DE19708989B4

DE19708989B4 - Lichtemissionselement aus einem Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter sowie Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE19708989B4
Application number: DE19708989A
Authority: DE
Inventors: Toshio Hata
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: TW338198B; DE19708989A1; KR970067957A; US5970080A; KR100269022B1

Abstract

Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement, umfassend:
– ein Substrat (1);
– eine erste Halbleiter-Mehrschichtstruktur, die auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und zumindest eine aktive Schicht (4), eine erste Mantelschicht (3) von einem ersten Leitungstyp, eine zweite Mantelschicht (5) von einem zweiten Leitungstyp, wobei die erste und die zweite Mantelschicht (3, 5) die aktive Schicht (4) einbetten, und eine GaN-Stromsperrschicht (7) aufweist,
– eine InN-Schicht (6) vom zweiten Leitungstyp, die zwischen der zweiten Mantelschicht (5) und der Stromsperrschicht (7) ausgebildet ist; und
– eine zweite Halbleiter-Mehrschichtstruktur (8, 9), die auf der InN-Schicht (6) ausgebildet ist, wobei die Dicke der InN-Schicht (6) im Bereich von 1 nm bis 5 nm liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtemissionselement aus einem Galliumnitrid(GaN)-Verbindungshalbleiter, das Licht im Bereich von blauem bis zu ultraviolettem Licht emittieren kann.
Wenn ein Verbindungshalbleiter vom Typ mit Stromsperrschicht oder mit Rippen-Wellenleiter hergestellt wird, ist ein Prozess des Ätzens von Schichten des Verbindungshalbleiters des Lasers auf jeweils spezifizierte Dicken mit hoher Genauigkeit oder ein Prozess des selektiven Ätzen einer Schicht zum Freilegen der Oberfläche einer darunterliegenden Schicht erforderlich.
Beim Ätzen einer Schicht eines GaAs-Verbindungshalbleiters wird normalerweise ein Nassätzvorgang mit hoher Selektivität verwendet. Beim Ätzen eines GaN-Verbindungshalbleiters wird normalerweise ein Trockenätzvorgang verwendet, da kein geeignetes Ätzmittel verfügbar ist. Durch Trockenätzen ist jedoch das Ätzen einer Schicht eines GaN-Verbindungshalbleiters mit ausreichender Selektivität schwierig. Ein GaN-Verbindungshalbleiter, der nicht mit ausreichender Selektivität geätzt werden kann, ist nicht als Trockenätz-Stoppschicht geeignet. Daher ist es schwierig, einen Halbleiterlaser vom Typ mit Stromsperrschicht oder vom Typ mit Rippenwellenleiter durch Trockenätzen mit guter Reproduzierbarkeit herzustellen.

J. Vac. Sci. Technol., A 11 (4) 1993, S. 1772–1775 beschreibt das Ätzen von GaN, InN und AlN durch ECR-RIBE (Ätzen mit einem reaktiven Ionenstrahl vom Typ mit Elektronenzyklotronresonanz), das eines der Trockenätzverfahren ist. Dieser Artikel erörtert, dass die Ätzrate bei diesem Verfahren Selektivität zeigt.

Weiterhin sind in Appl. Phys. Lett., 1995, Vol. 67, No. 16, S. 2329 bis 2331, InGaAlN-Halbleiterverbindungen zur Herstellung von Lichtemissionselementen beschrieben, die im blauen oder ultravioletten Spektralbereich emittieren. Die chemische Stabilität der binären, ternären oder quaternären Verbindungen dieses Materialsystems erfordert bei der Strukturierung der daraus herzustellenden Lichtemissionselemente dabei ein Trockenätzen.

Aus der EP 0 579 244 A2 ist ein Halbleiterlaser bekannt, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine Mehrschichtstruktur aufgebracht ist. Diese Mehrschichtstruktur umfasst eine aktive Schicht zwischen zwei Mantelschichten und eine Strombegrenzungsschicht zum Injizieren eines Stromes in einen streifenförmigen Bereich der aktiven Schicht. Die Strombegrenzungsschicht weist eine Stromsperrschicht auf, deren Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der beiden Mantelschichten. Der Bandabstand der Stromsperrschicht ist größer als der Bandabstand der aktiven Schicht. Ein geeignetes Halbleitermaterial ist AlGaInP, wobei jedoch auch andere Materialien der Gruppen II–VI und III–V gewählt werden können.

Weiterhin beschreibt die US 5,420,066 einen ähnlichen Halbleiterlaser mit einer zwischen zwei Mantelschichten gelegenen aktiven Schicht. Als geeignetes Halbleitermaterial wird AlGaAs verwendet.

Schließlich ist auch noch ein weiterer ähnlicher Halbleiterlaser aus der US 5,185,755 bekannt. Auch bei diesem Halbleiterlaser ist eine aktive Schicht zwischen zwei Mantelschichten eingebettet, und eine Strombegrenzungsschicht besteht aus einem Halbleitermaterial der Gruppe V mit Arsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtemissionselement vom Typ mit Stromsperrschicht oder vom Typ mit Rippenwellenleiter aus einem Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter mit gutem Wirkungsgrad sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lichtemissionselements unter Verwendung eines Ätzverfahrens mit guter Reproduzierbarkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Lichtemissionselements durch die Lehren der beigefügten Ansprüche 1 und 8 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand jeweiliger Ansprüche 2 bis 7, 9, 10 und 12 bis 20.

Selektives Ätzen eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters ist also dadurch möglich, dass bei der ECR-RIBE-Trockenätztechnik geeignete Ätzbedingungen ausgewählt werden.

Dabei wird eine InN-Schicht auf einer Mantelschicht als Trockenätz-Stoppschicht hergestellt. Die InN-Schicht wird durch ECR-RIBE extrem verdünnt und geätzt. So wird ein Halbleiterlaser vom Stromsperrtyp oder vom Typ mit Rippenwellenleiter realisiert.

Die Dicke der InN-Trockenätzstoppschicht liegt im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 5 nm (1 nm = 10 Å). Wenn sie ungefähr 5 nm überschreitet, nimmt die Absorption von Laserlicht durch diese InN-Trockenätzstoppschicht plötzlich zu, was den Wirkungsgrad der Laserausgangsleistung verringert. Wenn sie kleiner als ungefähr 1 nm (10 Å) ist, ist nicht nur die Dickenkontrolle bei der Herstellung der Schicht schwierig, sondern eine derartige dünne Schicht dient auch nicht mehr ausreichend als Ätzstoppschicht.

Genauer gesagt, kann ein Halbleiterlaser oder ein Lichtemissionselement vom Stromsperrtyp dadurch realisiert werden, dass zwischen einer zweiten Mantelschicht aus AlGaN und einer GaN-Stromsperrschicht oder einer oberen Mantelschicht aus AlGaN eine InN-Trockenätzstoppschicht eingefügt wird. Auch kann ein Halbleiterlaser oder ein Lichtemissionselement aus einer Galliumnitridverbindung vom Typ mit Rippenwellenleiter dadurch geschaffen werden, dass eine InN-Trockenätzschicht zwischen eine zweite Mantelschicht aus AlGaN und eine obere Mantelschicht aus AlGaN eingefügt wird.

Diese und andere Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich.

1 und 2 sind schematische Schnittansichten eines jeweiligen Halbleiterlasers vom Stromsperrtyp aus einer Galliumnitridverbindung gemäß einem Beispiel 1 bzw. einem Beispiel 2 der Erfindung.
3 und 4 sind schematische Schnittansichten eines jeweiligen Halbleiterlasers vom Typ mit Rippenwellenleiter aus einer Galliumnitridverbindung gemäß einem Beispiel 3 bzw. einem Beispiel 4 der Erfindung.
5A bis 5E, 6A bis 6F, 7A bis 7E und 8A bis 8E veranschaulichen jeweils schematisch Schritte zum Herstellen des Lasers gemäß einem der Beispiele 1 bis 4.
Ein erfindungsgemäßer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser enthält eine Trockenätz-Stoppschicht, die auf einer mehrschichtigen Halbleiterstruktur ausgebildet ist. Eine andere mehrschichtige Halbleiterstruktur ist auf der Trockenätz-Stoppschicht ausgebildet.
Die Erfinder stellten versuchsweise Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser vom Stromsperrtyp, wie in 1 dargestellt, und vom Typ mit Rippenwellenleiter, wie in 3 dargestellt, durch selektives Ätzen einer GaN-Schicht her, die auf InN-oder AlN-Schicht ausgebildet war, von der erwartet wurde, dass sie bei einem ECR-RIBE-Vorgang als Trockenätz-Stoppschicht dienen sollte. Im Ergebnis diente die InN- oder AlN-Schicht tatsächlich als Trockenätz-Stoppschicht, und es wurden die in den 1 und 3 dargestellten Strukturen hergestellt.
Die sich unter Verwendung der AlN-Schicht als Trockenätz- Stoppschicht ergebende Halbleiterstruktur zeigte jedoch keine Laserschwingung, konnte also nicht als Laser arbeiten. Dies, da AlN nichtleitend ist und dadurch das Fließen eines Stroms in eine aktive Schicht der Halbleiterstruktur verhindert.
Die Halbleiterstruktur unter Verwendung einer InN-Schicht als Trockenätz-Stoppschicht zeigt Laserschwingung, da InN leitend ist. Jedoch ist der Wirkungsgrad des Lasers niedrig. Dies, da die Bandlücke der InN-Schicht schmäler als die der Lichtemissionsschicht der Struktur ist, wodurch von der Lichtemissionsschicht emittiertes Laserlicht durch die InN- Trockenätzstoppschicht absorbiert wird.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass dieses Problem dadurch überwunden werden kann, dass die Dicke der InN-Trockenätzstoppschicht im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 5 nm beträgt. So kann ein Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser mit hohem Wirkungsgrad erhalten werden.
Die Dicke der InN-Trockenätzstoppschicht liegt vorzugsweise, wie oben beschrieben, im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 5 nm. Wenn sie ungefähr 5 nm übersteigt, nimmt die Absorption von Laserlicht durch diese InN-Trockenätzstoppschicht plötzlich zu, was den Wirkungsgrad der Laserausgangsleistung verringert. Wenn sie kleiner als ungefähr 1 nm ist, wird nicht nur die Dickenkontrolle bei der Herstellung der Schicht schwierig, sondern eine derartig dünne Schicht dient auch nicht ausreichend als Ätzstoppschicht beim Ätzen.
Die Erfindung wird nun durch Beispiele unter Bezugnahme auf die beifügten Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beispielen ist die Dicke der InN-Trockenätzstoppschicht auf ungefähr 3 nm eingestellt. Es kann jede beliebige Dicke ebenfalls verwendet werden, solange sie im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 5 nm liegt.
(Beispiel 1)
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlasers des Beispiels 1 der Erfindung. Der Laser dieses Beispiels verfügt über Stromsperrstruktur.
Gemäß 1 enthält der Halbleiterlaser dieses Beispiels ein Substrat 1 aus n-6H-SiC (0001) mit niedrigem Widerstand und darauf ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstrukturen.
Eine erste mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine n-GaN-Pufferschicht 2, eine n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3, eine undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N und eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Auf der ersten mehrschichtigen Halbleiterstruktur ist eine p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet. Eine zweite mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine p-GaN-Stromsperrschicht 7, eine p-Al_0,1 Ga_0,9N-Mantelschicht 8 und eine p-GaN-Kontaktschicht 9, die in dieser Reihenfolge auf der p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet sind. Eine p-seitige Elektrode 10 und eine n-seitige Elektrode 11 sind auf der Oberseite der mehrschichtigen Halbleiterstruktur bzw. der Unterseite des Substrats 1 ausgebildet.
Der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser mit der obigen Struktur wird z.B. durch metallorganische, chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) hergestellt, wobei Ammoniak (NH₃) als Material der Gruppe V sowie Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA) und Trimethylindium (TMI) als Materialien der Gruppen III verwendet werden. Bis(Cyclopentatienyl)-Magnesium (Cp₂Mg) wird als p-Dotiermaterial verwendet, Monosilan (SiH₄) wird als n-Dotiermaterial verwendet und H₂ wird als Trägergas verwendet.
Nun wird die Herstellung dieses Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlasers unter Bezugnahme auf die 5A bis 5E beschrieben.
Das n-6H-SiC(0001)-Substrat 1 mit niedrigem Widerstand wird auf einen Aufnehmer in einer MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt, um einen ersten Kristallwachstumsvorgang auszuführen. Das Substrat wird auf ungefähr 1200°C erwärmt und einer NH₃-Atmosphäre ausgesetzt, um die Oberfläche des Substrats zu reinigen. Dann wird die Temperatur des Substrats 1 auf ungefähr 1000°C abgesenkt, und die n-GaN-Pufferschicht 2 wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 1 μm) dadurch auf das Substrat aufgewachsen, dass TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 20 Minuten (z.B. 15 Minuten) eingeleitet werden. Dann wird die n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 1 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 30 Minuten (z.B. 20 Minuten) auf der n-GaN-Pufferschicht 2 aufgewachsen. Die Substrattemperatur wird dann in den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 850°C) abgesenkt, und die undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 80 nm (z.B. 5 nm) durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 5 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) für 5 bis 60 Sekunden (z.B. 40 Sekunden) auf die n-Mantelschicht 3 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht und die mit Mg dotierte Al_0,1 Ga_0,9N-Mantelschicht 5 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,3 μm (z.B. 0,3 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 3 bis 10 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die aktive Schicht 4 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur in den Bereich von 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 800°C) abgesenkt wurde, die mit Mg dotierte InN-Trockenätzstoppschicht 6 mit einer Dicke von ungefähr 3 nm durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 100 Sekunden (z.B. 60 Sekunden) auf die Mantelschicht 5 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die n-GaN-Stromsperrschicht 7 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 2 bis 15 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Trockenätz-Stoppschicht 6 aufgewachsen (5A).
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Auf der n-GaN-Stromsperrschicht 7 wird eine Maske 13 aus SiO₂, Si₃N₄ oder einem Photoresistmaterial hergestellt, und sie wird durch normale Photolithographie teilweise entfernt, um einen streifenförmigen Graben 14 auszubilden (5B).
Dann wird der sich ergebende Wafer in einer ECR-RIBE-Vorrichtung plaziert, und die n-GaN-Stromsperrschicht 7 wird bei den folgenden Bedingungen trockengeätzt:
Mikrowellenenergie bei 2,45 GHz, Mikrowellenleistung von 200 W, Druck in der Reaktionskammer von 0,133 Pa (1 mTorr; 1 Torr = 1,33 hPa), Eigenvorspannung von ungefähr –140 V und Ätzgas in Form von BCl₃/Ar oder CCl₂F₂/Ar, bis die Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht freigelegt ist, wobei ein streifenförmiger Graben 15 hergestellt wird (5C). Bei den obigen Bedingungen wird die InN-Schicht nicht geätzt, während die GaN-Schicht geätzt wird. So wird der Ätzvorgang automatisch an der Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzschicht 6 beendet. Bei diesem Ätzvorgang liegt die Eigenvorspannung vorzugsweise im Bereich von ungefähr –50 V bis ungefähr –150 V. Dies, da die GaN-Schicht auf einer Spannung von ungefähr –50 V geätzt wird, während dies für die InN-Schicht bei einer Spannung von ungefähr –150 V gilt. Da die Ätzrate größer ist, wenn der Absolutwert der Eigenvorspannung größer ist, ist die Eigenvorspannung bei diesem Beispiel auf ungefähr –140 V eingestellt. Als Ätzgas kann auch SiCl₄ verwendet werden.
Anschließend wird, nachdem die Maske 13 mit einem Ätzmittel mit Fluorwasserstoffsäure oder einem organischen Lösungsmittel entfernt wurde, der Wafer erneut auf den Aufnehmer in der MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt, um einen zweiten Kristallwachstumsvorgang auszuführen. Die Substrattemperatur wird auf ungefähr 1000°C erhöht, und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 1 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 15 bis 25 Minuten (z.B. 25 Minuten) auf den Wafer aufgewachsen. Dann wird die mit Mg dotierte GaN-Kontaktschicht 9 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 60 cm³/min (z.B. 40 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 1 bis 6 l/min (z.B. 4 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 9 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 15 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Mantelschicht 8 aufgewachsen (5D).
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen und in N₂-Atmosphäre einem Tempervorgang bei ungefähr 700°C unterzogen. Der Tempervorgang wird ausgeführt, um Wasserstoff durch thermische Dissoziation aus der Mg-H-Bindung zu erzeugen, um Wasserstoff aus den mit Mg dotierten Schichten zu entfernen, um es dadurch zu ermöglichen, dass die eindotierten Fremdstoffe als Akzeptoren dienen können, was die mit Mg dotierten Schichten in p-Schichten überführt.
Die p-seitige Elektrode 10 und die n-seitige Elektrode 11 werden auf der p-GaN-Kontaktschicht 9 bzw. der Unterseite des n-6H-SiC(0001)-Substrats 1 mit niedrigem Widerstand hergestellt (5E). So wird der Halbleiterlaser dieses Beispiels fertiggestellt.
(Beispiel 2)
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlasers des Beispiels 2 der Erfindung. Der Laser dieses Beispiels verfügt über Stromsperrstruktur.
Gemäß 2 umfasst der Halbleiterlaser dieses Beispiels ein isolierendes Substrat 1 aus Saphir (0001) und auf diesem ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstrukturen.
Eine erste mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine Pufferschicht 102 aus Al_0,1Ga_0,9N, eine n-GaN-Pufferschicht 2, eine n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3, eine undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N und eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Auf der ersten mehrschichtigen Halbleiterstruktur ist eine n-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet. Eine zweite mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine n-GaN-Stromsperrschicht 7, eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 und eine p-GaN-Kontaktschicht 9, die in dieser Reihenfolge auf der p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet sind. Eine p-seitige Elektrode 10 und eine n-seitige Elektrode 11 sind auf der Oberseite der zweiten mehrschichtigen Halbleiterstruktur bzw. einem Abschnitt der Oberseite der n-GaN-Pufferschicht 2 ausgebildet.
Der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser mit der obigen Struktur wird ebenfalls z.B. durch metallorganische, chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) hergestellt, wobei die obengenannten Materialien verwendet werden.
Nun wird die Herstellung dieses Lasers unter Bezugnahme auf die 6A bis 6F beschrieben.
Das Substrat 1 aus Saphir (0001) wird auf einen Aufnehmer in einer MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt, um einen ersten Kristallwachstumsvorgang auszuführen. Das Substrat wird auf ungefähr 1200°C erwärmt und einer NH₃-Atmosphäre ausgesetzt, um seine Oberfläche zu reinigen. Nachdem die Temperatur des Substrats 1 auf den Bereich von ungefähr 500°C bis ungefähr 650°C (z.B. 550°C) abgesenkt wurde, wird die aus Al_0,1 Ga_0,9N bestehende Pufferschicht 102 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 2 μm (z.B. 55 nm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) für 5 Sekunden bis 30 Minuten (z.B. 1 Minute) auf das Substrat 1 aufgewachsen. Die Pufferschicht 102 kann aus GaN, AlN oder Al_WGa_1–WN (0 < w < 1) bestehen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die n-GaN-Pufferschicht 2 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0, 5 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,7 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 20 Minuten (z.B. 11 Minuten) auf der Pufferschicht 102 aufgewachsen. Dann wird die n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,9 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 6 bis 30 Minuten (z.B. 18 Minuten) auf die n-GaN-Pufferschicht 2 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 800°C) abgesenkt, und die undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 80 nm (z.B. 6 nm) durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 5 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) für 5 bis 60 Sekunden (z.B. 50 Sekunden) auf die n-Mantelschicht 3 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht, und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5 wird mit einer Dicke von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,3 μm (z.B 0,2 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 3 bis 10 Minuten auf die aktive Schicht 4 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 810°C) gesenkt wurde, die mit Mg dotierte InN-Trockenätzstoppschicht 6 mit einer Dicke von ungefähr 3 nm durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 100 Sekunden (z.B. 60 Sekunden) auf die p-Mantelschicht 5 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die n-GaN-Stromsperrschicht 7 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. ungefähr 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 2 bis 15 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Trockenätz-Stoppschicht 6 aufgewachsen.
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Auf der n-GaN-Stromsperrschicht 7 wird eine Maske 13 aus SiO₂, Si₃N₄ oder einem Photoresistmaterial hergestellt, und sie wird durch normale Photolithographie entfernt, um einen streifenförmigen Graben 14 herzustellen (6B).
Dann wird der sich ergebende Wafer in eine ECR-RIBE-Vorrichtung eingesetzt, und die n-GaN-Stromsperrschicht 7 wird bei den folgenden Bedingungen trockengeätzt:
Mikrowellenenergie von 2,45 GHz, Mikrowellenleistung von 200 W, Druck in der Reaktionskammer von 0,133 Pa (1 mTorr), Eigenvorspannung von ungefähr –140 V, Ätzgas aus BCl₃/Ar oder CCL₂F₂/Ar, wobei das Ätzen erfolgt, bis die Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 freigelegt ist, wobei ein streifenförmiger Graben 15 ausgebildet wird (6C). Bei den obigen Bedingungen wird die InN-Schicht nicht geätzt, während die GaN-Schicht geätzt wird. So wird der Ätzvorgang automatisch an der Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 beendet.
Anschließend wird, nachdem die Maske 13 mit einem Ätzmittel mit Fluorwasserstoffsäure oder einem organischen Lösungsmittel entfernt wurde, der Wafer erneut auf den Aufnehmer in der MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt, um einen zweiten Kristallwachstumsvorgang auszuführen. Die Substrattemperatur wird auf ungefähr 1000°C erhöht, und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,7 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 15 bis 25 Minuten (z.B. 18 Minuten) auf den Wafer aufgewachsen. Dann wird die mit Mg dotierte GaN-Kontaktschicht 9 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 60 cm³/min (z.B. 40 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 1 bis 6 l/min (z.B. 4 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 9 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 15 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Mantelschicht 8 aufgewachsen (6D).
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen, und er wird in N₂-Atmosphäre einem Tempervorgang bei ungefähr 700°C unterzogen. Das Tempern erfolgt, um aus der Mg-H-Bindung Wasserstoff thermisch zu dissoziieren, um Wasserstoff aus den mit Mg dotierten Schichten zu entfernen, wodurch die eindotierten Fremdstoffe als Akzeptoren dienen können, was die mit Mg dotierten Schichten zu p-Schichten macht.
Dann wird die sich ergebende mehrschichtige Struktur teilweise geätzt, bis die Oberfläche der n-GaN-Pufferschicht 2 freigelegt ist, so dass die n-seitige Elektrode 11 auf der freigelegten Fläche hergestellt werden kann (6E).
Die p-seitige Elektrode 10 und die n-Elektrode 11 werden auf der p-GaN-Kontaktschicht 9 bzw. einem Teil der Oberfläche der n-GaN-Pufferschicht hergestellt (6F). So wird der Halbleiterlaser dieses Beispiels fertiggestellt.
(Beispiel 3)
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlasers des Beispiels 3 der Erfindung. Der Laser dieses Beispiels verfügt über eine Struktur mit Rippenwellenleiter.
Gemäß 3 umfasst der Halbleiterlaser dieses Beispiels ein 6H-SiC(0001)-Substrat 1 mit niedrigem Widerstand und darauf ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstrukturen.
Eine erste mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine n- GaN-Pufferschicht 2, eine n-Mantelschicht 3 aus Al_0,1 Ga_0,9N, eine undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N und eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Auf der ersten mehrschichtigen Halbleiterstruktur ist eine p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet. Eine zweite mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 und eine p-GaN-Kontaktschicht 9, die in dieser Reihenfolge auf der p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet sind. Auf der Struktur ist ein Isolierfilm 12 ausgebildet. Eine p-seitige Elektrode 10 und eine n-seitige Elektrode 11 sind auf der Oberseite der sich ergebenden Struktur bzw. der Unterseite des Substrats 1 ausgebildet.
Der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser mit der obigen Struktur wird wiederum z.B. durch metallorganische, chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) mit den obengenannten Materialien hergestellt.
Nun wird die Herstellung dieses Lasers unter Bezugnahme auf die 7A bis 7E beschrieben.
Das n-6H-SiC(0001)-Substrat 1 mit niedrigem Widerstand wird für einen ersten Kristallwachstumsvorgang auf einen Aufnehmer in einer MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt. Das Substrat wird auf ungefähr 1200°C erwärmt und NH₃-Atmosphäre ausgesetzt, um die Oberfläche des Substrats zu reinigen. Nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C abgesenkt wurde, wird die n-GaN-Pufferschicht 2 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 20 Minuten (z.B. 12 Minuten) auf das Substrat 1 aufgewachsen. Dann wird die n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 0,1 μm (z.B. 0,9 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 30 Minuten (z.B. 18 Minuten) auf der n-GaN-Pufferschicht 2 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 820°C) abgesenkt und die undotierte aktive Schicht aus In_0,32Ga_0,68N wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 80 nm (z.B. 7 nm) durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) für 5 bis 60 Sekunden (z.B. 60 Sekunden) auf die n-Mantelschicht 3 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht, und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5 wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,2 μm bis ungefähr 0,3 μm (z.B. 0,2 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 3 bis 10 Minuten (z.B. 5 Minuten) auf die aktive Schicht 4 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur in den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 830°C) abgesenkt wurde, die mit Mg dotierte InN-Trockenätzstoppschicht 6 einer Dicke von ungefähr 3 nm durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 100 Sekunden (z.B. 60 Sekunden) auf die p-Mantelschicht 5 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die mit Mg dotierte Al_0,1 Ga_0,9N-Mantelschicht 8 mit einer Dicke von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 0,9 μm (z.B. ungefähr 0,7 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA- Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 15 bis 20 Minuten (z.B. 18 Minuten) auf der Trockenätz-Stoppschicht 6 ausgebildet. Dann wird die mit Mg dotierte GaN- Kontaktschicht 9 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 60 cm³/min (z.B. 40 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 1 bis 6 l/min (z.B. 4 l/min) und Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 9 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 1 bis 15 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Mantelschicht 8 aufgewachsen.
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Auf der mit Mg dotierten GaN-Kontaktschicht 9 wird eine Maske 13 aus SiO₂, Si₃N₄ oder einem Photoresistmaterial hergestellt, und sie wird durch normale Photolithographie teilweise entfernt, um einen Streifen der Maske 13 auszubilden (7B).
Der sich ergebende Wafer wird dann in eine ECR-RIBE-Vorrichtung eingesetzt, und die mit Mg dotierte GaN-Kontaktschicht 9 und die mit Mg dotierte Al_0,1 Ga_0,9N-Mantelschicht 8 werden bei den folgenden Bedingungen trockengeätzt: Mikrowellenenergie von 2,45 GHz, Mikrowellenleistung von 200 W, Druck in der Reaktionskammer von 0,133 Pa (1 mTorr), Eigenvorspannung von ungefähr –140 V, Ätzgas aus BCl₃/Ar oder CCl₂F₂/Ar, wobei das Ätzen erfolgt, bis die Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 freigelegt ist (7C). Bei den obigen Bedingungen wird die InN-Schicht nicht geätzt, während die GaN-Schicht geätzt wird. So wird der Ätzvorgang automatisch an der Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 beendet.
Anschließend wird, nachdem die Resistmaske 13 mit einem Ätzmittel mit Fluorwasserstoffsäure oder einem organischen Lösungsmittel entfernt wurde, der Wafer einem Tempervorgang bei ungefähr 700°C in N₂-Atmosphäre unterzogen. Der Tempervorgang wird ausgeführt, um aus der Mg-H-Bindung Wasserstoff durch thermische Dissoziation zu befreien und Wasserstoff aus den mit Mg dotierten Schichten zu entfernen, wodurch die eindotierten Fremdstoffe als Akzeptoren dienen können, was die mit Mg dotierten Schichten zu p-Schichten macht. Danach wird der Isolierfilm 12 aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen durch P-CVD hergestellt.
Die p-seitige Elektrode 10 und die n-Elektrode 11 werden auf der Oberseite der sich ergebenden Struktur bzw. der Unterseite des Substrats 1 hergestellt (7E). So wird der Halbleiterlaser dieses Beispiels fertiggestellt.
(Beispiel 4)
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlasers des Beispiels 4 der Erfindung. Der Laser dieses Beispiels verfügt über eine Struktur mit Rippenwellenleiter.
Gemäß 4 umfasst der Halbleiterlaser dieses Beispiels ein isolierendes Substrat 1 aus Saphir (0001) sowie darauf ausgebildete mehrschichtige Halbleiterstrukturen.
Eine erste mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine Pufferschicht 102 aus GaN, AlN oder Al_0,1Ga_0,9N, eine n-GaN- Pufferschicht 2, eine n-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 3, eine undotierte aktive Schicht 4 aus In_0,32Ga_0,68N und eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 ausgebildet sind. Auf der ersten mehrschichtigen Halbleiterstruktur ist eine p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet. Eine zweite mehrschichtige Halbleiterstruktur umfasst eine p-Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 und eine p-GaN-Kontaktschicht 9, die in dieser Reihenfolge auf der p-InN-Trockenätzstoppschicht 6 ausgebildet sind. Auf der Struktur ist ein Isolierfilm 12 ausgebildet. Eine p-seitige Elektrode 10 und eine n-seitige Elektrode 11 sind auf der Oberseite der sich ergebenden Struktur bzw. einem Teil der Oberfläche der n-GaN-Pufferschicht 2 ausgebildet.
Der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiterlaser mit der obigen Struktur wird wiederum z.B. durch metallorganische, chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) mit den obengenannten Materialien hergestellt.
Nun wird die Herstellung dieses Lasers unter Bezugnahme auf die 8A bis 8E beschrieben.
Das Substrat 1 aus Saphir (0001) wird für einen ersten Kristallwachstumsvorgang auf einen Aufnehmer in einer MOCVD-Vorrichtung aufgesetzt. Das Substrat wird auf ungefähr 1200°C erwärmt und NH₃-Atmosphäre ausgesetzt, um die Oberfläche des Substrats zu reinigen. Nachdem die Temperatur des Substrats 1 auf den Bereich von ungefähr 500°C bis ungefähr 650°C (z.B. 600°C) abgesenkt wurde, wird die Al_0,1Ga_0,9N-Pufferschicht 102 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 2 μm (z.B. 2 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min) für 5 Sekunden bis 30 Minuten (z.B. 30 Minuten) auf das Substrat 1 aufgewachsen. Die Pufferschicht 102 kann aus GaN, AlN oder Al_0,1 Ga_0,9N bestehen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die n-GaN-Pufferschicht 2 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,5 μm bis ungefähr 4,0 μm (z.B. 4,0 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min), SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 60 Minuten (z.B. 60 Minuten) auf die Pufferschicht 102 aufgewachsen. Dann wird die n-Al_0,1 Ga_0,9N-Mantelschicht 3 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,7 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min), SiH₄-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 l/min (z.B. 6 l/min) für 10 bis 30 Minuten (z.B. 40 Minuten) auf die n-GaN-Pufferschicht 2 aufgewachsen. Die Substrattemperatur wird dann in den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 850°C) abgesenkt, und die undotierte aktive Schicht aus In_0,32Ga_0,68N wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 80 nm (z.B. 20 nm) durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), TMG- Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 5 cm³/min) und NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min) für 5 Sekunden bis 11 Minuten (z.B. 3 Minuten) auf die n-Mantelschicht 3 aufgewachsen. Dann wird die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 5 wird mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,3 μm (z.B. 0,3 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 7 l/min), Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 3 bis 10 Minuten (z.B. 8 Minuten) auf die aktive Schicht 4 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur in den Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 850°C (z.B. 800°C) abgesenkt wurde, die mit Mg dotierte InN-Trockenätzstoppschicht 6 mit einer Dicke von ungefähr 3 nm durch Einleiten von TMI-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 70 cm³/min (z.B. 50 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 l/min (z.B. 20 l/min), Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 7 bis 100 Sekunden (z.B. 60 Sekunden) auf der p-Mantelschicht 5 aufgewachsen. Dann wird, nachdem die Substrattemperatur auf ungefähr 1000°C erhöht wurde, die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 0,9 μm (z.B. 0,7 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 10 bis 30 cm³/min (z.B. 20 cm³/min), TMA-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 8 cm³/min (z.B. 6 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 5 bis 10 l/min (z.B. 5 l/min), Cp₂Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 10 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 17 bis 22 Minuten (z.B. 17 Minuten) auf der Trockenätz-Stoppschicht 6 ausgebildet. Dann wird die mit Mg dotierte GaN-Kontaktschicht 9 mit einer Dicke im Bereich von 0,1 μm bis ungefähr 1 μm (z.B. 0,5 μm) durch Einleiten von TMG-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 30 bis 60 cm³/min (z.B. 40 cm³/min), NH₃-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 1 bis 6 l/min (z.B. 4 l/min), Cp₂-Mg-Gas mit einer Strömungsrate im Bereich von 3 bis 9 cm³/min (z.B. 6 cm³/min) für 2 bis 14 Minuten (z.B. 7 Minuten) auf die Mantelschicht 8 aufgewachsen (8A).
Der sich ergebende Wafer wird der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Auf der mit Mg dotierten GaN-Kontakschicht 9 wird eine Maske 13 aus SiO₂, Si₃N₄ oder einem Photoresistmaterial hergestellt, und sie wird durch normale Photolithographie teilweise entfernt, um einen Streifen der Maske 13 auszubilden (8B).
Dann wird der sich ergebende Wafer in eine ECR-RIBE-Vorrichtung eingesetzt, und die mit Mg dotierte GaN-Kontaktschicht 9 und die mit Mg dotierte Al_0,1Ga_0,9N-Mantelschicht 8 werden bei den folgenden Bedingungen trockengeätzt: Mikrowellenenergie von 2,45 GHz, Mikrowellenleistung von 200 W, Druck in der Reaktionskammer von 0,133 Pa (1 mTorr), Eigenvorspannung von ungefähr –140 V, Ätzgas aus BCl₃/Ar oder CCl₂F₂/Ar, wobei das Ätzen erfolgt, bis die Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 freigelegt ist (8C). Bei den obigen Bedingungen wird die InN-Schicht nicht geätzt, während die GaN-Schicht geätzt wird. So wird der Ätzvorgang automatisch an der Oberfläche der mit Mg dotierten InN-Trockenätzstoppschicht 6 beendet.
Dann wird die sich ergebende Mehrschichtstruktur teilweise geätzt, bis die Oberfläche der n-GaN-Pufferschicht 2 freigelegt ist (8D). Die Maske 13 wird mit einem Ätzmittel mit Fluorwasserstoffsäure oder einem organischen Lösungsmittel entfernt. Dann wird der Wafer einem Tempervorgang bei ungefähr 700°C in N₂-Atmosphäre unterzogen. Der Tempervorgang wird ausgeführt, um aus der Mg-H-Bindung Wasserstoff durch thermische Dissoziation freizusetzen, um Wasserstoff aus den mit Mg dotierten Schichten zu entfernen und es dadurch zu ermöglichen, dass die eindotierten Fremdstoffe als Akzeptoren dienen, wodurch die mit Mg dotierten Schichten zu p-Schichten werden. Danach wird der aus SiO₂, Si₃N₄, oder dergleichen bestehende Isolierfilm 12 durch P-CVD hergestellt.
Die p-seitige Elektrode 10 und die n-Elektrode 11 werden auf der Oberseite der sich ergebenden Struktur bzw. einem Teil der Oberfläche der n-GaN-Pufferschicht 2 hergestellt (8E). So wird der Halbleiterlaser dieses Beispiels fertiggestellt.

Claims

Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement, umfassend: – ein Substrat (1); – eine erste Halbleiter-Mehrschichtstruktur, die auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und zumindest eine aktive Schicht (4), eine erste Mantelschicht (3) von einem ersten Leitungstyp, eine zweite Mantelschicht (5) von einem zweiten Leitungstyp, wobei die erste und die zweite Mantelschicht (3, 5) die aktive Schicht (4) einbetten, und eine GaN-Stromsperrschicht (7) aufweist, – eine InN-Schicht (6) vom zweiten Leitungstyp, die zwischen der zweiten Mantelschicht (5) und der Stromsperrschicht (7) ausgebildet ist; und – eine zweite Halbleiter-Mehrschichtstruktur (8, 9), die auf der InN-Schicht (6) ausgebildet ist, wobei die Dicke der InN-Schicht (6) im Bereich von 1 nm bis 5 nm liegt.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) vom ersten Leitungstyp ist.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) nicht leitend ist.
Gallium nitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) vom ersten Leitungstyp ist und die erste Halbleiter-Mehrschichtstruktur folgendes aufweist: – eine Pufferschicht (2) vom ersten Leitungstyp, die auf dem Substrat (1) ausgebildet ist; – die auf der Pufferschicht (2) ausgebildete erste Mantelschicht (3); – die auf der ersten Mantelschicht (3) ausgebildete aktive Schicht (4) und – die auf der aktiven Schicht (4) ausgebildete zweite Mantelschicht (5).
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) nicht leitend ist und die erste Halbleiter-Mehrschichtstruktur folgendes aufweist: – eine auf dem Substrat (1) ausgebildete nicht leitende erste Pufferschicht (102); – eine zweite Pufferschicht (2) vom ersten Leitungstyp, die auf der ersten Pufferschicht (102) ausgebildet ist; – die auf der zweiten Pufferschicht (2) ausgebildete erste Mantelschicht (3); – die auf der ersten Mantelschicht (3) ausgebildete aktive Schicht (4) und – die auf der aktiven Schicht (4) ausgebildete zweite Mantelschicht (5) vom zweiten Leitungstyp.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine In_yGa_1–yN-Schicht (0 ≤ y ≤ 1; y ≠ 0, wenn x = 0) ist, die erste Mantelschicht (3) des ersten Leitungstyps und die zweite Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind und die Stromsperrschicht (7), die auf der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps gebildet ist, eine GaN-Schicht des ersten Leitungstyps ist.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiter-Mehrschichtstruktur (8, 9), die auf der InN-Schicht (6) ausgebildet ist, aufweist: die GaN-Stromsperrschicht (7) des ersten Leitungstyps mit einer streifenförmigen Rille, eine dritte Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (0 ≤ x < 1) (8) des zweiten Leitungstyps, die die Oberfläche der Stromsperrschicht (7), die streifenförmige Rille und die Oberfläche der InN-Schicht (6) in der streifenförmigen Rille bedeckt, und eine GaN-Kontaktschicht (9) des zweiten Leitungstyps, die auf der dritten Mantelschicht (8) ausgebildet ist.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement, umfassend: – ein Substrat (1) und – eine Halbleiter-Mehrschichtstrukur, die auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und wenigstens aufweist: eine aktive Schicht (4), eine erste Mantelschicht (3) eines ersten Leitungstyps, eine zweite Mantelschicht (5) eines zweiten Leitungstyps, wobei die erste und zweite Mantelschicht die aktive Schicht (4) dazwischen ein schließen, eine InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps, eine dritte Mantelschicht (8) des zweiten Leitungstyps, die aus einem GaN-Verbindungshalbleiter aufgebaut ist, und eine Kontaktschicht (9), wobei: die InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps zwischen der zweiten Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps und der dritten Mantelschicht (8) des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, und die Dicke der InN-Schicht (6) im Bereich von 1 nm bis 5 nm liegt.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine In_yGa_1–y N-Schicht (0 ≤ y ≤ 1; y ≠ 0, wenn x = 0) ist, die erste Mantelschicht (3) des ersten Leitungstyps und die zweite Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind und die dritte Mantelschicht (8), die auf der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps gebildet ist, und die Kontaktschicht (9) Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind.
Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Mehrschichtstruktur einen streifenförmigen Kamm aufweist, wobei die zweite Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps, die InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps, die dritte Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (8) des zweiten Leitungstyps und die Kontaktschicht (9) einen Kammteil bilden und die zweite Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps und die InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps Seitenteile des Kammteiles sind.
Verfahren zum Herstellen eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselements, umfassend die folgenden Schritte: – Herstellen einer Halbleiter-Mehrschichtstruktur aus wenigstens einer aktiven Schicht (4), einer ersten Mantelschicht (3) von einem ersten Leitungstyp, einer zweiten Mantelschicht (5) von einem zweiten Leitungstyp und einer GaN-Stromsperrschicht (7) auf einem Substrat (1), wobei die erste und Zweite Mantelschicht (3, 5) die aktive Schicht (4) einbetten, und – Herstellen einer InN-Schicht (6) vom zweiten Leitungstyp zwischen der zweiten Mantelschicht (5) und der Stromsperrschicht (7), wobei die Dicke der InN-Schicht (6) im Bereich von 1 nm bis 5 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (1) vom ersten Leitungstyp verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht leitendes Substrat (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Herstellens der Halbleiter-Mehrschichtstruktur die folgenden Schritte umfasst: – Herstellen einer GaN-Stromsperrschicht (7) auf der InN-Schicht (6); – Ätzen der GaN-Stromsperrschicht (7) bis zur InN-Schicht (6), um einen streifenförmigen Graben auszubilden; – Herstellen einer dritten Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (0 ≤ x < 1) (8) vom zweiten Leitungstyp zum Bedecken der Oberseite der GaN-Stromsperrschicht (7) und der Oberseite der InN-Schicht (6) im streifenförmigen Graben; und – Herstellen einer Kontaktschicht (9) vom zweiten Leitungstyp auf der dritten Mantelschicht (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine In_yGa_1–yN-Schicht (0 ≤ y ≤ 1; y ≠ 0, wenn x = 0) ist, die erste Mantelschicht (3) des ersten Leitungstyps und die zweite Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind und die Stromsperrschicht (7), die auf der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, eine GaN-Schicht des ersten Leitungstyps ist.
Verfahren zum Herstellen eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissions-elementes, umfassend die folgenden Schritte: – Erzeugen wenigstens einer aktiven Schicht (4), einer ersten Mantelschicht (3) eines ersten Leitungstyps, einer zweiten Mantelschicht (5) eines zweiten Leitungstyps, einer dritten Mantelschicht (8) eines zweiten Leitungstyps, die aus einem GaN-Verbindungshalbleiter gebildet ist, und einer Kontaktschicht (9) des zweiten Leitungstyps auf einem Substrat (1), wobei die erste und die zweite Mantelschicht (3, 5) die aktive Schicht (4) dazwischen einschließen, und – Erzeugen einer InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps zwischen der zweiten Mantelschicht (5) und der dritten Mantelschicht (8), wobei die Dicke der InN-Schicht (6) im Bereich von 1 nm bis 5 nm liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionselementes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) eine In_yGa_1–yN-Schicht (0 ≤ y ≤ 1; y ≠ 0, wenn x = 0) ist, die erste Mantelschicht (3) des ersten Leitungstyps und die zweite Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind und die dritte Mantelschicht (8), die auf der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps gebildet ist, und die Kontaktschicht (9) Al_xGa_1–xN-Schichten (0 ≤ x < 1) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem den folgenden Schritt aufweist: Ätzen der dritten Mantelschicht (8) und der Kontaktschicht (9) herab bis zu der InN-Schicht (6), um einen streifenförmigen Kamm zu bilden, so dass der streifenförmige Kamm einen Kammteil und Seitenteile des Kammteiles aufweist, wobei der Kammteil aus der zweiten Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps und der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps, der dritten Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (8) des zweiten Leitungstyps und der Kontaktschicht gebildet ist und die Seitenteile des Kammteiles aus der zweiten Al_xGa_1–xN-Mantelschicht (5) des zweiten Leitungstyps und der InN-Schicht (6) des zweiten Leitungstyps gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) von dem ersten Leitungstyp ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) nicht leitend ist.