DE19905516A1 - Verfahren zum Umgehen mit Belastungen und zum Steuern von Verunreinigungen in III-V-Nitrid-Halbleiterfilmen und optoelektronischen Bauelementen - Google Patents

Verfahren zum Umgehen mit Belastungen und zum Steuern von Verunreinigungen in III-V-Nitrid-Halbleiterfilmen und optoelektronischen Bauelementen

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Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Grenzflächenschicht zu einer lichtemittierenden Diodenstruktur oder einer Laserdiodenstruktur hinzugefügt, um die Rolle des Umgehens mit Belastungen und des Getterns von Verunreinigungen auszuführen. Eine Schicht aus GaN oder Al¶x¶In¶y¶Ga¶1-x-y¶N (0 x 1, 0 y 1), die mit Mg, Zn, Cd dotiert ist, kann für diese Schicht verwendet werden. Wenn alternativ Al¶x¶In¶y¶Ga¶1-x-y¶N (x > 0) verwendet wird, kann die Schicht undotiert sein. Die Grenzflächenschicht wird direkt auf der Pufferschicht vor dem Wachstum der n-Typ-(GaN:Si-)Schicht und dem Rest der Bauelementestruktur aufgebracht. Die Dicke der Grenzflächenschicht variiert von 0,01 bis 10,0 mum.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen und insbesondere auf das Umgehen mit Belastungen und das Steuern von Verunreinigungen in den aufgewachsenen Schichten.
Gegenwärtig existiert kein Substratmaterial, das die Gitter­ konstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ver­ bindungen und Legierungen in dem III-V-Nitridmaterialsystem anpassen kann. Somit ist die Fähigkeit, hochqualitative Filme der III-V-Nitride (AlInGaN) durch Standardepitaxie­ techniken (z. B. organisch-metallische Dampfphasenepitaxie (OVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Hydriddampfphasen­ epitaxie (HVPE)) auf fehlangepaßte Substrate, wie z. B. Saphir und Siliziumcarbid, aufzuwachsen, eine Schlüsselkom­ ponente, um hochqualitative Schichten zu erzeugen, und um ein optimales Bauelementeverhalten zu erreichen. Das Wachs­ tum von AlInGaN-Schichten bei typischen Wachstumstempera­ turen (< 1000°C) resultiert in Filmen, die aus einer mosa­ ikartigen Ansammlung von hexagonalen Kristallisationskernen bestehen. Diese Schichten zeigen eine sehr rauhe Morpho­ logie, sehr hohe Hintergrund-Donatorkonzentrationen, und dieselben sind für eine Sprungbildung sehr anfällig.
Die Verwendung von Kernbildungs- oder Pufferschichten, die bei niedrigen Temperaturen (400 bis 900°C) auf Saphir und bei höheren Temperaturen auf Siliziumkarbid aufgebracht wer­ den, bevor das Wachstum bei hoher Temperatur durchgeführt wird, erlaubt es, daß das Kristallwachstum mit dramatisch verbesserter Qualität der epitaxialen Nitridfilme durchge­ führt werden kann. Gegenwärtig bestehen diese Pufferschich­ ten aus AlN, GaN oder einer bestimmten Zusammensetzung zwi­ schen den zwei Binärmaterialien. Die Einfügung dieser Nie­ dertemperatur-Pufferschicht liefert die Einrichtung, durch die drastische Differenzen in 1) Gitterparameter, 2) ther­ mischer Ausdehnung, 3) Oberflächenenergie und 4) Kristallo­ graphie zwischen dem Substrat, z. B. Saphir, und der Ni­ trid-Epischicht überwunden werden.
Nitridbasierte lichtemittierende Dioden (LEDs) umfassen ty­ pischerweise ein Substrat, eine Kernbildungs- oder Puffer­ schicht, eine n-Typ-Leitschicht, eine aktive Schicht, eine p-Typ-Leitschicht und Metallkontakte auf der n- und der p- Typ-Schicht. Eine schematische Darstellung einer allgemeinen LED ist in Fig. 1 gezeigt. Nitrid-LEDs haben typischerweise die in Fig. 2 gezeigte Struktur. Die Kernbildungsschicht ist üblicherweise aus AlN, GaN oder AlGaN.
Eine zusätzliche Komplikation beim Umgang mit der Nitrid­ epitaxie ist das Problem der Sprungbildung. Eine Sprungbil­ dung tritt auf, wenn die epitaxialen Filme unter Spannung gezogen werden, und zwar aufgrund: 1) einer Gitterfehlanpas­ sung zwischen Substrat und Film, 2) einer Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Film, 3) hohen Dosierpegeln und 4) einer Gitterfehlanpassung aufgrund beabsichtigter Zusammensetzungsmodulationen während des Wachstums eines Nitridbauelements. Typische nitridba­ sierte Bauelemente zeigen stark dotierte Schichten, in denen die Dotierungskonzentrationen oft 1018-1019 cm-3 über­ schreiten, und mehrere Zusammensetzungs-Heterogrenzflächen Daten für den Gitterparameter und den thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten für die Nitride und die üblichen Substra­ te (SiC und Saphir) sind in Tabelle 1 gezeigt. Obwohl diese Probleme, die einer Gitter- und thermischen Fehlanpassung zugeordnet sind, unter Verwendung existierender Kernbil­ dungsschichttechnologien unter Steuern der Erwärmungs- und Abkühlungssituationen, die dem Wachstum zugeordnet sind, adäquat angegangen werden können, kann eine Sprungbildung aufgrund einer Dotierung und aufgrund beabsichtigter Zusam­ mensetzungsschwankungen nicht durch solche Verfahren gelöst werden.
Die Sprungbildung stellt ein wesentliches Problem dar, wenn GaN-Schichten mit Si (das einen Ionenradius hat, der 30% kleiner als der von Gallium ist, wobei Gallium das Atom ist, anstatt dessen Silizium eingesetzt wird) n-Typ-dotiert sind, und wenn Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen auf­ einander aufgebracht werden. Der zweite Fall ist besonders problematisch, wenn die oben aufgewachsene Schicht einen kleineren a-Achsen-Gitterparameter als die Schicht hat, auf der sie aufgewachsen ist, z. B. AlN oder AlGaN auf GaN, auf­ grund der sehr starren Elastizitätskonstanten, die die III-V-Nitride zeigen. Zusätzlich zeigen Heterostrukturen, die aus Nitridschichten bestehen, allgemein eine Ausrichtung entlang der a-Achse, die parallel zu der Substrat-Film- Grenzfläche ist, und dieselben sind nur entlang der c-Achse verzerrt, die senkrecht zu der Substrat-Film-Grenzfläche ist. Wenn somit eine Schicht einen kleineren relaxierten a-Achsen-Parameter hat als die Schicht, auf der sie aufge­ wachsen ist, wird eine Zugspannung in dieser Schicht einge­ führt, um die Grenzfläche in Ausrichtung zu halten.
Ein weiteres Problem, das beim Aufwachsen von Kristallen auftritt, ist typischerweise das Problem der unerwünschten Verunreinigungen in ansonsten reinen Kristallen. Unter den üblichen Verunreinigungen, die während des Verfahrens des Kristallwachstums auftreten können, und zwar unabhängig von dem verwendeten Verfahren, wird Sauerstoff als die problema­ tischste Verunreinigung angesehen. Sauerstoff kann die Fä­ higkeit wesentlich begrenzen, die Leitfähigkeit, die Bela­ stung und die optische Lumineszenz zu steuern. Sauerstoff­ quellen können Reaktandenquellen, Reaktorwände und Hardware, Graphit-Suszeptoren oder Boote und sogar die Substratwafer selbst sein. Weitere Sauerstoffquellen sind denkbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept für lichtemittierende Dioden zu schaffen, das licht­ emittierende Dioden mit höherer Zuverlässigkeit und Reprodu­ zierbarkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 1 oder 11 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Diode gemäß Anspruch 7 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Grenzflächen­ schicht zu einer lichtemittierenden Diode oder einer Laser­ diodenstruktur hinzugefügt, um die Rolle des Umgehens mit Belastungen und des Getterns von Verunreinigungen zu über­ nehmen. Eine Schicht aus AlxInyGa1-x-yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), die mit Mg, Zn, Cd dotiert ist, kann für diese Schicht verwendet werden. Wenn AlxInyGa1-x-yN (x < 0) verwendet wird, kann die Schicht alternativ undotiert sein. Die Grenz­ flächenschicht wird direkt auf der Pufferschicht vor dem Wachstum der n-Typ-(GaN:Si-)Schicht und dem Rest der Bau­ elementestruktur aufgebracht. Die Dicke der Grenzflächen­ schicht variiert von 0,01 bis 10,0 µm.
Die Grenzflächenschicht erhöht die Bauelementezuverlässig­ keit und Reproduzierbarkeit, da die Probleme, die der Sprungbildung, des Schichtzusammenwachsens und des Einfan­ gens von Verunreinigungen zugeordnet sind, in eine Region des Bauelements verlagert sind, die während des Bauelemente­ betriebs nicht aktiv ist. Zur Veranschaulichung dient die Grenzflächenschicht zum "Gettern" oder zum "Einfangen" der Restverunreinigungen (z. B. O) in der Anfangsschicht der Struktur. Zusätzlich reinigt dieses Verfahren ferner die Kammer- und die Reaktorkomponenten, indem sie dieselben frei von unerwünschten Verunreinigungen macht, die ansonsten spä­ ter vorhanden sein würden, wenn die kritischeren Schichten, z. B. die aktive Schicht oder die p-Typ-Schichten, in der Struktur aufgewachsen werden. Die bevorzugten Ausführungs­ beispiele für diese Schicht umfassen GaN:Mg und AlGaN für die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht, da sowohl Mg als auch Al eine hohe Affinität für Sauerstoff haben. Zu­ sätzlich reduziert die Verwendung dieser Grenzflächenschicht die Belastung und verringert die Antriebskraft zum Sprung­ bilden durch Verändern des Wesens des Belastungszustands der Nitrid-Epischicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich­ nungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine lichtemittierende Diode gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine typische nitridbasierte LED gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine lichtemittierende Diode gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein SIMS-Profil einer GaN:Mg-Schicht, wo die Anwe­ senheit von O an der Grenzfläche deutlich zu sehen ist;
Fig. 5 das Tiefenprofil für Mg einer bekannten LED; und
Fig. 6 das Tiefenprofil für Mg unter Verwendung des Ver­ fahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung 10 dar. Eine Grenzflächenschicht 16 ist einer licht­ emittierenden Diodenstruktur oder einer Laserdiodenstruktur hinzugefügt worden, um die Rolle des Umgehens mit Belastun­ gen und des Getterns von Verunreinigungen zu übernehmen. Eine Schicht aus AlxInyGa1-x-yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), die mit Mg, Zn, Cd dotiert ist, kann als Grenzflächenschicht verwendet werden. Wenn alternativ AlxInyGa1-x-yN mit x < 0 verwendet wird, kann die Grenzflächenschicht undotiert sein. Die Grenzflächenschicht 16 wird vor dem Wachstum der n-Typ-(GaN:Si-)Schicht 18, der aktiven Region 10 und der p-Typ- Schicht 22 direkt auf der Pufferschicht 14 aufgebracht. Die Dicke der Grenzflächenschicht variiert von 0,01 bis 10,0 µm und hat einen bevorzugten Dickenbereich von 0,25 bis 1,0 µm. Metallkontaktschichten 24A, 24B sind auf der p-Typ-Schicht 22 bzw. auf der n-Typ-Schicht 18 aufgebracht.
Die Grenzflächenschicht erhöht die Bauelementezuverlässig­ keit und die Reproduzierbarkeit durch "Gettern" oder Einfan­ gen der Restverunreinigungen, z. B. Sauerstoff, in der Anfangsschicht der Struktur. Das Verfahren reinigt ferner die Kammer- und die Reaktorkomponenten, indem sie dieselben von weiteren Verunreinigungen frei macht, die ansonsten spä­ ter vorhanden sein würden, wenn die kritischeren Schichten, z. B. die aktive Schicht oder die p-Typ-Schichten, in der Struktur aufgewachsen werden. Das bevorzugte Ausführungsbei­ spiel verwendet GaN:Mg und/oder AlGaN als Zusammensetzung der Grenzflächenschicht, da sowohl Mg als auch Al eine hohe Affinität für Sauerstoff haben. Allgemein sind die Quellen, die durch die Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Verun­ reinigungen, z. B. die, die Mg, Zn und Al enthalten, ungün­ stig beeinflußt werden, einfacher zu verwenden und für Vor­ reaktionen und schließlich eine Gasphasenverarmung weniger anfällig, nachdem die Grenzflächenschicht aufgewachsen ist.
Fig. 4 zeigt ein Sekundärionenmassenspektrometrie-Profil (SIMS-Profil; SIMS = Secondary Ion Mass Spectrometry) einer GaN:Mg-Schicht, in dem die Anwesenheit von Sauerstoff an der Grenzfläche deutlich zu sehen ist. Nach den ersten 0,25 bis 0,35 µm ist die Konzentration von Sauerstoff auf den SIMS-Hin­ tergrundpegel reduziert, was anzeigt, daß der Sauerstoff in diesem nicht-kritischen Abschnitt der Struktur eingefan­ gen worden ist. Fig. 5 zeigt das Mg-Profil in einer GaN-ba­ sierten LED. Die Mg-dotierte Region auf der rechten Seite der Figur ist die Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Das In-Profil ist als Markierer vorhanden und zeigt die Position der aktiven Region an.
Wenn die GaN:Si-Schicht direkt auf die Pufferschicht aufge­ bracht wird (was für GaN-basierte optoelektronische Bauele­ mente typisch ist), besteht die Tendenz, daß die Sprungbil­ dung ein Problem ist. Si hat einen kleineren Atomradius als Ga (0,41 gegenüber 0,62 Å), wodurch Si aus dem Gitter ver­ setzt wird. Filme, die mit Si dotiert sind, werden in einem Spannungszustand aufgewachsen, welcher ein ungünstiger Zu­ stand für zerbrechliche Materialien, z. B. GaN, ist. Die Größe der Ionenradien von Mg und Zn sind mit denen des Atoms vergleichbar, anstatt dessen dieselben eingebracht werden, wenn dotiert wird (Ga = 0,62 Å; Mg = 0,66 Å; Zn = 0,74 Å). Zusätzlich beträgt der Ionenradius von Cd 0,94 Å. Ein Ein­ fügen dieser Atome in die GaN-Schicht verschiebt den Span­ nungszustand, der den Dotierstoffverunreinigungen zugeordnet ist, in eine Kompression, welche ein sehr günstiger Zustand für GaN ist. Auf ähnliche Art und Weise wird die GaN-Schicht in einem Zustand der Kompression sein, wenn Ga auf AlGaN aufgewachsen ist, wobei AlGaN eine kleinere Gitterkonstante als GaN hat, was in einer wesentlichen Reduktion der Sprung­ bildung resultiert.
Im Stand der Technik besteht ein Hauptproblem, das in allen Herstellungsprozessen, die Mg als Dotierstoffquelle verwen­ den, zu sehen ist, im Punkt der Einschaltzeit. Aufgrund sei­ nes reaktiven Wesens und seiner starken Anziehung zu Feuch­ tigkeit und Sauerstoff sowie zu der Reaktorverblombung und den Reaktorwänden ist Mg eine Verunreinigung, die während des Kristallwachstums sehr schwer gesteuert werden kann. Oft nimmt das chemische Profil für Mg eine längere Zeit und eine wesentliche Filmdicke ein, bevor eine Gleichgewichtskonzen­ tration erreicht wird. Da die Trägermobilität und Lebens­ dauer für Löcher in GaN:Mg im allgemeinen niedrig sind, ist die Plazierung von Mg und daher die Position des p-n-Über­ gangs für einen effizienten LED-Betrieb wesentlich. Da die Dicke der Grenzflächenschicht im allgemeinen größer als die Dicke ist, die erforderlich ist, um die Gleichgewichtskon­ zentration von Magnesium zu erreichen, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die Zeit wesentlich zu redu­ zieren, die benötigt wird, um eine Gleichgewichtskonzentra­ tion zu erreichen. Das Resultat ist ein viel schärferes Mg- Profil, wodurch ein scharfer Übergang zwischen der n- und der p-Typ-Schicht in der Struktur erzeugt wird, wodurch der Bauelementewirkungsgrad erhöht wird. Ein Vergleich zwischen den Profilen unter Verwendung des Stands der Technik und unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 5 gegeben. Beide y-Achsen sind normiert, um eine ab­ solute Mg-Konzentration von 5 × 1018 - 5 × 1021 cm-3 wieder­ zugeben.

Claims (12)

1. Lichtemittierende Diode (10) mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (12);
einer Pufferschicht (14), die über dem Substrat gebil­ det ist;
einer Grenzflächenschicht (16), die über der Puffer­ schicht gebildet ist und eine Zusammensetzung hat, die eine Affinität für spezifische Verunreinigungen hat;
einer n-Typ-Schicht (18), die über der Grenzflächen­ schicht gebildet ist;
einer aktiven Region (20), die über der n-Typ-Schicht gebildet ist;
einer p-Typ-Schicht (22), die über der aktiven Region gebildet ist; und
zwei elektrischen Kontakten (24A, 24B), von denen ei­ ner mit der n-Typ-Schicht verbunden ist, während der andere mit der p-Typ-Schicht verbunden ist.
2. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 1, bei der die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht (16) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Legierungen aus AlInGaN, AlInGaP und AlInGaAs aufweist.
3. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 2, bei der die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht (16) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Legierungen aus GaN, GaP und GaAs umfaßt.
4. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 3, bei der die Grenzflächenschicht ferner einen Dotierstoff umfaßt, der einen Ionenradius in der Größenordnung des Atoms hat, anstatt dessen derselbe eingesetzt wird.
5. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 4, bei der der Dotierstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mg, Zn und Cd umfaßt.
6. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 2, bei der die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht (16) eine AlInGaN-basierte Verbindung ist.
7. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (10) mit folgenden Schritten:
Bilden einer Pufferschicht (14) über einem transparen­ ten Substrat (12);
Bilden einer Grenzflächenschicht (16) über der Puffer­ schicht (14), wobei die Grenzflächenschicht (16) eine Zusammensetzung hat, die eine Affinität für ausgewähl­ te Verunreinigungen hat;
Bilden einer n-Typ-Schicht (18) über der Grenzflächen­ schicht (16);
Bilden einer aktiven Region (20) über der n-Typ- Schicht (18);
Bilden einer p-Typ-Schicht (22) über der aktiven Re­ gion (20); und
Aufbringen von zumindest zwei Metallkontakten (24A, 24B), wobei einer der Metallkontakte mit der n-Typ- Schicht verbunden ist, während der andere der Metall­ kontakte mit der p-Typ-Schicht verbunden ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 7, bei dem die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine Affinität für Sauerstoff hat.
9. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 8, bei dem die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine AlInGaN-basierte Verbindung ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine GaN:Mg-basierte Verbindung ist.
11. Lichtemittierende Diode (10) mit folgenden Merkmalen:
einem transparenten Substrat (12);
einer Pufferschicht (14), die über dem transparenten Substrat (12) gebildet ist;
einer Grenzflächenschicht (16), die über der Puffer­ schicht (14) gebildet ist und eine Zusammensetzung aufweist, die eine Affinität für spezifische Verunrei­ nigungen hat;
einer ersten Schicht (18) mit einem ersten Typ, die über der Grenzflächenschicht (16) gebildet ist;
einer aktiven Region (20), die über der ersten Schicht (18) gebildet ist;
einer zweiten Schicht (22) mit einem zweiten Typ, die über der aktiven Region (20) gebildet ist; und
einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (24A, 24B), wobei der erste Kontakt mit der ersten Schicht verbunden ist, während der zweite Kontakt mit der zweiten Schicht verbunden ist.
12. Lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 11, bei der die Grenzflächenschicht (16) ferner einen Dotierstoff auf­ weist, der einen Ionenradius hat, der zu dem Ionenra­ dius des Stoffes ähnlich ist, den derselbe ersetzt.
DE19905516A 1998-06-05 1999-02-10 Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselben Expired - Lifetime DE19905516C2 (de)

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