DE19725578B4 - Reduzierung der Rißbildung im Material von III-V-Nitrid-Halbleiterbauelementen bei gleichzeitiger Maximierung der elektrischen Dotierung - Google Patents

Reduzierung der Rißbildung im Material von III-V-Nitrid-Halbleiterbauelementen bei gleichzeitiger Maximierung der elektrischen Dotierung Download PDF

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Abstract

Bauelement mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (12);
einer Bauelementverbindungsschicht (16) aus (AlxGa1–x)y In1–yN, die über dem Substrat positioniert ist und eine erste, eine zweite und eine dritte Teilschicht (16A, 16B, 16C) umfaßt, wobei jede Teilschicht (16A, 16B, 16C) eine zugeordnete Zusammensetzung, Dicke und Dotierungsdichte aufweist; und
eine aktive Schicht (18), die über der Bauelementverbindungsschicht (16) angeordnet ist;
wobei die Zusammensetzung und Dicke, die jeder der Teilschichten zugeordnet sind, derart eingestellt sind, daß je höher die Dotierung der Teilschicht ist, umso dünner die Dicke der entsprechenden Teilschicht ist,
wobei die zweite Teilschicht (16B) zwischen der ersten und der dritten Teilschicht (16A, 16C) angeordnet ist, und
wobei die Dotierungsdichte der ersten und der dritten Teilschicht (16A, 16C) geringer ist als die Dotierungsdichte der zweiten Teilschicht (16B).

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von auf Gallium-Nitrid basierenden Bauelementen. Insbesondere ist die Erfindung darauf gerichtet, sowohl die elektrischen Charakteristika als auch die Lichtentnahme aus auf Gallium-Nitrid basierenden Leuchtdioden (LEDs = light emitting diode) zu verbessern, ohne daß im Material Risse auftreten.
  • Auf Gallium-Nitrid (GaN) basierende Verbindungen weisen Emissionen mit Wellenlängen im grünen und blauen Bereich des sichtbaren Lichts und im nahen Ultraviolettbereich auf. Da Einkristalle aus Gallium-Nitrid schwierig aufzuwachsen sind, sind für das epitaxiale Aufwachsen von auf GaN basierenden Bauelementen keine handelsüblich erhältlichen GaN-Substrate verfügbar. Gegenwärtig werden die meisten auf GaN basierenden Leuchtdioden epitaxial auf einem Saphirsubstrat aufgewachsen. Die Unterschiede bei den Gitterkonstanten und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Saphirsubstrat und den auf GaN basierenden Halbleitern machen es schwierig, eine hochwertige auf GaN basierende epitaxiale Schicht auf dem Saphirsubstrat aufzuwachsen. Außerdem ist es nahezu unmöglich, aufgrund der Kombination einer hohen N-Typ-Hintergrundkonzentration und einer niedrigen P-Typ-Dotierungsaktivität einen hochleitfähigen P-Typ-GaN-Halbleiter zu erhalten. Obwohl die Grundkonzepte für Bauelemente mit Hetero-Übergängen seit vielen Jahren gut verstanden werden, vereiteln diese Schwierigkeiten die Entwicklung von Lasern mit Hetero-Übergängen und von LEDs, die grünes oder blaues Licht emittieren, unter Verwendung eines (AlxGal1–x)yIn1–yN-Materialsystems (mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, das als AlGaInN be kannt ist).
  • Während der späten 80iger Jahre wurde eine hochwirksame auf GaN basierende LED möglich, als Entwickler die Wichtigkeit des Aufwachsens von GaN- oder AlN-Pufferschichten bei niedrigen Temperaturen entdeckten. Das Aufwachsen einer Pufferschicht auf ein Saphirsubstrat bei niedrigen Temperaturen verbessert die Morphologie der nachfolgend aufgewachsenen AlGaInN-Schicht und reduziert die N-Typ-Hintergrundkonzentration der AlGaInN-Materialien. Dies, gekoppelt mit einem thermischen Ausglühen nach dem Aufwachsen oder einer Bestrahlung mit einem Bündel niederenergetischer Elektronen, um die P-Typ-Dotierungsatome zu aktivieren, hat das Aufwachsen eines leitfähigen P-Typ-GaN einfacher gemacht. Diese technologischen Fortschritte haben das Fortschreiten der Entwicklung von Bauelementen aus AlGaInN für die Optoelektronik und andere Anwendungsgebiete stark beschleunigt.
  • Die jüngsten Fortschritte haben das Aufwachsen von guten AlGaInN-Bauelementen auf anderen Substraten als Saphir ermöglicht, obwohl diese Substrate noch nicht weitverbreitet handelsüblich erhältlich sind. Neue Puffermaterialien/Pufferschichten, die sich von AlGaInN unterscheiden, (wie z.B. Zinkoxid, ZnO) sind ferner verwendet worden. Dicke AlGaInN-Einkristalle sind auf Silizium- und Saphir-Wafer durch eine Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE = Hydride Vapor Phase Epitaxy) aufgewachsen und nachfolgend als Substrate für ein Aufwachsen eines AlGaInN-Bauelements verwendet worden. Siliziumcarbid (SiC), ZnO, massives GaN und verschiedene Granate sind ferner mit Erfolg verwendet worden. Diese Substrate weisen gewöhnlicherweise eine viel bessere Gitteranpassung an GaN als Saphir auf und erfordern nicht unbedingt eine vorläufige Pufferschicht, um hochwertige Bauelementschichten zu erhalten. Jedoch gibt es in jedem Fall abhängig von den gewünschten Bauelementeigenschaften (z. B. von der Farbe des emittierten Lichts) noch einen deutlichen Unterschied zwischen den Gitterkonstanten des Substrats und einigen der AlGaInN-Bauelementschichten, wobei es unerheblich ist, ob eine Pufferschicht verwendet worden ist oder nicht. Dies ergibt sich, da sich die Gitterkonstante (ebenso wie die elektrischen und optischen Eigenschaften) einer (AlxGa1–x)yIn1–yN-Schicht mit den molaren Verhältnissen von x und y ändert. Als Ergebnis treten Probleme der Materialqualität auf, die denen beim Aufwachsen auf Saphir ähnlich sind.
  • Im allgemeinen ermöglicht ein Aufwachsen einer Pufferschicht auf dem Substrat, daß hochwertige N-Typ- und P-Typ-Bauelementschichten aufgewachsen werden. Wenn jedoch die N-Dotierung einer AlGaInN-Bauelementschicht auf über 2·1018 cm–3 erhöht wird, die durch den Hall-Effekt gemessen werden kann (beispielsweise für eine Si-dotierte GaN-Schicht in einer LED), zeigen einige der Bauelementschichten aufgrund der großen Gitterfehlanpassung und des Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem des Substrats eine schwerwiegende Rißbildung, wenn die hochdotierte Schicht eine Dicke von einigen Mikrometern (μm) übersteigt. Bekannte Bauelemente minimieren die Rißbildung durch Verwenden einer dünnen Schicht, wenn eine hohe Dotierung erforderlich ist, oder durch Verringern der Dotierung, wenn eine dicke Schicht erforderlich ist. Sowie die Dotierung einer Bauelementschicht zunimmt, nimmt die Dicke der Schicht ab, um eine Rißbildung zu vermeiden. Es ist jedoch eine dicke erste Bauelementschicht (typischerweise 3–4 μm) erforderlich, um die Materialqualität beizubehalten, während die hohen Dotierungen das elektrische und optische Verhalten des Bauelements durch Verringern des N-Kontaktwiderstandes, der Vorwärtsspannung und des Volumenwiderstandes innerhalb der N-dotierten Schichten verbessern können. Die Rißbildung im Material beeinträchtigt das Bauelementverhalten und die Zuverlässigkeit ernsthaft.
  • Die EP 0716457 A2 bezieht sich auf lichtemittierende Bauelemente, die auf III-V-Nitrid-Halbleiterverbindungen basieren. Unter anderem lehrt diese Schrift ein Ausführungsbeispiel, das ein Substrat, eine Kontaktschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine erste und eine zweite Zwischenschicht, die auf der Kontaktschicht angeordnet sind, und eine aktive Schicht, die auf der ersten Zwischenschicht angeordnet ist, aufweist. Gemäß der EP 0716457 A2 ist der Dotierungspegel der Kontaktschicht jeweils höher als der Dotierungspegel der Zwischenschicht, um einen guten ohmschen Kontakt mit einer Elektrode durch die Kontaktschicht sicherzustellen.
  • Die DE 19603782 A1 offenbart ein lichtemittierendes Element mit einer III-V-Halbleiterstruktur, bei der zwischen einer aktiven Schicht und einem Saphir-Substrat drei Schichten angeordnet sind, von denen die dem Substrat zugewandte Schicht eine Pufferschicht ist, während die der aktiven Schicht zugewandte Schicht undotiert ist.
  • In der DE 3721761 A1 ist eine lichtemittierende Diode beschrieben, bei der eine Gradientenschicht auf einem GaAs-Substrat angeordnet ist, um die Gitterkonstante einer aktiven Schicht an die Gitterkonstante des Substrats anzupassen.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine LED mit einer erhöhten N-Typ-Dotierung in einer oder mehreren Bauelementschichten zu schaffen, während dieselbe eine gute Materialqualität und optimierte elektrische Eigenschaften aufweist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine LED mit einer erhöhten N-Typ-Dotierung zu schaffen, während dieselbe eine gute Materialqualität und optimierte elektrische Charakteristika (z. B. eine optimierte Vorwärtsspannung und einen optimierten Serienwiderstand) aufweist.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Dotierungen weiter zu optimieren, um eine verbesserte Trägerinjektion und Paarrekombination zu schaffen, um den Lichtausgabewirkungsgrad zu verbessern.
  • Eine N-Typ-Dotierung bei III-V-Nitridhalbleiterverbindungen, d. h. bei auf GaN basierenden Verbindungen, wie z. B. GaN, AlGaN, AlInN, InGaN oder AlGaInN, kann optimiert werden, um den elektrischen N-Kontaktwiderstand, die Einschalt- und Vorwärtsspannungen, die Minoritätsträgerinjektion und die Rekombinationscharakteristika zu verbessern, ohne eine Rißbildung in den Bauelementschichten zu verursachen. Dies wird erreicht, indem eine N-Typ-Bauelementverbindungsschicht hergestellt wird, die mehrere Teilschichten aufweist. Für jede gewünschte elektrische Charakteristik oder Eigenschaft ist eine entsprechende N-Typ-dotierte Teilschicht vorgesehen. Die Dicke jeder Teilschicht wird sorgfältig ausgewählt, um eine Rißbildung im Material zu vermeiden, wobei gilt: Je höher die erforderliche Dotierung ist, desto geringer ist die entsprechende Dicke.
  • Eine Leuchtdiode (LED) gemäß der Erfindung weist eine N-Typ-Bauelementverbindungsschicht mit drei Teilschichten auf. Die Dotierungsdichte jeder Teilschicht ist ausgewählt worden, um eine ausgewählte physikalische Eigenschaft zu optimieren. Die erste Teilschicht ist undotiert oder leicht dotiert, um eine Rißbildung zu vermeiden, und ist für eine gute Materialqualität mit der gewünschten Dicke aufgewachsen. Die zweite Teilschicht ist stark dotiert, um gute N-Kontakt-, Vorwärtsspannungs- und elektrische Resistivitäts-Charakteristika zu liefern, und ist dementsprechend so dünn wie nötig gehalten, um eine Rißbildung im Material zu vermeiden. Die dritte Teilschicht ist mit der gewünschten Dichte dotiert, um eine optimale Trägerinjektion und Paarrekombination in der aktiven Schicht des Bauelements zu liefern: die Dotierung derselben ist typischerweise niedriger als die der zweiten Teilschicht, wobei die Dicke derselben dementsprechend größer ist.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Bauelement der vorliegenden Erfindung, bei dem als erstes eine N-Typ-Verbindungsschicht aufgewachsen ist.
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsprozesses für das in 1 gezeigte Bauelement.
  • 1 stellt eine N-Typ-LED 10 der vorliegenden Erfindung dar. Eine (AlxGa1–x)yIn1–yN-Pufferschicht 14 ist auf einem Substrat 12, wie z. B. einem Saphirsubstrat, aufgebracht. Eine Bauelementverbindungsschicht 16 eines N-Typ-AlGaInN ist über der AlGaInN-Pufferschicht 14 gebildet. Eine Doppel-Hetero-Struktur (DH-Struktur) ist aus einer Bauelementteilschicht 16C und aus einer aktiven Schicht 18 und einer einzelnen oder zusammengesetzten P-Typ-Schicht 20 eines AlGaInN-Verbindungshalbleiters, die über der Bauelementverbindungsschicht 16 aufgewachsen sind, gebildet.
  • Die Bauelementverbindungsschicht 16 weist drei Teilschichten 16A, 16B und 16C des N-dotierten AlGaInN-Materials, wie z. B. GaN:Si, auf. Jede Teilschicht weist eine einzige Dotierungsdichte auf. Die erste Teilschicht 16A ist leicht dotiert, um eine Rißbildung zu vermeiden, und ist für eine gute Materialqualität mit der gewünschten Dicke aufgewachsen. Die Dotierungsdichte der ersten Teilschicht 16A kann Nd = 2·1018 cm–3 betragen (die durch den Hall-Effekt gemessen werden kann), wobei die zugeordnete Dicke 3,5 μm betragen kann. Die zweite Teilschicht 16B ist stark dotiert, um gute N-Kontakt-, Vorwärtsspannungs- und elektrische Resistivitäts-Charakteristika zu liefern. Die Dotierungsdichte der zweiten Teilschicht 16B kann Nd = 8·1018 cm–3 betragen (die durch den Hall-Effekt gemessen werden kann), wobei die zugeordnete Dicke bei 0,4 μm und darunter gehalten werden kann, um eine Rißbildung zu vermeiden. Die dritte Teilschicht 16D ist mit der gewünschten Dichte dotiert, um eine optimale Trägerinjektion und Paarrekombination in der akti ven Schicht 18 des Bauelements zu liefern. Die Dotierungsdichte der dritten Teilschicht 16C kann Nd = 2·1018 cm–3 betragen (die durch den Hall-Effekt gemessen werden kann). Die dritte Teilschicht liefert eine unabhängige Dotierungssteuerung für eine optimale Strominjektion und Rekombination bei Licht-emittierenden Bauelementen mit Doppel-Hetero-Struktur, wie z. B. Dioden (LEDs), die blaues und grünes Licht emittieren, und Lasern (wie z. B. kantenemittierende Laser und Vertikal-Hohlraum-oberflächenemittierende Laser).
  • 2 stellt ein Prozeßablaufdiagramm 30 für das in 1 gezeigte Bauelement dar. In Schritt 40 wird die Pufferschicht direkt auf dem Saphirsubstrat gebildet. In Schritt 50 wird die erste N-Typ-Bauelementteilschicht direkt auf der Pufferschicht bei Aufwachstemperaturen im Bereich von 300°C bis 1500°C gebildet, wobei die Dicke der ersten Teilschicht zwischen einer Dicke von 1,0 μm bis 300 μm variieren kann. In Schritt 60 wird die zweite Teilschicht über der ersten Teilschicht bei vergleichbaren Aufwachstemperaturen, wobei die Dicke der zweiten Teilschicht typischerweise 0,05 μm bis 1,0 μm beträgt, mit einer N-Typ-Dotierung von etwa 2·1018 cm–3 gebildet (die durch den Hall-Effekt gemessen werden kann). Die Dotierungsdichte ist ausgewählt, um die elektrischen Charakteristika des Bauelements zu optimieren, wobei die Dicke dünn genug gehalten ist, um eine Rißbildung zu vermeiden, wobei gilt: Je höher die Teilschichtdotierung ist, desto geringer ist die Teilschichtdicke. In Schritt 70 wird über der zweiten Teilschicht die dritte Teilschicht mit einer ausgewählten Dotierung und Dicke gebildet. Die Dotierung und Dicke sind ausgewählt, um die Strominjektion und die optische Rekombination zu verbessern. In Schritt 80 werden die restlichen Bauelementschichten über der zusammengesetzten Bauelementschicht bei einer Aufwachstemperatur gebildet, die von 300°C bis 1500°C reicht.
  • Die Teilschichten können unter Verwendung einer von vielen verfügbaren Techniken, wie z. B. der organometallischen Dampfphasenepitaxie (OMVPE = organometallic vapor phase epitaxy), die auch metallorganische chemische Dampfaufbringung (MOCVD = metal-organic chemical vapor deposition) genannt wird, der Molekularstrahlepitaxie (MBE = molecular beam epitaxy), der Gasquellen-MBE (GS-MBE = gas source NIBE) oder der Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE) aufgewachsen werden. Die (AlxGa1–x)yIn1–y N-Teilschichten können die gleiche chemische Zusammensetzung (d. h. dieselben molaren x- und y-Verhältnisse) aufweisen, müssen dies aber nicht. Die Zusammensetzung und/oder Dotierung der Teilschichten kann sich von einer Teilschicht zur anderen abrupt ändern, oder kann statt dessen über eine begrenzte Dicke gleichmäßig abgestuft sein, oder kann über die gesamte Dicke der Teilschichten abgestuft sein.
  • Obwohl eine N-Typ-Verbindungsschicht, die drei Teilschichten aufweist, dargestellt worden ist, um die folgenden Eigenschaften zu verbessern; d. h. den elektrischen N-Kontaktwiderstand, die Vorwärtsspannung, die Strominjektion und die strahlende Rekombination, ohne eine Rißbildung in den Bauelementschichten zu verursachen, können zusätzliche N-Typ-Teilschichten hinzugefügt werden, derart, daß die Zusammensetzung, Dicke und Dotierungsdichte jeder Schicht eine gewünschte elektrische Charakteristik oder physikalische Eigenschaft für das Bauelement anpaßt. Die Verbindungsstruktur ist ferner erweiterbar, um die Probleme von Rißbildungen zu vermindern, die bei weiteren hoch N-dotierten oder P-dotierten Schichtsequenzen in Halbleiterbauelementen auftreten.

Claims (10)

  1. Bauelement mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (12); einer Bauelementverbindungsschicht (16) aus (AlxGa1–x)y In1–yN, die über dem Substrat positioniert ist und eine erste, eine zweite und eine dritte Teilschicht (16A, 16B, 16C) umfaßt, wobei jede Teilschicht (16A, 16B, 16C) eine zugeordnete Zusammensetzung, Dicke und Dotierungsdichte aufweist; und eine aktive Schicht (18), die über der Bauelementverbindungsschicht (16) angeordnet ist; wobei die Zusammensetzung und Dicke, die jeder der Teilschichten zugeordnet sind, derart eingestellt sind, daß je höher die Dotierung der Teilschicht ist, umso dünner die Dicke der entsprechenden Teilschicht ist, wobei die zweite Teilschicht (16B) zwischen der ersten und der dritten Teilschicht (16A, 16C) angeordnet ist, und wobei die Dotierungsdichte der ersten und der dritten Teilschicht (16A, 16C) geringer ist als die Dotierungsdichte der zweiten Teilschicht (16B).
  2. Bauelement gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Pufferschicht (14), die zwischen dem Substrat und der Bauelementverbindungsschicht angeordnet ist.
  3. Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei die dritte Teilschicht (16C) über der zweiten Teilschicht positioniert ist und wobei die zugeordnete Dotierungsdichte der dritten Teilschicht ausgewählt ist, um eine optimale Trägerinjektion und Paarrekombination in der aktiven Schicht für eine Lichtemission zu liefern.
  4. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zugeordnete Dotierungsdichte der ersten Teilschicht (16A) ausgewählt ist, um eine gute Materialqualität zu liefern, und die zugeordnete Dotierungsdichte der zweiten Teilschicht ausgewählt ist, um eine niedrige elektrische Resistivität und eine niedrige Bauelementvorwärtsspannung zu liefern.
  5. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bauelementverbindungsschicht (16) eine abgestufte Dotierung von der ersten zu der zweiten Teilschicht aufweist.
  6. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Bauelementverbindungsschicht (16) eine abgestufte Zusammensetzung von der ersten zu der zweiten Teilschicht aufweist.
  7. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Verhältnis der zugeordneten Dotierungsdichten der ersten und der zweiten Teilschicht zwischen 1 und 100.000 liegt.
  8. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Bauelementverbindungsschicht (16) aus einem P-Typ-(AlxGa1–x)yIn1–yN-Material besteht.
  9. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Bauelementverbindungsschicht (16) aus einem N-Typ-(AlxGa1–x)yIn1–yN-Material besteht.
  10. Bauelement gemäß Anspruch 9, bei dem das Verhältnis der zugeordneten Dotierungsdichten der ersten und der zweiten Teilschicht (16A, 16B) zwischen 1 und 10.000 liegt.
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