DE19905516C2 - Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents
Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselbenInfo
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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 (< 1.000°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.
Obwohl diese Probleme, die einer Gitter- und thermischen
Fehlanpassung zugeordnet sind, unter Verwendung existieren
der Kernbildungsschichttechnologien unter Steuern der Erwär
mungs- und Abkühlungssituationen, die dem Wachstum zugeord
net sind, adäquat angegangen werden können, kann eine
Sprungbildung aufgrund einer Dotierung und aufgrund beab
sichtigter Zusammensetzungsschwankungen 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 DE 196 29 720 A1 zeigt eine lichtemittierende Halblei
tervorrichtung mit einer aktiven InGaAlN-Schicht, die auf
einem Saphirsubstrat ausgebildet ist, wobei eine ZnO-Puffer
schicht für eine Gitteranpassung auf dem Substrat ausge
bildet ist.
Die DE 197 25 578 A1 betrifft die Reduzierung der Rißbildung
im Material von III-V-Halbleiterbauelementen bei einer
gleichzeitigen Maximierung einer elektrischen Dotierung. Das
betreffende Bauelement umfaßt ein Substrat, auf dem eine
aktive Schicht aus AlGaIn aufgebracht ist, wobei zusätzlich
eine Pufferschicht zwischen der aktiven Schicht und dem
Substrat angeordnet ist.
Die EP 0 731 512 A2 offenbart eine lichtemittierende Diode
mit einer Doppel-Heterostruktur und einer InGaN-Puffer
schicht, auf der die lichtemittierende Schicht gebildet ist.
In dem Artikel "Improvements in AlGaAs laser diodes grown by
molecular beam epitaxy using a compositionally graded buffer
layer" von T. Hayakawa u. a. in Applied Physics Letters 49
(4), 1986, S. 191-193 werden AlGaAs-Laserdioden beschrieben,
die eine Pufferschicht aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
lichtemittierende Diode mit einer höheren Zuverlässigkeit
und Reproduzierbarkeit zu schaffen, sowie ein Verfahren zu
deren Herstellung.
Diese Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Diode gemäß
Anspruch 1 und gemäß Anspruch 4 sowie durch ein Verfahren
gemäß Anspruch 2 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. 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
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 sgä
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 : Mg 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 beiliegenden 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. Die Grenzflächenschicht 16 wird vor dem
Wachstum der n-Typ- (GaN : Si-) Schicht 18, der aktiven Region
20 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 als Zusammensetzung der Grenzflächen
schicht, da Mg eine hohe Affinität für Sauerstoff hat.
Allgemein sind die Quellen, die durch die Anwesenheit von
sauerstoffenthaltenden Verunreinigungen ungünstig beeinflußt
werden, z. B. die, die Mg, Zn und Al enthalten, einfacher zu
verwenden und für Vorreaktionen 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-
Hintergrundpegel 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 (0,041 gegenüber 0,062 nm). Filme, die mit Si dotiert sind,
werden in einem Spannungszustand aufgewachsen, welcher ein
ungünstiger Zustand 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 = 0,062 nm; Mg =
0,066 nm; Zn = 0,076 nm). Zusätzlich beträgt der Ionenradius von
Cd 0,094 nm. Ein Einfügen dieser Atome in die GaN-Schicht
verschiebt den Spannungszustand, 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 GaN auf AlGaN auf
gewachsen 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 (4)
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 entweder eine Zusammensetzung hat, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Legie rungen aus GaN, GaP und GaAs umfaßt oder aus einer AlInGaN-basierten Verbindung besteht;
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;
wobei die Grenzflächenschicht ferner einen Dotierstoff umfaßt, der einen Ionenradius in der Größenordnung des Atoms hat, das ersetzt wird, wobei der Dotierstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mg, Zn und Cd umfaßt.
einem Substrat (12);
einer Pufferschicht (14), die über dem Substrat gebil det ist;
einer Grenzflächenschicht (16), die über der Puffer schicht gebildet ist und entweder eine Zusammensetzung hat, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Legie rungen aus GaN, GaP und GaAs umfaßt oder aus einer AlInGaN-basierten Verbindung besteht;
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;
wobei die Grenzflächenschicht ferner einen Dotierstoff umfaßt, der einen Ionenradius in der Größenordnung des Atoms hat, das ersetzt wird, wobei der Dotierstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mg, Zn und Cd umfaßt.
2. 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 Metallkontaken (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;
wobei die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine GaN : Mg-basierte Verbindung ist.
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 Metallkontaken (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;
wobei die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine GaN : Mg-basierte Verbindung ist.
3. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden
Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 2, bei dem die
Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine AlInGaN
basierte Verbindung ist.
4. 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;
wobei die Grenzflächenschicht (16) ferner einen Do tierstoff aufweist, der einen Ionenradius hat, der zu dem Ionenradius des Stoffes ähnlich ist, den derselbe ersetzt, wobei der Dotierstoff eine Affinität zu Sauerstoff hat.
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;
wobei die Grenzflächenschicht (16) ferner einen Do tierstoff aufweist, der einen Ionenradius hat, der zu dem Ionenradius des Stoffes ähnlich ist, den derselbe ersetzt, wobei der Dotierstoff eine Affinität zu Sauerstoff hat.
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