schritt S101). Als Nächstes werden, wie in 4A veranschaulicht, die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 in dieser Reihenfolge auf einer oberen Oberfläche (Kristallwachstumsoberfläche) des Substrats 11 durch zum Beispiel MOCVD (Metall Organic Chemical Vapor Deposition - metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) gebildet (Schritt S102).
Anschließend werden, wie in 4B veranschaulicht, die n-Typ-Mantelschicht 21, die n-Typ-Leitungsschicht 22, die aktive Schicht 23, die p-Typ-Leitungsschicht 24, die p-Typ-Mantelschicht 25 und die Kontaktschicht 26 in dieser Reihenfolge auf der zweiten Unterschicht 13 durch zum Beispiel MOCVD gebildet (Schritt S103).
Es ist anzumerken, dass beim Durchführen von MOCVD zum Beispiel Trimethylgallium ((CH3)₃Ga) als ein Quellengas für Gallium verwendet wird, zum Beispiel Trimethylaluminium ((CH3)₃Al) als ein Quellengas für Aluminium verwendet wird und zum Beispiel Trimethylindium ((CH₃)₃ln) als ein Quellengas für Indium verwendet wird. Ferner wird Ammoniak (NH₃) als ein Quellengas für Stickstoff verwendet. Ferner wird zum Beispiel Monosilan (SiH₄) als ein Quellengas für Silicium verwendet und wird zum Beispiel Bis(cyclopentadienyl)magnesium ((C₅H₅)₂Mg) als ein Quellengas für Magnesium verwendet.
Anschließend werden, wie in 4C veranschaulicht, der Erhöhungsteil 25X und die Strombegrenzungsschicht 27 gebildet (Schritt S104). Insbesondere wird der Erhöhungsteil 25X durch zum Beispiel Bilden einer Maske auf der Kontaktschicht 26 und selektives Entfernen von Teilen der Kontaktschicht 26 und der p-Typ-Mantelschicht 25 durch zum Beispiel RIE (Reactive Ion Etching: reaktives Ionenätzen) gebildet. Als Nächstes wird die Strombegrenzungsschicht 27 durch Bilden zum Beispiel eines SiO₂-Films auf der p-Typ-Mantelschicht 25 und der Kontaktschicht 26 und danach Bereitstellen einer Öffnung in einer oberen Oberfläche des Erhöhungsteils 25X gebildet.
Anschließend werden Palladium (Pd), Platin (Pt) und Gold (Au) als Filme der Reihe nach auf der Kontaktschicht 26 und der Strombegrenzungsschicht 27 durch zum Beispiel Gasphasenabscheidung, Sputtern oder dergleichen gestapelt und nachfolgend durch zum Beispiel Ätzen unter Verwendung von Fotolithografie zu einer gewünschten Form strukturiert, um dadurch die obere Elektrode 32 zu bilden. Als Nächstes wird das Substrat 11 von der hinteren Oberflächenseite poliert, um eine vorbestimmte Dicke zu erreichen, wobei ein Beispiel für diese eine Dicke von 90 µm ist, und danach wird die untere Elektrode 31 auf der hinteren Oberfläche des Substrats 11 gebildet (Schritt S105).
Anschließend wird eine Resonatorendfläche durch Spaltung gebildet (Schritt S106). Ferner wird eine Aufteilung in eine Balkenform in einer Richtung parallel zu der Resonatorendfläche durchgeführt. Der Halbleiterlaser 1A der vorliegenden Ausführungsform ist dementsprechend fertiggestellt.
Danach wird ein Isolationsfilm mit einem geringen Reflexionsgrad auf einer der Endflächen der Balkenform gebildet und wird ein Isolationsfilm mit einem hohen Reflexionsgrad auf einer anderen der Endflächen gebildet. Die Balken werden dann zu Kügelchen gemacht. Danach wird eine Herstellung gemäß einem typischen Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers durchgeführt.
Bei dem Halbleiterlaser 1A der vorliegenden Ausführungsform wird ein Strom als Reaktion auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zwischen der unteren Elektrode 31 und der oberen Elektrode 32 in die aktive Schicht 23 injiziert, und Elektronen und Löcher rekombinieren, um eine Emission von Licht zu bewirken. Das Licht wird wiederholt an einem Paar von Resonatorendflächen reflektiert und dann als Laserlicht mit einer vorbestimmten Wellenlänge von einer der Endflächen ausgegeben. Eine Laseroszillation wird dementsprechend durchgeführt.
(1-3. Arbeitsweisen und Effekte)
Wie oben beschrieben, wurden Halbleiterlaser und Leuchtdioden, die einen Nitridhalbleiterlaser verwenden und Licht in dem Bereich von dem blauen Band bis zu dem grünen Band emittieren, aktiv zur Verwendung als eine Lichtquelle entwickelt. Unter Obigem ist ein semipolarer oder nichtpolarer Nitridhalbleiter, der zum Reduzieren eines Einflusses eines piezoelektrischen Feldes in der Lage ist, effektiv zum Konfigurieren einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die Licht in einem langen Wellenlängenband emittiert.
Eine aktive Schicht, die durch ein typisches Verfahren auf einem GaN-Substrat gebildet wird, wächst kohärent. Um eine längere Emissionswellenlänge einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung mit einer aktiven Schicht, die GaInN beinhaltet, zu erreichen, ist es notwendig, den Anteil an Indium (In) zu erhöhen. Jedoch führt ein höherer In-Anteil zu einem größeren Unterscheid der Gitterkonstante von dem GaN-Substrat, wodurch bewirkt wird, dass eine Filmdicke eine kritische überschreitet. Infolgedessen wird ein Kristalldefekt oder eine Verzerrung in die aktive Schicht eingeführt, so dass ihre Kristallinität verschlechtert wird. Eine der Lösungen für dieses Problem ist ein Verfahren einer Gitterentspannung der Hauptebene des GaN-Substrats durch Bereitstellen, auf dem GaN-Substrat, einer Schicht mit einer Gitterkonstante, die gitterentspannt ist, indem (eine) Fehlanpassungsversetzung(en) um Heterogrenzflächen herum begrenzt wird (werden). Jedoch weist das GaN-Substrat mit einer semipolaren Ebene oder einer nichtpolaren Ebene als seine Hauptebene eine Kristallanisotropie auf und eine ausreichende Gitterentspannung durch das oben beschriebene Verfahren ist daher schwierig, welches in vielen Fällen zu einer partiellen Entspannung führt.
Im Gegensatz dazu sind gemäß der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 (und dem Halbleiterlaser 1A) der vorliegenden Ausführungsform die erste Unterschicht 12 einschließlich Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1,0 ≤ x2 < 1) und mit einer Versetzung entlang der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (1-100)-Ebene und die zweite Unterschicht 13 einschließlich Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) und mit einer Versetzung entlang der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (0001)-Ebene auf dem Substrat 11 gestapelt, das als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist.
5 veranschaulicht Schnittlinien, wo die (0001)-Ebene und die (1-100)-Ebene eine räumlich angeordnete Kristallebene eines GaN-Substrats schneiden. Das Substrat 11 einschließlich des GaN-Substrats, das die Ebene, die von der c-Achse geneigt ist, als seine Hauptebene aufweist, weist eine Anisotropie mit Bezug auf eine Wachstumsrichtung (eine Richtung senkrecht zu der Substrathauptebene) auf. Falls, wie oben beschrieben, die erste Unterschicht 12 einen hohen Indium(In)-Anteil aufweist und als ein dünner Film mit einer Dicke von zum Beispiel 3 nm oder mehr und weniger als 50 nm gebildet ist, erfährt die erste Unterschicht 12 lokal eine starke Verzerrung, was zu der Einführung einer Versetzung in der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (1-100)-Ebene führt, wie in 6A veranschaulicht ist. Falls, wie oben beschrieben, die zweite Unterschicht 13 einen geringen Indium(In)-Anteil aufweist und als ein dicker Film mit einer Dicke von zum Beispiel 50 nm oder mehr und nicht mehr als 500 nm gebildet ist, erfährt die zweite Unterschicht 13 eine Verzerrung über einen weiteren Bereich als dies der Fall für die erste Unterschicht 12 ist, was zu der Einführung einer Versetzung in der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (0001)-Ebene führt, wie in 6B veranschaulicht ist. Durch Stapeln dieser ersten Unterschicht 12 und zweiten Unterschicht 13 auf dem Substrat 11 ist es möglich, ausreichend gitterentspannte Unterschichten auf dem Substrat 11 zu bilden. Entsprechend ist es möglich, die Kristallinität der oberhalb des Substrats 11 zu bildenden aktiven Schicht 23 zu verbessern, die als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist.
Wie oben beschrieben sind gemäß der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 (und dem Halbleiterlaser 1A) der vorliegenden Ausführungsform die erste Unterschicht 12 einschließlich Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1,0 ≤ x2 < 1) und mit einer Versetzung in der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (1-100)-Ebene und die zweite Unterschicht 13 einschließlich Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) und mit einer Versetzung in der Richtung der Schnittlinie der Hauptebene des Substrats 11 und der (0001)-Ebene, wie oben beschrieben, auf dem Substrat 11 gestapelt, das als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Dies ermöglicht eine Gitterentspannung in den Unterschichten und verbessert die Kristallqualität der oberhalb des Substrats 11 zu bildenden aktiven Schicht 23, die als die Hauptebene die Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Entsprechend ist es möglich, die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 (und den Halbleiterlaser 1A) mit besseren Lichtemissionscharakteristiken bereitzustellen. Es ist insbesondere möglich, die Lichtemissionscharakteristiken der Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 (und des Halbleiterlasers 1A) einschließlich der aktiven Schicht 23 mit einem hohen Indium(In)-Anteil und mit einer Spitzenintensität in einem langen Wellenlängenband von zum Beispiel 480 nm oder mehr zu verbessern.
<2. Modifikationsbeispiel>
7 veranschaulicht eine Querschnittskonfiguration einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung (einer Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 2) gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch. Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 2 ist, wie in der vorhergehenden Ausführungsform, zum Beispiel ein Halbleiterlaser (LD), eine Leuchtdiode (LED) oder dergleichen, der/die Licht in einem sichtbaren Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge von 480 nm oder mehr, emittiert. Wie die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 1 weist die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung 2 des vorliegenden Modifikationsbeispiels eine Konfiguration auf, bei der die Vorrichtungsschicht 20 (eine Vorrichtung) einschließlich einer aktiven Schicht (zum Beispiel der aktiven Schicht 23) auf einem Vorlagensubstrat 40 bereitgestellt ist, in dem die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 11 gestapelt sind, das als die Hauptebene eine Ebene aufweist, die von der c-Ebene in der m-Achse-Richtung in dem Bereich von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist. Das vorliegende Modifikationsbeispiel unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform darin, dass das Vorlagensubstrat 40 mit Zwischenschichten 44, 45 und 46 zwischen dem Substrat 11 und der ersten Unterschicht 12, zwischen der ersten Unterschicht 12 und der zweiten Unterschicht 13 bzw. zwischen der zweiten Unterschicht 13 und der Vorrichtungsschicht 20 versehen ist.
Die Zwischenschichten 44, 45 und 46 beinhalten GaN, das zum Beispiel mit Silicium (Si) als ein n-Typ-Dotierungsstoff dotiert ist. Die Zwischenschichten 44, 45 und 46 sind bevorzugt in einem Fall bereitgestellt, in dem die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 einen quaternären Mischkristall aus AlGaInN mit einer Gitterkonstante größer als jene des Substrats 11 beinhalten. Die Zwischenschichten 44, 45 und 46 weisen eine Dicke von zum Beispiel 2 nm oder mehr und nicht mehr als 100 nm auf.
Wie oben beschrieben, ermöglicht es, falls die erste Unterschicht 12 und die zweite Unterschicht 13 unter Verwendung einer AlGaInN-Schicht mit einer Gitterkonstante größer als jene des Substrats 11 gebildet werden, das Bereitstellen der Zwischenschichten 44, 45 und 46 einschließlich GaN, das mit zum Beispiel Silicium (Si) dotiert ist, zwischen dem Substrat 11 und der ersten Unterschicht 12, zwischen der ersten Unterschicht 12 und der zweiten Unterschicht 13 bzw. zwischen der zweiten Unterschicht 13 und der Vorrichtungsschicht 20, die Planarität zu verbessern. Es ist dadurch möglich, Effekte ähnlich jenen der vorhergehenden Ausführungsform zu erreichen.
Es ist anzumerken, dass nicht alle der Zwischenschichten 44, 45 und 46 bereitgestellt werden müssen, sondern eine beliebige von ihnen bereitgestellt werden kann.
Obwohl die vorliegende Offenbarung oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform und das Modifikationsbeispiel beschrieben wurde, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorhergehende Ausführungsform usw. beschränkt und kann auf eine Vielzahl von Arten modifiziert werden. Zum Beispiel sind die Komponenten, die Anordnung, die Zahlen usw. in dem Halbleiterlaser 1A, die in der vorhergehenden Ausführungsform als ein Beispiel beschrieben sind, lediglich beispielhaft. Nicht alle der Komponenten müssen bereitgestellt werden oder eine beliebige andere Komponente kann ferner bereitgestellt werden.
Zudem sind die bei der vorhergehenden Ausführungsform beschriebenen Effekte usw. lediglich beispielhaft und die Effekte der vorliegenden Offenbarung können andere Effekte sein oder können ferner andere Effekte beinhalten.
Es sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Offenbarung die folgenden Konfigurationen aufweisen kann.
[1]
Eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die folgendes beinhaltet:

ein Nitridhalbleitersubstrat, das als eine Hauptebene eine Ebene aufweist, die von einer c-Ebene in einer m-Achse-Richtung innerhalb eines Bereichs von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist;
eine Unterschicht, die auf dem Nitridhalbleitersubstrat bereitgestellt ist und eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, die aufeinander gestapelt sind, wobei die erste Schicht Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (1-100)-Ebene aufweist, wobei die zweite Schicht Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (0001)-Ebene aufweist; und
eine Vorrichtungsschicht einschließlich einer aktiven Schicht, die auf der Unterschicht bereitgestellt ist.

[2]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach [1], wobei ein Indium(In)-Anteil x1 der ersten Schicht und ein Indium(In)-Anteil y1 der zweiten Schicht den Ausdruck (1) unten erfüllen:

(Math. 1 $0,5 % \leq y 1 < 6 % \leq x 1 \leq 100 %$

[3]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach [1] oder [2], wobei eine Dicke d1 der ersten Schicht und eine Dicke d2 der zweiten Schicht den Ausdruck (2) unten erfüllen:

(Math. 2) $3 nm \leq d1<50nm \leq d 2 \leq 1 μ m$

[4]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach einem von [1] bis [3], wobei die Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats eine beliebige von (10-11), (20-21), (30-31) und (1-100) ist.
[5]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach einem von [1] bis [4], wobei die aktive Schicht kohärent oberhalb einer GaInN-Schicht mit einem In-Anteil von 0,5 % oder mehr aufgewachsen ist.
[6]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach einem von [1] bis [5], wobei die aktive Schicht Laserlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 480 nm oder mehr oszilliert.
[7]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach einem von [1] bis [6], wobei die aktive Schicht Indium (In) in einem Bereich von 20 % bis 50 %, jeweils eingeschlossen, aufweist.
[8]
Die Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach einem von [1] bis [7], wobei die erste Schicht und die zweite Schicht ein quaternäres System aus AlGalnN aufweisen und eine Gitterkonstante größer als jene des Nitridhalbleitersubstrats aufweisen.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2018-136627 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 20. Juli 2018, deren gesamter Inhalt in der vorliegenden Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Es versteht sich für einen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Kombinationen, Teilkombinationen und Änderungen in Abhängigkeit von Gestaltungsanforderungen und anderen Faktoren auftreten können, insofern diese innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche oder deren Äquivalente liegen.
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

JP 2013502730 [0005]
JP 2018136627 [0060]

Claims

Halbleiterlichtemissionsvorrichtung, die folgendes umfasst: ein Nitridhalbleitersubstrat, das als eine Hauptebene eine Ebene aufweist, die von einer c-Ebene in einer m-Achse-Richtung innerhalb eines Bereichs von 60° bis 90°, jeweils eingeschlossen, geneigt ist; eine Unterschicht, die auf dem Nitridhalbleitersubstrat bereitgestellt ist und eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, die aufeinander gestapelt sind, wobei die erste Schicht Al_x2ln_x1Ga(_1-x1-x2)N (0 < x1 < 1, 0 ≤ x2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (1-100)-Ebene aufweist, wobei die zweite Schicht Al_y2ln_y1Ga(_1-y1-y2)N (0 < y1 < 1, 0 ≤ y2 < 1) aufweist und eine Versetzung entlang einer Schnittlinie der Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats und einer (0001)-Ebene aufweist; und eine Vorrichtungsschicht einschließlich einer aktiven Schicht, die auf der Unterschicht bereitgestellt ist.
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Indium(In)-Anteil x1 der ersten Schicht und ein Indium(In)-Anteil y1 der zweiten Schicht den Ausdruck (1) unten erfüllen: (Math. 1) $0,5 % \leq y 1 < 6 % \leq x 1 \leq 100 %$
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke d1 der ersten Schicht und eine Dicke d2 der zweiten Schicht den Ausdruck (2) unten erfüllen: (Math. 2) $3 nm \leq d1<50nm \leq d 2 \leq 1 μ m$
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hauptebene des Nitridhalbleitersubstrats eine beliebige von (10-11), (20-21), (30-31) und (1-100) ist.
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht kohärent oberhalb einer GaInN-Schicht mit einem In-Anteil von 0,5 % oder mehr aufgewachsen ist.
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht Laserlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 480 nm oder mehr oszilliert.
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht Indium (In) in einem Bereich von 20 % bis 50 %, jeweils eingeschlossen, aufweist.
Halbleiterlichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht ein quaternäres System aus AlGalnN aufweisen und eine Gitterkonstante größer als jene des Nitridhalbleitersubstrats aufweisen.