DE19680872B4

DE19680872B4 - Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements

Info

Publication number: DE19680872B4
Application number: DE19680872T
Authority: DE
Inventors: Koichi Nitta; Hidetoshi Fujimoto; Masayuki Ishikawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2016-08-31
Also published as: US6258617B1; CN1164934A; GB2310083A; EP0805500A4; CN1132253C; DE19680872T1; EP0805500A1; WO1997008759A1; KR100326101B1; GB9708875D0; KR970707594A; GB2310083B

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elementes, welches die folgenden Schritte umfasst:
das Ausbilden, auf einem Substrat in einer Kammer mit einem Reaktivgas gemäß einem thermischen CVD-Verfahren, einer ersten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, einer aktiven Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die im wesentlichen eigenleitend ist, und einer zweiten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist,
das Einführen eines Austauschgases in diese Kammer, wobei sowohl Stickstoff als auch Ammoniak als Austauschgas eingeführt werden, und
das selbständige Abkühlenlassen der Schichten in der Kammer in der Gegenwart des Austauschgases.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements, bei dem ein Halbleiter auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung verwendet wird.
Stand der Technik
Halbleiter auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung wie GaN, InGaN und GaAlN ziehen die Aufmerksamkeit als ein Material zur Erzeugung von blaues Licht emittierenden Dioden (LEDs) und Blau-Laser-Dioden (DLs) auf sich. Diese Art von Halbleiter-Verbindungen ist in der Lage, blaues Licht mit einer bisher kaum realisierten Intensität zu emittieren.
Ein blaues Licht emittierendes Element, bei dem ein Halbleiter auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung verwendet wird, wird beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung JP 04-321 280 A offenbart. 7 zeigt die Grundstruktur eines blaues Licht emittierenden Elements 2 gemäß dem Stand der Technik. Auf einem Saphirsubstrat 200 wird eine Pufferschicht 201 ausgebildet. Auf der Pufferschicht 201 wird eine GaN-Halbleiterschicht 202 vom n-Typ und eine GaN-Halbleiterschicht 203 vom p-Typ gebildet. Zwischen den Schichten 202 und 203 befindet sich eine Defizitschicht, zu welcher Träger zum Emittieren von Licht injiziert werden.
Das blaues Licht emittierende Element stellt man her, indem man Kristalle auf ein Saphirsubstrat nach einer CVD-Methode wachsen läßt, und auf Substrat Galliumnitrid-Halbleiterschichten ausbildet. Das Substrat wird dann in geeigneter Weise zu Chips geschnitten. Jeder Chip wird in einen Verdrahtungsrahmen aufgenommen, und dann erfolgt zur Vollendung der Vorrichtung die Verdrahtung.
Ein natürliches Abkühlungsverfahren in ein Inertgas wird in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung JP-125 222 A offenbart. Um ein atmosphärisches Gas bei Raumtemperatur durch ein Inertgas zu ersetzen, wird ein Reaktionsrohr bei hoher Temperatur evakuiert. Bei dieser hohen Temperatur kann ein Substrat wachsen. Beim Evakuieren des Reaktionsrohrs können die gewachsenen Kristalle verdampfen. In Folge davon bleiben keine gewachsenen Kristalle übrig, oder der Kristallfilm wird dünner.
Bei einem blaues Licht emittierenden Element auf Basis von Galliumnitrid nach dem Stand der Technik werden Verunreinigungen auf den Halbleiterschichten nicht ausreichend aktiviert. Deshalb ist beim Stand der Technik eine Wärmetemperung als Nachbehandlung erforderlich. Durch die Wärmebehandlung wird die Zahl der Verarbeitungsschritte erhöht und die Verarbeitungszeit verlängert. Weil ein Galliumnitrid-Halbleiter einer hohen Temperatur von 600°C oder mehr über eine längere Zeit ausgesetzt ist, kann Stickstoff aus den Kristallen entweichen und die Homogenität der Oberfläche zerstören. Dadurch werden die Halbleiter-Eigenschaften verändert, und die blaues Licht emittierende Wirkung und Ausbeute verschlechtert.
Die europäische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer EP 0 599 224 A1 offenbart eine lichtemittierende Halbleitereinheit auf Galliumnitrid-Basis mit einer Doppelheterostruktur. Die Doppelheterostruktur schließt eine lichtemittierende Schicht ein, die aus einer In_xGa_1-xN Halbleiterverbindung mit einem niedrigen Widerstand gebildet ist, die mit Verunreinigungen des p-Typs und/oder des n-Typs dotiert ist. Eine erste Schicht ist verbunden mit einer Oberfläche der lichtemittierenden Schicht und geformt aus einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis des n-Typs mit einer Zusammensetzung, die unterschiedlich ist zu der der lichtemittierenden Schicht. Eine zweite Schicht ist angeordnet auf der anderen Oberfläche der lichtemittierenden Schicht und ist gebildet aus einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis des p-Typs mit einem niedrigen Widerstand, die eine von der lichtemittierenden Schicht verschiedene Zusammensetzung hat.
Das US-Patent mit der Nummer US 5,306,662 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines III-V-Halbleiters auf Nitridbasis des p-Typs durch ein Gasphasen-Epitaxie-Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Wachsen eines III-V-Halbleiters auf Nitridbasis unter Verwendung eines Reaktionsgases, das eine Verunreinigung des p-Typs enthält und Härten des Halbleiters aus der Nitridverbindung bei einer Temperatur über 400°C.
Offenbarung der Erfindung
Ein Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements auf Basis von Galliumnitrid zur Verfügung zu stellen, bei dem man eine kleine Zahl von Herstellungsschritten benötigt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements auf Basis von Galliumnitrid zur Verfügung zu stellen, das in hoher Ausbeute erhalten wird.
Ein noch weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements auf Basis von Galliumnitrid zur Verfügung zu stellen, das für eine Massenproduktion geeignet ist.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements auf Basis von Galliumnitrid zur Verfügung zu stellen, das ein hochintensives Licht ergibt und einen niedrigen Energieverbrauch hat.
Um diese Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements vor, bestehend aus einer ersten Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, enthaltend Verunreinigungen eines ersten Halbleitertyps, einer aktiven Halbleiterschicht, auf Galliumnitrid-Basis, die im wesentlichen eigenleitend ist, und einer zweiten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist. Die ersten und die zweiten Halbleiterschichten auf Galliumnitrid-Basis und die aktive Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid werden entsprechend einem thermischen CVD-Verfahren ausgebildet und in einem Inertgas belassen, wo sie selbst abkühlen können, so daß 7% oder mehr der Verunreinigungen aktiviert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elements umfasst die folgenden Schritte: das Ausbilden, auf einem Substrat in einer Kammer mit Reaktivgas gemäß einem thermischen CVD-Verfahren, einer ersten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, einer aktiven Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, die im wesentlichen eigenleitend ist, und einer zweiten Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, die Verunreinigungen eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, das Einführen eines Austauschgases in diese Kammer, wobei sowohl Stickstoff als auch Ammoniak als Austauschgas eingeführt wird, und das selbständige Abkühlenlassen der Schichten in der Kammer in der Gegenwart des Austauschgases.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einfaches Verfahren ohne thermische Temperung und mit einer verbesserten Ausbeute. Das erfindungsgemäße Licht emittierende Element aus einem Halbleiter auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung zeigt ein hochintensives Licht bei einem nur geringen Energieverbrauch.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Licht emittierenden Diodenchips auf Basis einer Galliumnitrid-Halbleiterverbindung zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
2 ist eine schematische Ansicht und zeigt eine CVD-Vorrichtung zur Herstellung eines Licht emittierenden Diodenchips aus einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis entsprechend der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine grafische Darstellung, welche die Temperaturveränderung bei der Herstellung einer Licht emittierenden Diode auf Basis einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 zeigt eine Licht emittierende Diode auf Basis einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
5 zeigt eine Licht emittierende Diode auf Basis einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis, bei welcher ein Halbleiter-Laser verwendet wird.
6 zeigt eine Licht emittierende Diode aus einem Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis, bei der ein Halbleiter-Laser verwendet wird, und
7 ist eine Schnittansicht und zeigt den Aufbau eines Licht emittierenden Diodenchips aus einer Halbleiterverbindung auf Basis von Galliumnitrid.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Licht emittierenden Diode aus einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis wird unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
Die Blaulicht emittierende Diode 1 aus einer Halbleiterverbindung auf Galliumnitrid-Basis hat ein Saphirsubstrat 100. Auf dem Substrat 100 werden eine Halbleiterpufferschicht 101 auf Galliumnitrid-Basis und eine Halbleiterkontaktschicht 102 auf Galliumnitrid-Basis vom n-Typ ausgebildet. Auf der Schicht 102 werden eine Halbleiter-Plattierschicht 103 auf Galliumnitrid-Basis vom n-Typ, eine aktive Halbleiterschicht 104 auf Galliumnitrid-Basis, eine Halbleiter-Plattierschicht 105 auf Galliumnitrid-Basis vom p-Typ, und eine Halbleiter-Kontaktschicht 106 auf Galliumnitrid-Basis vom p-Typ gebildet. Eine Elektrode 108 wird in Kontakt mit der Schicht 102 gebildet. Eine Elektrode 107 wird in Kontakt mit der Schicht 105 gebildet.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine InAlGaN-Halbleiterverbindung als Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid. Dieser Halbleiter ist in der Lage, einen weiten Bereich von blauem Licht durch Anpassung seiner Zusammensetzung zu emittieren. Beispiele für die Zusammensetzungen werden erläutert. Die Zusammensetzung des Halbleiters aus einer InAlGaN-Verbindung wird ausgedrückt als In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N, wobei 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1 und x + y <= 1 bedeutet.
Die Halbleiterpufferschicht 101 auf Galliumnitrid-Basis vom n-Typ zeigt eine Gitterungleichmäßigkeit zwischen der Halbleiterkontaktschicht 102 auf Galliumnitrid-Basis und dem Saphirsubstrat 100. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= y <= 1, vorzugsweise 0 <= x <= 0,5 und 0 <= y <= 0,5.
Die Halbleiterkontaktschicht 102 auf Basis von Galliumnitrid vom n-Typ dient als Kontaktoberfläche für die Elektrode 108. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N für die Schicht 102 sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= y <= 1, vorzugsweise 0 <= x <= 0,3 und 0 <= y <= 0,3. Um die Schicht vom n-Typ zu machen, werden Verunreinigungen, wie Silicium und Selen, in einer Verunreinigungskonzentration von 6 × 10¹⁸cm^–3 zugegeben.
Die Halbleiterplattierschicht 103 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid bildet die n-Seite eines Sockelanschlusses, welcher die Licht emittierende Region bildet. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N werden entsprechend einer gewünschten Wellenlänge des Lichtes in geeigneter Weise eingestellt und sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= y <= 1, vorzugsweise 0 <= x <= 0,3 und 0,1 <= y <= 1. Zur Herstellung der Schicht vom n-Typ werden Verunreinigungen, wie Silicium und Selen, dazu in einer Verunreinigungs-Konzentration von 3 × 10¹⁸cm^–3 gegeben.
Die aktive Halbleiterschicht 104 auf Basis von Galliumnitrid ist im wesentlichen eine eigenleitende Halbleiterschicht, die den Hauptteil der Licht emittierenden Region bildet. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N werden in geeigneter Weise entsprechend der gewünschten Wellenlänge des Lichtes eingestellt und sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= 1, vorzugsweise, 0 <= x <= 0,6 und 0 <= y <= 0,5.
Die Halbleiter-Plattierungsschicht 105 auf Galliumnitrid-Basis vom p-Typ bildet die p-Seite des Sockelanschlusses, welcher die Licht bildende Region darstellt. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N werden in geeigneter Weise auf eine gewünschte Wellenlänge des Lichtes und die Halbleiter-Plattierungsschicht 103 auf Galliumnitrid-Basis und aktive Halbleiterschicht 104 auf Galliumnitrid-Basis eingestellt und sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= y <= 1, vorzugsweise 0 <= x <= 0,3 und 0,1 <= y <= 1,0. Damit die Schicht vom p-Typ ist, werden Verunreinigungen, wie Magnesium, Beryllium und Zink dazu in einer Verunreinigungskonzentration von 3 × 10¹⁸cm^–3 gegeben.
Die Halbleiterkontaktschicht 106 auf Galliumnitrid-Basis vom p-Typ dient als Kontaktoberfläche für die Elektrode 107. Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N sind beispielsweise 0 <= x <= 1 und 0 <= y <= 1, vorzugsweise 0 <= x <= 0,3 und 0 <= y <= 0,3. Damit die Schicht vom p-Typ ist, werden Verunreinigungen, wie Magnesium, Beryllium und Zink dazu in einer Verunreinigungskonzentration von 8 × 10¹⁸ cm^–3 gegeben.
Die Elektrode 107 ist eine transparente Elektrode in Bezug auf die aktive Halbleiterschicht 104 auf Galliumnitrid-Basis. Genau genommen ist es eine Metallverbindung, wie ITO (Indium-Zinn-Oxid) und Sauerstoff, oder es kann ein sehr dünner Film aus einem Metall sein, wie Al und Ni.
Die andere Elektrode 108 ist nicht unbedingt transparent. Sie kann aus einem Metall wie Ti, Al und Ni hergestellt sein.
Die oben erwähnten Werte für die Parameter von In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N werden so eingestellt, daß die Bandlücke für. sowohl die Halbleiter-Plattierungsschicht 103 auf Galliumnitrid-Basis vom n-Typ als auch die Halbleiter-Plattierungsschicht 105 auf Galliumnitrid-Basis vom p-Typ größer ist als die der aktiven Halbleiterschicht 104 auf Galliumnitrid-Basis. Dies ergibt eine Erhöhung der Menge der in die Schicht 104 injizierten (Ladungs)-Träger, wodurch die Intensität des emittierenden Lichtes weiter verbessert wird.
Diese Halbleiterschichten auf Galliumnitrid-Basis werden auf dem Saphirsubstrat beispielsweise nach der thermischen CVD-Methode ausgebildet. 2 zeigt eine CVD-Vorrichtung. Die Vorrichtung hat eine Vakuumkammer 20, einen Substrathalter 21, der sich in der Kammer befindet, eine Einleitungsrohr für ein reaktive Gas 22, eine Evakuierungsleitung 23 und eine Hochfrequenzspule (nicht gezeigt) zum Erhitzen des auf dem Halter 21 aufgebrachten Substrats.
Zunächst wird das Saphirsubstrat 100 auf dem Substrathalter 21 befestigt. Die Vakuumkammer 20 wird auf 101 kPa bis 133 Pa evakuiert. Dann beginnt man mit der Hochfrequenz-Erhitzung, und ein reaktives Gas, welches eine metallorganische Verbindung enthält, wird eingeführt. Das reaktive Gas kann Ga(CH₃)₃, In(CH₃)₃, Al(CH₃)₃ und NH₃ enthalten, und wird mit einem Trägergas, welches Wasserstoff und Stickstoff enthält, eingeführt. Der Reaktionsdruck beträgt etwa 101 kPa.
Auf diese Weise wird ein Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid gebildet. Die Zusammensetzung des reaktiven Gases wird in geeigneter Weise jeweils zur Anpassung der Zusammensetzung der jeweils zu bildenden Schicht geändert. Verunreinigungen werden zugegeben, indem man in geeigneter Weise SiH₄ und CP₂Mg einführt.
3 zeigt die Temperaturveränderungen in der Vakuumkammer 20 bei der Ausbildung des Halbleiters auf Galliumnitrid-Basis. Die Temperatur des Substrats wird auf 1000°C bis 1400°C, zum Beispiel 1200°C, erhöht, um die Halbleiterpufferschicht auf Galliumnitrid-Basis auszubilden. Die Temperatur wird dann um 50°C bis 200°C auf 800°C bis 1200°C gesenkt. Beispielsweise wird die Temperatur von 1200°C auf 1100°C gesenkt, um eine Kontaktschicht vom n-Typ und eine Plattierungsschicht vom n-Typ durch Zugabe von geeigneten Verunreinigungen zu bilden. Zur Ausbildung der aktiven Schicht wird die Temperatur um 300°C bis 600°C gesenkt. Beispielsweise wird die Temperatur von 1100°C auf 900°C bis 600°C gesenkt. Schließlich wird die Temperatur des Substrats auf die erste Temperatur, z. B. 1100°C erhöht, um eine Plattierungsschicht vom p-Typ und eine Kontaktschicht vom p-Typ auszubilden, und damit das Element zu vervollständigen.
Die vorliegende Erfindung ersetzt das reaktive Gas vollständig in der Vakuumkammer 20 durch ein Inertgas. Das Inertgas ist vorzugsweise Stickstoff oder kann He oder Ar sein.
Nachdem man die Vakuumkammer 20 mit dem Inertgas gefüllt hat, wird der Druck in der Kammer auf 79,8 bis 120 kPa Torr, z. B. 101 kPa, eingestellt. Dieser Zustand wird zwei bis drei Stundenbeibehalten. Dann fällt die Temperatur des Substrates auf Raumtemperatur, z. B. 25°C, ab. Das Saphirsubstrat wird. aus der Vakuumkammer 20 entfernt.
Das aus der Vakuumkammer 20 entfernte Saphirsubstrat wird in geeigneter Weise mittels eines Diamantschneiders zu vielen Chips geschnitten. Jeder Chip bildet ein Licht emittierendes Element, das Licht mit einer ausreichenden Intensität emittiert. Es besteht infolgedessen keine Notwendigkeit, durch eine Wärmetemperung eine Nachbehandlung vorzunehmen.
Da es nicht notwendig ist, das aus der Vakuumkammer 20 entnommene Saphirsubstrat einer Wärmetemperung als Nachbehandlung zu unterwerfen, vereinfacht die vorliegende Erfindung das Herstellungsverfahren und verkürzt die Herstellungszeit. Die Intensität des von dem hergestellten Element emittierten Lichts ist höher als beim Stand der Technik.
Der Grund hierfür wird nachfolgend angegeben. Beim Stand der Technik werden Verunreinigungen durch Wärmetemperung aktiviert. Tatsächliche Messungen beim Stand der Technik zeigen jedoch, daß nur etwa 1 Prozent der Verunreinigungen aktiviert wird. Die restlichen 99 Prozent sind nicht nur nutzlos und störend, weil sie Gitterdefekte erzeugen, die als Trägerfallen dienen. Die injizierten Träger werden nämlich zum größten Teil darin eingefangen und können dann kein Licht emittieren.
Andererseits zeigen tatsächliche Messungen bei der vorliegenden Erfindung, daß 7% oder mehr, im allgemeinen etwa 10%, der injizierten Träger aktiviert werden. Auf diese Weise werden bei der vorliegenden Erfindung viele Träger aktiviert, und damit wird der Widerstand verringert und der Energieverbrauch gesenkt.
4 ist eine Schnittansicht und zeigt den Aufbau einer Licht emittierenden Diode 500, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Das Verfahren zur Herstellung der Licht emittierenden Diode 500 wird unter Bezugnahme auf die Figur erläutert.
Ein Saphirsubstrat 501 mit einer Ebene c als Hauptebene wird von organischen und sauren Stoffen gereinigt. Das Substrat wird auf einen zu erhitzenden Träger in einer MOCVD- Vorrichtung befestigt. Das Erhitzen findet mittels einer Widerstands- oder Induktionsheizung statt.
Sauerstoff wird dem Saphirsubstrat 501 in einer Rate von 10 l/min zugeführt, und das Substrat wird bei 1100°C während etwa 10 min wärmebehandelt, um Verarbeitungsschäden und Oxide von dessen Oberfläche zu entfernen.
Die Temperatur wird auf 550°C gesenkt und Wasserstoff wird mit 15 l/min, Stickstoff mit 5 l/min, Ammoniak mit 10 l/min und TMG (Trimethylgallium) mit 25 ccm/min während 4 min zugeführt unter Ausbildung einer GaN-Pufferschicht 502 mit einer Dicke von 30 nm.
Das TMG wird abgebrochen, und die Temperatur wird mit einer Geschwindigkeit von 50°C/min oder weniger auf 1100°C erhöht. Ist die Temperaturerhöhungs-Geschwindigkeit größer als 50°C, dann wird die Oberfläche der Pufferschicht 502 aufgerauht, und es bilden sich aus einer monokristallinen Schicht Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche.
Die Temperatur wird bei 1100°C gehalten und Wasserstoff wird mit 15 l/min, Stickstoff mit 5 l/min, Ammoniak mit 10 l/min und TMG mit 100 ccm/min zugeführt unter Ausbildung einer monokristallinen Halbleiter(GaN)-Pufferschicht 503 auf Galliumnitrid-Basis, mit einer Dicke von 1,8 μm.
Die Temperatur wird bei 1100°C gehalten, und ein Silangas wird mit 10 ccm/min 130 min dem Materialgas zugegeben unter Ausbildung einer GaN-Kontaktinjektionsschicht 504 vom n-Typ in einer Dicke von 4 μm.
Die Zugabe von TMG, Silangas und Wasserstoff wird abgebrochen, und die Temperatur wird auf 780°C gesenkt.
Die Temperatur wird bei 780°C gehalten und Stickstoff wird mit 20 l/min, Wasserstoff mit 100 ccm/min, Ammoniak mit 10 l/min, TMG mit 12 ccm/min, TMI (Trimethylindium) mit 150 ccm/min, Silangas mit 3 ccm/min und DMZ (Dimethylzink) mit 20 ccm/min während 6 min zugeführt unter Ausbildung einer InGaN-aktiven Halbleiterschicht 505 in einer Dicke von 0,2 μm, die als Licht emittierende Schicht dient.
Stickstoff wird mit 20 l/min, Wasserstoff mit 100 ccm/min und Ammoniak mit 10 l/min zugeführt, wobei die Temperatur auf 1100°C erhöht wird.
Man hält die Temperatur bei 1100°C und führt Stickstoff mit 20 l/min, Wasserstoff mit 150 ccm/min, Ammoniak mit 10 l/min, TMG mit 100 ccm/min und Cp2Mg (Cyclopentadienylmagnesium) mit 50 ccm/min während 10 min zu unter Ausbildung einer GaN-Kontaktinjektionsschicht 506 vom p-Typ in einer Dicke von 0,3 μm.
Obwohl die p-Typ-Schicht bei dieser Ausführungsform eine einzelne ist, ist es möglich, getrennt eine Kontaktschicht und eine Injektionsschicht auszubilden. In diesem Fall wird die Kontaktschicht aus GaN hergestellt und die Injektionsschicht aus AlGaN, so daß die Kontaktschicht eine höhere Trägerkonzentration haben kann als die Injektionsschicht.
Das zugeführte Gas wird auf Stickstoff mit 30 l/min umgestellt, und die Temperatur wird auf Raumtemperatur gesenkt. Als Ergebnis zeigt die GaN-Schicht vom p-Typ ein Aktivierungsverhältnis von 8%, bezogen auf eine Mg-Konzentration von 3 × 10¹⁹cm^–3. Das Aktivierungsverhältnis erhält man durch Standardisierung der Akzeptorkonzentration entsprechend einer Mg-Konzentration. Wenn man die Temperatur auf 400°C senkt, und Stickstoff mit 20 l/min und Ammoniak mit 10 l/min zugibt, und dann von 400°C auf Raumtemperatur senkt und nur Stickstoff mit 30 l/min zugibt, dann erhält man ein Aktivierungsverhältnis von 7% oder mehr.
Im allgemeinen besteht bei einem Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid das Problem der Denitrifikation. Um dieses Problem zu verhindern, ist eine Verbindung, die Stickstoffionen anstelle von Stickstoff selbst erzeugt, wirksam. Deshalb wird Ammoniak zusätzlich zu Stickstoff verwendet. Ist die Menge an Ammoniak zu groß, tritt umgekehrt eine zu starke Wirkung des Wasserstoffs ein. Aufgrund von Versuchen hat sich herausgestellt, daß ein bevorzugtes Verhältnis von Stickstoff zu Ammoniak 2:1 ist.
Die so gebildete Schichtenstruktur wird eine Minute bei 750°C hitzebehandelt, um die Trägerkonzentration in der Schicht 506 vom p-Typ zu erhöhen und p-Typ-Kristalle von 2 × 10¹⁷cm^–3 zu erhalten.
Die Schichtstruktur wird durch die Verwendung von beispielsweise SiO₂ gemustert, und durch ein reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung von Cl₂ und BCl₃ geätzt, wodurch ein Teil der GaN-Schicht 504 vom n-Typ freigelegt wird.
Eine Elektrode für die Schicht 506 vom p-Typ wird gebildet, indem man Ni mit 20 nm und Gold mit 400 nm (510 in 4) nach einer bekannten Vakuum-Abscheidungsmethode und -Sprühmethode abscheidet. Eine Elektrode für die Schicht 504 vom n-Typ bildet man durch Abscheiden von Ti mit 20 nm und Gold mit 400 nm (511 in 4). Die Elektrode für die Schicht vom p-Typ kann nicht nur eine laminierte Struktur von Ni/Au sein, sondern auch eine Monoschicht aus Pd, Ti, Pt oder In, eine laminierte Struktur davon mit Ni und Au oder eine Legierung davon. Die Elektrode für die Schicht vom n-Typ kann aus Ti und Au sein, einer Monoschicht aus Al oder In, einer laminierten Struktur einschließlich Ti und Au oder einer Legierung davon.
Auf der Elektrode 510 vom p-Typ wird zur Vervollständigung des Elements ein Schutzfilm aus SiO₂ gebildet.
Obwohl diese Ausführungsform eine Licht emittierende Diode betrifft, ist das Wesentliche der vorliegenden Erfindung das Verfahren zur Herstellung einer Schicht vom p-Typ. Infolgedessen ist die vorliegende Erfindung auf einen Halbleiter-Laser anwendbar, bei dem man einen Halbleiter auf Basis von GaN verwendet.
5 zeigt den Aufbau eines Licht emittierenden Elements unter Verwendung eines Halbleiter-Lasers.
Auf einem Saphirsubstrat 701 wird eine Halbleiter-Pufferschicht 702 auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleiter-Kontaktschicht 703 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleiterschicht 704 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleiter-Plattierungsschicht 705 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, eine aktive Halbleiterschicht 706 auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleiter-Plattierungsschicht 707 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleiterschicht 708 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, eine Halbleitschicht 709 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid und eine Halbleiter-Kontaktschicht 710 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid gebildet.
Ähnlich wie bei der Licht emittierenden Diode der 4 wird ein Teil der Struktur durch eine reaktive Ionenätzmethode geätzt, um zum Teil die Oberfläche der Halbleiter-Kontaktschicht 703 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid freizulegen. Auf die freigelegte Oberfläche werden Ti, Au, Ti und Au in der genannten Reihenfolge unter Ausbildung einer Elektrode vom n- Typ laminiert. Die Dicke davon beträgt 200 μm, 0,4 μm, 200 μm bzw. 1 μm. Eine Elektrode 711 vom p-Typ bildet man durch Laminieren von Pd, Ti, Pt und Ti in der genannten Reihenfolge. Die Dicke davon beträgt 200 μm, 0,4 μm, 200 μm bzw. 1 μm.
Die aktive Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid 706 wird aus einer In(x)Ga(1-x)N-Halbleiterverbindung mit einer Quantenstruktur gebildet. Die Schicht wird hergestellt, indem man alternierend einen Film in einer Dicke von 25·10^–10 m mit x = 0,05 und y = 0,95 und einen Film von 25·10^–10 m Dicke mit x = 0,20 und y = 0,80 etwa 20-mal unter Ausbildung einer vielschichtigen Quantenschicht laminiert.
Eine andere Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid wird hauptsächlich aus GaN hergestellt. Beispiele für die Dicke sind 70 μm für das Saphirsubstrat 701, 500·10^–10 m für die Halbleiter-Pufferschicht 702 auf Basis von Galliumnitrid, 4 μm für die Halbleiter-Kontaktschicht 703 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 0,3 μm für die Halbleiterschicht 704 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 0,2 μm für die Halbleiter Plattierungsschicht 705 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 0,2 μm für die Halbleiter-Plattierungsschicht 707 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 0,3 μm für die Halbleiterschicht 708 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 0,9 μm für die Halbleiterschicht 709 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, und 0,1 μm für die Halbleiter-Kontaktschicht 710 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid.
Beispiele für Verunreinigungskonzentrationen sind 2 × 10¹⁸cm^–3 für die Halbleiter-Kontaktschicht 703 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 5 × 10¹⁷cm^–3 für die Halbleiterschicht 704 vom n-Typ auf. Basis von Galliumnitrid, 5 × 10¹⁷cm^–3 für die Halbleiter-Plattierungsschicht 705 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 5 × 10¹⁷cm^–3 für die Halbleiter-Plattierungsschicht 707 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 5 × 10¹⁷cm^–3 für die Halbleiterschicht 708 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid, 3 × 10¹⁸cm^–3 für die Halbleiterschicht 709 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid und 2 × 10¹⁹cm^–3 für die Halbleiter-Kontaktschicht 710 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid.
Nachdem die Halbleiterschicht 708 vom p-Typ auf Basis von Galliumnitrid gebildet ist, kann die reaktive Ätzmethode angewendet werden, um die Halbleiter-Kontaktschicht 703 vom n-Typ auf Basis von Galliumnitrid abzuätzen. Der geätzte Teil wird mit einer GaN-Schicht mit hohem Widerstand mit Zn ausgefüllt, um den Resonanzteil zu beschränken. Ein Beispiel dieser Art ist der Aufbau, wie er in 6 gezeigt wird. Eine Hochwiderstands-GaN-Schicht 800 enthält 2 × 10¹⁸cm^–3 Zn in Konzentration.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorher erwähnt, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterelements auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung mit hoher Ausbeute zur Verfügung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterelements auf Basis einer Galliumnitrid-Verbindung ergibt ein Halbleiterelement mit hochintensivem Licht bei niedrigem Energieverbrauch.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Licht emittierenden Elementes, welches die folgenden Schritte umfasst: das Ausbilden, auf einem Substrat in einer Kammer mit einem Reaktivgas gemäß einem thermischen CVD-Verfahren, einer ersten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, einer aktiven Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die im wesentlichen eigenleitend ist, und einer zweiten Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis, die Verunreinigungen eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, das Einführen eines Austauschgases in diese Kammer, wobei sowohl Stickstoff als auch Ammoniak als Austauschgas eingeführt werden, und das selbständige Abkühlenlassen der Schichten in der Kammer in der Gegenwart des Austauschgases.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die zweite Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis Verunreinigungen vom p-Typ enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, welches die folgenden Schritte umfasst: das Anordnen des Substrats in der Kammer und Erhitzen des Substrats auf 1000°C bis 1400°C, das Ausbilden einer Pufferschicht auf dem Substrat, das Absenken der Substrattemperatur um 50°C bis 200°C unter Ausbildung einer Kontaktschicht vom n-Typ und einer Plattierungsschicht vom n-Typ, die jeweils als erste Halbleiterschicht dienen, das Absenken der Substrattemperatur um 300°C bis 600°C unter Ausbildung der aktiven Schicht, das Erhitzen des Substrats auf 1000°C bis 1400°C unter Ausbildung einer Plattierungsschicht vom p-Typ und einer Kontaktschicht vom p-Typ, die jeweils als zweite Halbleiterschicht dienen, das Austauschen des Reaktionsgases durch das besagte Austauschgas, und das Einstellen des Innendruckes in der Kammer auf 79,8 bis 120 kPa und das Belassen der Kammer so, wie sie ist, um das Substrat von selbst auf Raumtemperatur abzukühlen zu lassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die erste Halbleiterschicht Verunreinigungen vom n-Typ enthält, die zweite Halbleiterschicht Verunreinigungen vom p-Typ und das Aktivierungsverhältnis der Verunreinigungen vom p-Typ 7% oder größer ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin man die gebildeten Schichten in einer aus Ammoniak und Stickstoff zusammengesetzten Atmosphäre auf 400°C und danach in einer Stickstoffatmosphäre auf Raumtemperatur abkühlen lässt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die erste Halbleiterschicht die Formel In(x)Al(y)Ga(z)N (x + y + z <= 1, 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1, 0 < z <= 1) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die aktive Halbleiterschicht die Formel In(x)Al(y)Ga(z)N (x + y + z <= 1, 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1, 0 < z <= 1) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die zweite Halbleiterschicht die Formel In(x)Al(y)Ga(z)N (x + y + z <= 1, 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1, 0 < z <= 1) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Pufferschicht die Formel Al(a)Ga(b)N (a + b <= 1, 0 <= a <= 1) aufweist.