DE19905517A1

DE19905517A1 - Mehrschichtige Indium-enthaltende Nitridpufferschicht für die Nitrid-Epitaxie

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Publication number: DE19905517A1
Application number: DE1999105517
Authority: DE
Inventors: R Scott Kern; Changhua Chen; Werner Goetz; Gina L Christenson; Chihping Kuo
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: DE19905517B4; GB2338107A; KR20000005908A; GB9911467D0; JP2000036620A; TW398084B

Abstract

Ein Halbleiterbauelement umfaßt ein Substrat, eine Puffer- oder Kernbildungs-Struktur und eine aktive Struktur, die die Schaltungselemente desselben aufweist.Die Kernbildungsschicht wird bei einer relativ niedrigen Temperatur hergestellt und umfaßt zumindest eine Schicht, die aus einer III-V-Nitridverbindung besteht, die Indium enthält. Bei einer Mehrschichtstruktur besteht zumindest eine dieser Schichten, vorzugsweise die, die direkt auf dem Substrat aufgebracht ist, aus einer Indium-enthaltenden III-V-Nitridverbindung und dient als Pufferschicht. Bei der folgenden AlInGaN-Epitaxide relaxieren die Indium-enthaltenden Schichten. Reduktionen der Spannung und der Sprungbildung resultieren, wodurch eine größere Flexibilität bei einer Zusammensetzungs- und Dotierungs-Modulation erlaubt ist. Da die elektrischen und optischen Eigenschaften des Bauelements von den Spannungs- und Belastungszuständen abhängen, die in der aktiven Struktur desselben vorhanden sind, können diese Eigenschaften zugeschnitten werden, indem die Zusammensetzung und die Schichtdicke der Kernbildungsschicht gesteuert werden. Indiumenthaltende Nitride, die vorteilhafterweise eine hohe Qualität haben, können bei relativ niedrigen Temperaturen aufgewachsen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Halbleiterbauelementen und ihre Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Dünnfilmaufbringung von Schichten auf Kombinationen unterschiedlicher Substrate und/ oder existierender Schichten. Die Erfindung ist besonders auf optoelektronische Bauelemente, wie z. B. lichtemittie rende Dioden (LEDs) anwendbar.

GRUNDKONZEPTE

Der Prozeß der Halbleiterherstellung umfaßt allgemein das Beginnen mit einem Substrat, wie z. B. einem Siliziumwafer, und das Aufbringen einer Serie strukturierter Schichten auf dem Wafer. Die Schichten können dotiertes Halbleitermate rial, isolierende Schichten, wie z. B. Oxide, usw., umfas sen. Die Strukturen werden unter Verwendung von Techniken, wie z. B. des Photolackmaskierens, des Ätzens, usw., herge stellt.

Die strukturierten Schichten bilden eine aktive Struktur, die die Schaltungselemente und die von dem Schaltungsent wickler erwünschte Funktionalität umfaßt. Die Strukturen definieren Schaltungsbauelemente und Verbindungen zwischen den Bauelementen, derart, daß das resultierende Halbleiter bauelement diese Funktionalität besitzt.

1. FILMZUSAMMENSETZUNGEN

Silizium (Si) und Germanium (Ge), die beide in Spalte IV des Periodensystems der Elemente stehen, sind übliche Materia lien, die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden. Insbesondere bestehen viele Substrate aus Silizium. Andere Substratmaterialien umfassen Saphir (Al₂O₃), Galliumarsenid (GaAs) und Siliziumcarbid (SiC).

Materialien, die üblicherweise zur Schichtenherstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, und insbesondere für optoelektronische Bauelemente, sind Kombinationen von Elementen der Spalten III und V des Periodensystems, die üblicherweise als "III-V"-Verbindungen bezeichnet werden. Die Spalte-III-Elemente umfassen Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In). Die Spalte-V-Elemente umfassen Arsen (As), Phosphor (P) und Stickstoff (N). Die vielleicht am häufigsten verwendete III-V-Verbindung ist Galliumarsenid (GaAs).

Eine Klasse von III-V-Verbindungen, die gemeinsam als Nitri de bezeichnet werden, wird beim Herstellen der strukturier ten Schichten verwendet. Insbesondere stellten sich Nitride als nützlich für die Technologie der lichtemittierenden Dio den (LEDs) heraus.

Eine Nitridverbindung umfaßt eines oder mehrere Spalte-III- Elemente zusammen mit Stickstoff (N) der Spalte V. Wenn bei spielsweise nur Gallium aus der Spalte III verwendet wird, dann ist die Nitridverbindung Galliumnitrid (GaN). Es ist jedoch ebenfalls üblich eine Mischung aus Spalte-III-Elemen ten zu nehmen. Solche Verbindungen sind dann beispielsweise als In_xGa_1-xN oder Al_xGa_1-xN gegeben, wobei die Indizes (die zusammen 1 ergeben) Werte haben, die die Verhältnisse der verwendeten Spalte-III-Elemente wiedergeben.

Viele der oben aufgelisteten Materialien wurden bei der Auf bringung der strukturierten Schichten, die die aktive Struk tur bilden, verwendet. Als ein Beispiel von vielen sei das U.S. Patent 5,389,517 von Takeuchi u. a. mit dem Titel "Method of Fabricating a Gallium Nitride Based Semiconductor Device with an Aluminium and Nitrogen Containing Intermedia te Layer" genannt, das ein Bauelement beschreibt, das als Teil seiner aktiven Struktur ein Kristall aus (Ga_1-xAl_x)_1-y In_yN-Nitridmaterial aufweist.

2. FILMGITTEREIGENSCHAFTEN

Im allgemeinen liegen Halbleitermaterialien in der Form von kristallinen Gittern vor. Dies bedeutet, daß die Atome, die das Material bilden, in regelmäßigen Strukturen, wie z. B. Reihen, Ebenen und Einheitszellen, angeordnet sind. Viele verschiedene Gitterkonfigurationen sind möglich. Die spezi elle Gitterformation in einem gegebenen Fall ist eine Cha rakteristik des Materials, das das Gitter bildet. Verschie dene Faktoren, wie z. B. die Ionenradien des Elements oder der Elemente, die das Material bilden, haben einen Einfluß darauf, welche Art einer kristallinen Gitterkonfiguration ein gegebenes Element oder eine Verbindung annehmen wird.

Wo Dünnfilmhalbleitermaterial auf ein Substrat aufgebracht wird, bildet sich insbesondere eine im wesentlichen planare Film-Substrat-Grenzfläche. Im Fall von Nitridverbindungen ist die am häufigsten beobachtete Gitterkonfiguration hexa gonal oder "wurtzitisch". Fig. 1 zeigt die einfachste Dar stellung einer Hexagonalkristallgitter-Einheitszelle. Die Einheitszelle nimmt die Form eines hexagonalen Prismas an, hat eine hexagonale Querschnittsfläche in einer Ebene (die als Bezug mit "horizontal" bezeichnet ist) und verläuft axial in einer Richtung (die mit "vertikal" bezeichnet ist) senkrecht zu der horizontalen Ebene.

Um eine spezielle Position in einem hexagonalen Koordinaten raum zu beschreiben, werden vier Achsen verwendet. Drei der Achsen liegen in der horizontalen Ebene mit Winkeln von 120° zueinander und werden a₁, a₂ und a₃ genannt. Eine vierte Achse, die mit c bezeichnet ist, befindet sich in der verti kalen Ebene.

Es ist eine übliche Notation, auf Ebenen in diesem Koordina tensystem unter Verwendung einer Notation (a'₁ a'₂ a'₃ a'₄) zu verweisen, wobei die Werte a'₁, a'₂, a'₃ und a'₄ auf das Inverse der Koordinaten entlang einer gegebenen Achse ver weisen, wo die Ebene diese Achse schneidet. In dem Fall, bei dem eine Ebene eine Achse nicht schneidet (d. h. wenn die Ebene parallel zu der Achse ist), ist der verwendete Wert 0. Beispielsweise ist eine der am einfachsten und am zweck mäßigsten zu definierenden Ebene die obere Ebene, die das oberste Oberflächenhexagon der Einheitszelle schneidet. Die se Ebene, die üblicherweise als die "Basalebene" bezeichnet wird, ist parallel zu allen drei Achsen a. Die Planarnota tion der Basalebene ist dementsprechend (0001).

Das Gitter, das den Film in einem Halbleiterbauelement bil det, wird oft in solchen Gitterparametern beschrieben. Nitridfilme bilden sich allgemein in der Hexagonalgitter struktur, wobei die Basalebene parallel zu der Substratober fläche ausgerichtet ist, und parallel zu der Grenzfläche zwischen der Substratoberfläche und dem Film. Somit folgt daraus, daß die "a-Achse" auf eine von drei Richtungen pa rallel zu der Film-Substrat-Grenzfläche verweist, wobei die a-Achsen untereinander um 120° getrennt sind. Die "c-Achse" verweist auf eine Richtung senkrecht zu der Film-Substrat- Grenzfläche.

Kristallgitter, wie z. B. die in dieser Beschreibung zu be schreibenden Filmschichten, werden mit Parameterwerten be schrieben, wie z. B. einer "Gitterkonstante" und einem "thermischen Ausdehnungskoeffizienten" (nachfolgend detail liert beschrieben). Diese Parameterwerte werden in Verbin dung mit den a- und c-Achsen des hexagonalen Koordinaten systems gegeben.

Viele Dünnfilmkristallgitterparameter unterscheiden sich jedoch nicht in den verschiedenen a-Achsen-Richtungen, so daß nicht mehr als ein Achsenparameter für ihre Beschreibung erforderlich ist. Dementsprechend genügt ein Parameterwert, um die Grenzflächen-parallelen Eigenschaften des Filmgitters zu beschreiben. Im Falle von Hexagonalkristallsystemen, wie z. B. Nitriden, wird nur ein a-Achsen-Parameter verwendet.

Im allgemeinen unterscheiden sich jedoch die Eigenschaften des Filmgitters in der Richtung senkrecht zu der Film-Sub strat-Grenzfläche von denen in Richtungen parallel zu der Grenzfläche. Daher hat ein c-Achsen-Parameter allgemein einen Wert, der sich von dem des entsprechenden a-Achsen- Parameters unterscheidet.

Die Parameter, die den a- und c-Achsen eines Filmgitters zugeordnet sind, beziehen sich allgemein auf die Beabstan dung zwischen benachbarten Atomen derselben Art (d. h. Ga-Ga- oder N-N-Trennungsabstände) in der Gitterstruktur entlang der Richtung/den Richtungen, die durch die Achsen vorgeschrieben sind.

Ein Parameter ist die Gitterkonstante, ein Maß für die Atom beabstandung.

Ein weiterer ist der thermische Ausdehnungskoeffizient, der die Ausdehnung oder Kontraktion des Gitterparameters anspre chend auf Änderungen der Temperatur gegeben in Form der Be abstandungsänderung pro Grad Temperaturänderung darstellt.

Wie es oben erwähnt wurde, bilden sich Gitter gemäß den Eigenschaften der speziellen Substanzen, die das Gitter aus machen. Insbesondere bestimmen die Ionenradien der Atome die Beabstandung und daher die Werte der a- und c-Achsen-Para meter.

Wo jedoch ein Film neu auf einem Substrat oder auf einem früher aufgebrachten Film gebildet wird, tendiert der a-Ach sen-Parameter des neuen Films dazu, dem a-Achsen-Parameter dessen zu folgen, was unter demselben ist. Das darunterlie gende Gitter zwingt den a-Achsen-Parameter der neuen Schicht dazu, sich von dem a-Achsen-Parameter zu unterscheiden, den der neue Film andernfalls haben würde. Daher wird auf den neuen Film eine Spannung ausgeübt.

Zudem wird der c-Achsen-Parameter des Films ebenso beein trächtigt, wenn der a-Achsen-Parameter eines neu aufgebrach ten Films durch die darunterliegende Gitterstruktur beein trächtigt wird. Hier wird wieder auf das Gitter des neuen Films eine Spannung ausgeübt.

Es wird davon gesprochen, daß eine Dünnfilmschicht "in Aus richtung" ist, wenn ihr Gitter kompatibel zu dem Gitter unter derselben ausgelegt ist. Das heißt, daß die Atomebenen über die Grenzfläche zwischen den zwei Materialien ohne Ver zerrung durchgehend sind. Wo die Gitter unterschiedlich sind, kann der Film nicht in Ausrichtung bleiben, ohne daß er eine bestimmte derartige Spannung erfährt. Das heißt, daß die Atome, die das Filmgitter ausmachen, näher zueinander gequetscht werden können oder voneinander weggezogen werden können, als sie sein würden, wäre die Ausrichtungsspannung nicht vorhanden.

Gitter, die so stark unter Spannung gesetzt werden, daß sie nicht in Ausrichtung bleiben, tendieren dahin, Versetzungen aufzunehmen, die ein Typ eines Gitterstrukturdefekts sind. Wo eine ausreichend große Differenz im a-Achsen-Gitterpara meter zwischen dem Substrat und dem Film existiert, tendiert das Filmgitter dahin, die Spannung zu lösen, indem Verset zungen gebildet werden, in der Tat durch "Übergehen einer Reihe" oder "Einfügen einer zusätzlichen Reihe" von Atomen, so daß die nächste Reihe von Filmgitteratomen mit dem Sub stratgitter ausgerichtet werden kann. Während Versetzungen bis zu einem bestimmten Grad unvermeidbar sind bei fehlange paßten Gittergrenzflächen, ist es doch wünschenswert, diese zu minimieren. Aufgrund der großen Fehlanpassung zwischen den Nitridmaterialien und den üblicherweise verwendeten Sub straten treten Versetzungen ziemlich häufig in der Nitrid filmschicht auf.

Es wird ferner der Fall sein, daß zufällig plazierte Punkt defekte auftreten, wenn sich Gitterstrukturen bilden. Ein Punktdefekt kann eine Leerstelle in dem Gitter an einer Po sition sein, wo ein Atom sein sollte, ein Verunreinigungs atom, das den Platz eines Atoms von einem der Gittermatrix elemente einnimmt, usw. Punktdefekte sollten ebenfalls mini miert werden. Reinlichkeit in der Herstellungseinrichtung und feingesteuerte Herstellungsumgebungsbedingungen helfen dabei, Punktdefekte zu minimieren.

3. FILMHERSTELLUNGSTECHNIKEN

Eine übliche Technik zum Aufbringen von Schichten wird als "Epitaxie" bezeichnet. Das heißt, daß Schichten "epitaxial" aufgebracht werden, und daß die Schichten selbst "epitaxia le" Schichten sind. Bei dieser Technik wird die Schicht aus Material im wesentlichen Atom für Atom von der Umgebungsbe dingung auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Das Material, das die Epitaxialschicht bildet, kristallisiert in ein Gitter gemäß seiner eigenen Eigenschaften oder gemäß den Eigenschaften der darunterliegenden Schicht, wie es oben er örtert wurde.

Beispiele für solche Techniken umfassen die organmetallische Dampfphasenepitaxie, die Molekularstrahlepitaxie und die Hydrid-Dampfphasenepitaxie. (Dagegen würde eine nicht-epi taxiale Technik eine sein, bei der ein Material Pellet auf dem Substrat plaziert wird und das Element so erwärmt wird, daß das Pellet auf der Oberfläche des Substrats schmilzt.)

Sowohl Epitaxie- als auch andere Typen von Herstellungs schritten finden allgemein bei Temperaturen von Hunderten von Graden (Celsius) höher als Zimmertemperatur statt, wobei jedoch abhängig von dem Typ oder Schritt und dem Typ des auf zubringenden Materials wesentliche Temperaturvariationen vorhanden sind.

Einer der Punkte beim Entwickeln von Herstellungsverfahren ist die Anordnung der Reihenfolge der Schritte, so daß eine Temperatur, die für einen späteren Schritt benötigt wird, nicht für die Ergebnisse eines früheren Schritts schädlich ist.

DARSTELLUNG DES ZU LÖSENDEN PROBLEMS

Beim Entwickeln eines Halbleiterherstellungsverfahrens exi stieren verschiedene Punkte, die angegangen werden müssen, um sicherzustellen, daß die durch das Herstellungsverfahren hergestellten Halbleiterelemente eine adäquate Qualität haben. Im allgemeinen bezieht sich der Ausdruck "Qualität", wenn er bei der Halbleiterherstellung verwendet wird, auf die korrekte Funktionalität und Zuverlässigkeit des herge stellten Halbleiterbauelements.

Für eine Halbleiterherstellung mit hoher Qualität ist es notwendig, daß die verschiedenen Schichten aneinander und an dem Substrat haften. Dies ist sowohl aufgrund guter elektri scher Charakteristika als auch aufgrund guter mechanischer Charakteristika notwendig.

Ferner bezieht sich die Qualität eines Halbleiterbauelements auf die Situation der Kristallgitter, die das Bauelement ausmachen. Defekte in der Struktur der Gitter sind für die Qualität des Bauelements schädlich. Wenn daher Gitterspan nungen auf hergestellte Filmschichten ausgeübt werden, wie es oben erörtert wurde, ist es notwendig, die Auswirkungen dieser Spannung auf die Filmgitter zu begrenzen oder zumin dest zu steuern.

Eine Komplikation von besonderer Wichtigkeit ist das Problem der Sprungbildung, wenn die Nitridepitaxie betrachtet wird. Eine Sprungbildung tritt auf, wenn Epitaxialfilme unter Spannung gezogen werden, d. h. Belastungen unterzogen wer den, wie sie oben erörtert wurden. Im allgemeinen sind Sprünge senkrecht zu der Film-Substrat-Grenzfläche.

Es dürften mehrere mögliche Ursachen für ein solches Sprung bilden vorhanden sein:

(i) eine Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und dem Film aufgrund von Unterschieden der Gitterkonfi guration zwischen den Substanzen, die das Substrat und den Film ausmachen;
(ii) eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffi zienten zwischen den Materialien, die das Substrat und den Film bilden;
(iii) hohe Dotierpegel in den Materialien; und
(iv) eine Gitterfehlanpassung aufgrund beabsichtigter Zu sammensetzungsmodulationen, d. h. Änderungen des che mischen Aufbaus der Herstellungsmaterialien, die wäh rend des Wachstums eines Nitridbauelements beabsich tigt eingeführt werden.

Beispielsweise resultiert ein Wachstum von AlInGaN-Schichten ohne den Vorteil einer Pufferschicht bei typischen Wachs tumstemperaturen größer als 1.100°C in einem Film, der aus einer mosaikförmigen Ansammlung von hexagonalen Kernen be steht. Diese Schichten zeigen eine sehr rauhe Morphologie und sehr hohe Hintergrund-Donatorenkonzentrationen. Als Fol ge haben sie die Charakteristika (i) und (iii) und sind für eine Sprungbildung anfällig.

GITTERFEHLANPASSUNGEN UND FEHLANPASSUNGEN BEZÜGLICH DER THERMISCHEN AUSDEHNUNGSKOEFFIZIENTEN

Ein Halbleitermaterial ist durch eine Gitterkonstante cha rakterisiert, d. h. durch eine mathematische Charakterisie rung der Kristallstruktur des Materials. Ferner hat ebenso wie jedes andere Material ein Halbleitermaterial einen ther mischen Ausdehnungskoeffizienten, der ein Maß dafür ist, wie stark sich das Material ausdehnt oder zusammenzieht, wenn Temperaturänderungen auftreten.

Nebeneinander angeordnete Schichten sollten identische oder kompatible Gitterbildungen für eine gute Haftung haben. In kompatible Gitterbildungen resultieren in einer schlechten Haftung und machen die Schichten für eine Trennung anfällig, wodurch die elektrischen Charakteristika verschlechtert wer den.

Ferner sollten benachbarte Schichten thermische Ausdehnungs koeffizienten haben, die so ähnlich als möglich sind, so daß Temperaturänderungen nicht in einer Schichttrennung resul tieren, da sie eine Schicht mehr als die andere Schicht aus dehnt. Dies ist besonders wichtig, da die Herstellung von Halbleiterbauelementen üblicherweise bei viel höheren Tempe raturen stattfindet als die Bauelemente gelagert und verwen det werden. Wenn sich die fertiggestellten Bauelemente auf Zimmertemperatur abkühlen, tritt eine beträchtliche thermi sche Kontraktion auf.

HERKÖMMLICHE LED-STRUKTUREN-PUFFERSCHICHTEN

Nitridbasierte LEDs umfassen typischerweise (i) ein Sub strat, (ii) eine Kernbildungs- oder Pufferstruktur, und (iii) eine aktive Struktur. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Pufferstruktur. Dementsprechend um fassen die Zeichnungen, die Bauelementestrukturen zeigen, sowohl ein Gesamtdiagramm, das die Pufferstruktur als ein zige Schicht zeigt, als auch einen "Vergrößerer", der auf die einschichtige Pufferstruktur zentriert ist und eine vergrößerte detaillierte Ansicht der Struktur liefert, die die Pufferstruktur bildet.

Die Zeichnungen zum Stand der Technik und zur Erfindung ge ben repräsentative Schichtdicken in Angström-Einheiten (Å). Diese Werte oder andere, die sich selbst für Fachleute an bieten, können verwendet werden.

Ferner werden in der folgenden Erörterung die Schichten der art beschrieben, daß sie aufeinander "angeordnet" sind. Der Ausdruck "angeordnet" soll nicht irgendeine strukturelle Begrenzung außer der bedeuten, daß die eine Schicht auf der anderen Schicht hergestellt oder positioniert ist. Der Aus druck umfaßt Strukturen, die durch jede Herstellungstechnik erzeugt werden, die Fachleuten basierend auf der vorliegen den Beschreibung bekannt oder als geeignet erscheinen. Die einzige explizite oder implizite Begrenzung in Verbindung mit dieser Beschreibung bezieht sich auf die relativ niedri gen und hohe Temperaturen zur Pufferschichtherstellung und für die Epitaxie der aktiven Schicht, usw., wie es beschrie ben ist.

Da die Erfindung auf die LED-Technologie angewendet werden kann, wird eine etwas detailliertere Darstellung einer akti ven LED-Struktur als anschauliches Beispiel gegeben. Die aktive Struktur der LED umfaßt eine aktive Schicht zwischen einer n-Typ- und einer p-Typ-Schicht und Kontakte. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese Elemente für die Erfin dung nicht wesentlich sind, sondern lediglich anschauliche Beispiele.

Fig. 2 EIN HERKÖMMLICHES BAUELEMENT

Ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Halbleiter bauelements, das insbesondere eine allgemeine Nitrid-LED ist, ist in Fig. 2 gezeigt. Das Substrat ist als 2 gezeigt, und die Kernbildungs- oder Pufferstruktur ist als 4 gezeigt. Das Substrat 2 kann Saphir (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC), usw. sein. Die aktive Struktur ist allgemein als 6 gezeigt.

Die Schaltungselemente, Verbindungen, usw. werden innerhalb der aktiven Struktur 6 hergestellt. Die spezifischen Eigen schaften der aktiven Struktur sind für die Erfindung nicht wesentlich, weshalb aktive Strukturen nicht detailliert er örtert werden, mit Ausnahme des hiesigen Beispiels.

Die aktive Struktur 6 einer typischen LED, die in diesem Fall gezeigt ist, umfaßt eine aktive Region 8 zwischen einer p-Typ-Schicht 10 und einer n-Typ-Schicht 12. Die Schichten 10 und 12 umfassen die Schaltungselemente, Verbindungen, usw. und Trägerkontakte 14 und 16. Der Ausdruck "aktive Re gion" wird üblicherweise auf dem Gebiet der LEDs verwendet. Hier wird der Ausdruck "aktive Struktur" verwendet, um die Schichten 8, 10 und 12 und die Kontakte 14 und 16 sowie andere Schaltungselemente und Strukturen anzusprechen, die in anderen Bauelementen vorhanden sind, die eine Pufferung verwenden, seien sie herkömmlich oder gemäß der hierin zu beschreibenden Erfindung ausgeführt.

Ein effektives Verfahren, das üblicherweise verwendet wird, um das Sprungbilden, die Morphologie und die Hintergrundträ gerleitfähigkeit zu steuern, besteht in der Einfügung der Pufferstruktur 4. Die Pufferstruktur 4 enthält eine Schicht, die als "Pufferschicht" oder als "Kernbildungsschicht" bezeichnet wird. Diese Ausdrücke werden als Synonyme ge braucht.

Bei einem Bauelement, das auf einem Saphir-Substrat herge stellt ist, wird die Pufferschicht typischerweise bei 400 bis 900°C aufgebracht. Wenn das Substrat Siliziumcarbid (SiC) ist, dann könnte die Pufferschichtaufbringung bei noch höheren Temperaturen (beispielsweise über 900°C) stattfin den. Diese Temperaturen sind jedoch im allgemeinen niedriger als Temperaturen, die für andere Typen von Aufbringungs schritten, wie z. B. die Epitaxie, verwendet werden, sie müssen jedoch nicht unbedingt die Aufbringung bei Temperatu ren über denen ausschließen, die bei anderen Aufbringungs schritten verwendet werden.

Kernbildungsschichten oder Pufferschichten werden vor dem Wachstum von zusätzlichen Schichten, wie z. B. der aktiven Struktur 6, aufgebracht. Die Schichten, die die aktive Struktur 6 bilden, werden oft bei viel höheren Temperaturen als denen, die für die Pufferschichten verwendet werden, aufgebracht. Die Qualität dieser zusätzlichen Schichten, wie z. B. epitaxiale Nitridfilme, wird dramatisch verbessert, wenn Pufferschichten unter den zusätzlichen Schichten herge stellt sind.

Üblicherweise umfassen Pufferschichten eine der Binärverbin dungen AlN und GaN oder bestimmte AlGaN-Zusammensetzungen zwischen diesen zwei Binärpunkten. Genauer gesagt wird die Zwischenzusammensetzung als Al_xGa_1-xN bezeichnet, wobei x ein Wert zwischen 0 und 1 ist.

Das Einfügen einer solchen Niedertemperaturschicht liefert die Einrichtung, durch die drastische Differenzen in (i) dem Gitterparameter, (ii) der thermischen Ausdehnung, (iii) der Oberflächenenergie und (iv) der Kristallographie zwischen dem Saphirsubstrat und der Nitrid-Epischicht überwunden wer den. Solche herkömmlichen Pufferschichten haben jedoch Be grenzungen, was nun erörtert wird.

DOTIERUNGS- UND ZUSAMMENSETZUNGSMODULATIONEN

Bei typischen nitridbasierten Bauelementen sind die Film schichten stark dotiert. Dotierungskonzentrationen über schreiten oft 10¹⁸-10¹⁹ cm^-3 bei typischen optoelektroni schen Bauelementen.

Typische nitridbasierte Bauelemente zeigen ferner mehrere Zusammensetzungs-Heterogrenzschichten. Nahezu alle elektro nischen und optoelektronischen Bauelemente bestehen aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, die aufeinander angeordnet sind. Eine Heterogrenzfläche ist eine Grenzfläche zwischen zwei solchen Schichten mit unterschiedlicher Zusam mensetzung. Beispielsweise werden Schichten aus GaN, AlGaN und InGaN verschiedener Zusammensetzungen, Leitfähigkeits typen und Dicken in direkten Grenzflächen zueinander aufge bracht, um optoelektronische Bauelemente, wie z. B. LEDs, zu erzeugen.

Die Dotierung und die Heterogrenzflächen beeinflussen beide die Gitterparameter. Daten für die a- und die c-Achsen-Git terparameter und für thermische Ausdehnungskoeffizienten für die Nitride und die üblichen Substrate (SiC und Saphir) sind in Tabelle I (Fig. 3) gegeben.

Die Sprungbildung stellt ein wesentliches Problem dar, wenn GaN-Schichten mit Silizium n-Typ-dotiert werden. Silizium atome nehmen die Plätze von Ga-Atomen in dem Kristallgitter ein. Silizium hat einen Ionenradius, der um mehr als 30% kleiner als der von Gallium ist. Als Folge sind die Sili ziumatome "zu klein" für die Räume, die sie in dem Gitter einnehmen, wobei der zusätzliche Raum um die Siliziumatome herum das Gitter schwächt, indem Spannungs- und Belastungs felder in dem Kristall erzeugt werden.

Das Sprungbilden stellt ferner ein Problem dar, wenn Schich ten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufeinander auf gebracht werden. Das Sprungbilden ist besonders unerwünscht, wenn die Schicht, die auf eine andere gewachsen wird, einen kleineren a-Achsen-Gitterparameter als die Schicht hat, auf die sie gewachsen wird, aufgrund der sehr starren Elastizi tätskonstanten, die die III-V-Nitride zeigen.

Zusätzlich zeigen Heterostrukturen, die aus Nitrid-Schichten bestehen, üblicherweise eine Ausrichtung entlang der a-Ach se, der Achse, die parallel zu der Substrat-Film-Grenzfläche ist. Wenn somit eine Schicht einen kleineren verwandten a- Achsen-Parameter als die Schicht hat, auf die sie aufgewach sen ist, wird eine Zugspannung in dieser Schicht eingeführt, um die Grenzfläche in Ausrichtung zu halten.

SCHLUSSFOLGERUNG

Während die Probleme, die der Gitterfehlanpassung und der thermischen Fehlanpassung zugeordnet sind, unter Verwendung existierender Kernbildungsschichttechnologien und durch Steuern der Erwärmungs- und Abbildungsbedingungen, die einem Wachstum zugeordnet sind, adäquat angegangen werden können, können Sprungbildungsprobleme aufgrund Dotierungs- und Zu sammensetzungs-Schwankungen nicht durch solche Verfahren ge löst werden.

Daher bleibt ein Bedarf nach einem Halbleiterbauelement und nach einem Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauele ments, die das Problem der Sprungbildung aufgrund von Dotie rungs- und Zusammensetzungs-Schwankungen überwinden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein höher qualitativeres Halbleiterbauelement zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß An spruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie ein III-V-Nitrid-Halbleiterbauelement schafft, das zu sammengesetzt ist, um hochqualitative Schichten und Bauele mente zu erreichen. Ferner überwindet dieses Bauelement das Problem des Sprungbildens aufgrund von Dotierungs- und Zu sammensetzungs-Schwankungen in diesen Schichten und Bauele menten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie ein Halbleiterbauelement schafft, das zusam mengesetzt ist, um sämtliche oben erörterte Sprungbildungs probleme zu überwinden.

Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement umfaßt allgemein ein Substrat, eine aktive Struktur und eine Pufferstruktur zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht.

Die Pufferstruktur umfaßt eine oder mehrere Schichten. Ins besondere besteht in einer Mehrschichtstruktur zumindest eine dieser Schichten und vorzugsweise die eine, die direkt auf dem Substrat aufgebracht ist, aus einer III-V-Nitridver bindung, bei der der Spalte-III-Gehalt vollständig oder teilweise aus Indium besteht. Gemäß der vorliegenden Erfin dung dient diese Indium-enthaltende Schicht als Puffer schicht.

Es wurde herausgefunden, daß eine III-V-Nitridpufferschicht, die Indium enthält, eine vorteilhafte Reduktion der Sprung bildung liefert, da die Belastung, die in der aktiven Struk tur vorhanden ist, moduliert wird.

Die Erfindung ist zur Verwendung bei der AlInGaN-Epitaxie vorteilhaft. Durch Kernbilden von Nitridfilmen auf diesen Pufferschichten resultieren Reduktionen bezüglich der Span nung und der Sprungbildung aufgrund einer Relaxation durch die InN-enthaltenden Schichten, wodurch eine größere Flexi bilität bei der Zusammensetzungs- und der Dotierungs-Modula tion ermöglicht wird.

Da die elektrischen und optischen Eigenschaften der Nitride von den vorhandenen Belastungs- und Spannungszuständen ab hängen, können diese Eigenschaften durch Steuern der Zusam mensetzung und Schichtdicke der Kernbildungsschicht zuge schnitten werden.

Das Spalte-III-Material kann gänzlich Indium sein, um die Pufferschichtverbindung InN herzustellen. Allgemeiner gesagt kann die Pufferschicht irgendein geeignetes Aluminium-Gal lium-Indium-Nitrid-Zwischenelement sein. Ein solches Zwi schenelement ist allgemein als Al_xIn_yGa_1-x-yN gegeben, wobei gilt: 0 ≦ x ≦ 1 und 0 < y ≦ 1.

Spezifische Quantitäten der verschiedenen Spalte-III-Elemen te werden nachfolgend in Verbindung mit der Erörterung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben. Experimente haben gezeigt, daß diese speziellen Verhältnisse Pufferstrukturen erzeugen, die sich günstig verhalten. Die Erfindung soll jedoch im allgemeinen Sinn andere Zusammen setzungen und Dicken ebenfalls umfassen.

Da ferner hochqualitative InGaN-Schichten bei Temperaturen aufgewachsen werden können, die viel niedriger als die sind, die für GaN, AlN und AlGaN verwendet werden (weniger als 800°C im Gegensatz zu größer als 1.000°C), zeigen Puffer schichten, die InN und InGaN enthalten, eine vorteilhaft hohe strukturelle Qualität, die bei bekannten Herstellungs technologien nicht erreicht worden ist.

Ferner umfaßt die Pufferstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abdeckungsschicht an der Oberseite. Die Ab deckungsschicht kann GaN, AlN oder ein geeignetes AlInGaN- Zwischenelement sein. Im allgemeinen kann eine III-V-Nitrid pufferschicht, die einen gegebenen Anteil an Indium enthält, durch eine III-V-Nitridabdeckungsschicht abgedeckt werden, die einen geringeren Anteil an Indium enthält, wobei die An teile für die Temperatur des nachfolgenden Epitaxieschritts geeignet ausgewählt sind.

Die Abdeckungsschicht liefert den zusätzlichen Vorteil, daß in dem Herstellungsverfahren, bei dem ein Hochtemperaturauf bringungsschritt für die aktive Struktur der Aufbringung der Pufferstruktur folgt, die Abdeckung den Rest der Puffer struktur an Ort und Stelle hält und vor schädlichen Auswir kungen schützt, die durch die hohe Temperatur eingeführt werden.

Es wird ferner davon ausgegangen, daß die folgenden Änderun gen des Belastungszustands, der durch Verwendung von Mehr stufen-Kernbildungsschichten erzeugt wird, ebenfalls eine nützliche Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften so wie auf das Verhalten eines LED-Bauelements gemäß der Erfin dung haben werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kristallgitters und von Achsen, die dem Gitter zu geordnet sind;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm, das die Herstellung einer herkömmlichen Nitrid-LED zeigt;

Fig. 3 eine Tabelle, die auch mit "TABELLE I" bezeichnet ist, die Parameterwerte für Nitrid- und Substrat-Materialien liefert;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das die Herstellung einer Nitrid-LED gemäß einem ersten grundsätzli chen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 5 und 6 schematische Diagramme, die die Herstellung von Nitrid-LEDs gemäß einer ersten Klasse von Ausfüh rungsbeispielen der Erfindung zeigt, wobei die Ausführungsbeispiele mehrere Pufferschichten ha ben;

Fig. 7 bis 10 schematische Diagramme, die die Herstellung von Nitrid-LEDs gemäß einer zweiten Klasse von Aus führungsbeispielen der Erfindung zeigen, wobei die Ausführungsbeispiele eine Abdeckungsschicht haben;

Fig. 11 einen Graphen, der "SIMS-Tiefenprofil" genannt wird und Charakteristika des Bauelements von Fig. 9 zeigt;

Fig. 12 eine Tabelle, die auch als "TABELLE II" bezeichnet ist und Messungen des Bauelements von Fig. 9 wie dergibt;

Fig. 13 bis 15 schematische Diagramme, die die Herstellung von Nitrid-LEDs gemäß einer dritten Klasse von Ausfüh rungsbeispielen der Erfindung zeigen, wobei die Ausführungsbeispiele sich wiederholende (oder nahezu wiederholende) Unterstrukturen innerhalb der Pufferstruktur haben;

Fig. 16 eine Tabelle, die auch mit "TABELLE III" be zeichnet wird, die Verhaltensdaten von mehreren Bauelementen gemäß der Erfindung wiedergibt; und

Fig. 17 eine Tabelle, die auch mit "TABELLE IV" bezeichnet ist, die weitere Verhaltensdaten wiedergibt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht eine Niedertempera tur-Kernbildungsschicht aus mehreren getrennten Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Insbesondere ist in einer Mehrschichtstruktur zumindest eine dieser Schichten, vorzugsweise die eine, die direkt auf dem Substrat angeord net ist, aus einem Indium-enthaltenden Nitrid beschaffen, um als Pufferschicht zur Verwendung bei der AlInGaN-Epitaxie zu dienen.

Im allgemeinen kann die Erfindung auf zwei Arten und Weisen ausgeführt werden. Dieselben haben eine Nitridverbindungs pufferschicht, die Indium enthält, und die direkt auf dem Substrat aufgebracht ist, gemeinsam. Dagegen haben herkömm liche Pufferschichtverbindungen nur Aluminium oder Gallium aus Spalte III. Die zwei Arten und Weisen der Ausführung der Erfindung unterscheiden sich darin, daß die Pufferschicht einerseits InN (enthält nur Indium von Spalte III) ist, und andererseits eine Verbindung ist, die Indium zusammen mit einem anderen Spalte-III-Element, vorzugsweise Gallium, ent hält. Diese Verbindung kann beispielsweise als Ga_xIn_1-xN formuliert werden, wobei gilt: 0 < x < 1.

InN schmilzt bei etwa 1.100°C in der Nähe der Temperatur, die für die GaN-Epitaxie verwendet wird. Da jedoch Indium- und Stickstoff-Atome relativ schwach miteinander gebunden sind, kann sich ein InN-Gitter bei dieser Temperatur oder einer etwas darunterliegenden Temperatur auflösen. Es sei beispielsweise ein Fall betrachtet, bei dem nach der Auf bringung einer InN-Pufferschicht ein darauffolgender Schritt einer GaN-Epitaxie für die Bildung einer Schicht einer akti ven Struktur stattfindet. Aufgrund der relativ hohen Tempe ratur des GaN-Epitaxieschritts schmilzt die darunterliegende InN-Schicht oder "relaxiert". Diese Relaxation der darunter liegenden InN-Pufferschicht verringert die Tendenz zum Sprungbilden, da ein Grad an Nachgiebigkeit zwischen dem Substrat und dem Film geschaffen wird.

Aufgrund der relativ niedrigen Schmelzpunkte von InN und den anderen Indiumverbindungen, die gemäß der Erfindung verwen det werden, hat es sich als wünschenswert herausgestellt, eine Abdeckungsschicht, vorzugsweise GaN, unmittelbar über der Indium-enthaltenden Pufferschicht zu schaffen. Da die Indium-enthaltende Schicht während des Hochtemperatur-Epita xieschritts relaxiert, ist die InN-Schicht durch eine Ab deckungsschicht aus einem Material, das in diesem Tempera turbereich fest bleibt, begrenzt. Aus Gründen der Übersicht lichkeit befaßt sich diese Beschreibung mit InGaN/GaN-Puf ferschichten, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß die Struktur, die beschrieben wird, tatsächlich beispielsweise eine InGaN-Pufferschicht unter einer GaN-Abdeckungsschicht ist. Sowohl die Pufferschicht als auch die Abdeckungs schicht sind Teile der Gesamtpufferstruktur zwischen dem Substrat und der aktiven Struktur.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Es existieren viele möglichen Ausführungsbeispiele der Er findung. Viele der Ausführungsbeispiele bieten sich selbst für eine Kategorisierung in Klassen von Ausführungsbeispie len an. Zunächst wird ein Basisausführungsbeispiel der Er findung beschrieben, woraufhin andere Klassen von Ausfüh rungsbeispielen als Variationen oder Verfeinerungen basie rend auf dem Grundausführungsbeispiel beschrieben werden.

DAS ERSTE AUSFÜHRUNGSBEISPIEL EINE EINZIGE PUFFERSCHICHT (Fig. 4)

Fig. 4 stellt die Erfindung in ihrer einfachsten Ausfüh rungsform dar. Dieselbe hat eine einzige Pufferschicht 16, die zu der von Fig. 2 identisch ist, mit der Ausnahme, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Pufferschicht 4 aus einer Indium-enthaltenden Nitridverbindung hergestellt ist.

Im allgemeinen sind die Indium-enthaltenden III-V-Nitride, die gemäß der Erfindung verwendet werden, von folgender Form:

Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei gilt: 0 < y ≦ 1 und 0 ≦ x ≦ 1.

Das heißt, daß die Verbindung Aluminium und/oder Gallium zusätzlich zu dem Indium enthalten kann.

Zusätzlich zu dieser Grundpufferstruktur haben viele Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung Pufferstrukturen, die mehrere Schichten umfassen, wobei bestimmte oder alle der Schichten als Pufferschichten dienen. Mehrere solcher Ausführungsbei spiele werden in Klassen kategorisiert, wobei die Klassen von Ausführungsbeispielen dargestellt und erörtert werden.

ERSTE KLASSE VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN MEHRERE SCHICHTEN

Fig. 5 zeigt eine Pufferstruktur, bei der eine erste Puffer schicht 18 direkt auf dem Substrat angeordnet ist, und eine zweite Pufferschicht 20 auf der ersten Pufferschicht 18 an geordnet ist. Bezüglich der in Fig. 5 gegebenen chemischen Formeln sind beide Schichten Indium-enthaltende Nitridver bindungen, wobei sich jedoch die exakten Verhältnisse der Spalte-III-Elemente bei den beiden Schichten unterscheiden. Die erste Schicht 18 kann InN sein und kein Al oder Ga enthalten. Der Spalte-III-Abschnitt der zweiten Schicht 20 ist jedoch nicht reines Indium, sondern kann entweder reines Al oder reines Ga sein. In jedem Fall enthält die zweite Schicht 20 weniger Indium als die erste Schicht 18.

Fig. 6 zeigt eine Pufferstruktur, die der von Fig. 5 ähnlich ist, mit Ausnahme davon, daß eine dritte Pufferschicht 22 auf der zweiten Pufferschicht 20 aufgebracht ist. Bezüglich der in Fig. 6 gegebenen chemischen Formeln enthält die erste Pufferschicht 18 einen bestimmten Anteil an Indium. Die zweite Pufferschicht 20 enthält weniger Indium als die erste Schicht 18. Die dritte Pufferschicht 22 enthält wieder weni ger Indium.

Die Ausführungsbeispiele der Fig. 5 und 6 kann man sich als eine erste Klasse von Ausführungsbeispielen der Erfindung vorstellen. Ausführungsbeispiele in dieser ersten Klasse haben eine Mehrzahl von Indium-enthaltenden Pufferschichten. Obwohl Beispiele von zwei- und drei-schichtigen Pufferstruk turen gezeigt worden sind, können ferner zusätzliche Puffer schichten verwendet werden.

Diese Klasse von Ausführungsbeispielen hat jedoch gemeinsam, daß alle Schichten derart ausgeführt sind, daß sie durch Relaxierung bei den Temperaturen folgender Herstellungs schritte, wie z. B. eines Epitaxieschritts, als Puffer die nen. Weitere Klassen von Ausführungsbeispielen, die nachfol gend beschrieben sind, haben zusätzliche Typen von Schichten innerhalb ihrer Pufferstrukturen.

ZWEITE KLASSE VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN ABDECKUNGSSCHICHTEN: Fig. 7, 8, 9 UND 10

Die Fig. 7, 8, 9 und 10 stellen eine zweite Klasse von Aus führungsbeispielen der Erfindung dar. Bei diesen Ausfüh rungsbeispielen umfaßt die Pufferstruktur eine Abdeckungs schicht, die über der Pufferschicht oder den Pufferschichten aufgebracht ist.

In den Fig. 7 und 8 sind den Pufferstrukturen ihre allgemei nen chemischen Zusammensetzungen zugeordnet. Die Fig. 9 und 10 entsprechen strukturell den Fig. 7 bzw. 8, mit Ausnahme davon, daß die Fig. 9 und 10 konkrete Beispiele von Bauele menten geben, die hergestellt und verwendet worden sind.

Eine Abdeckungsschicht ist vorzugsweise vorgesehen, wo das Gesamtherstellungsverfahren einen Hochtemperaturschritt, wie z. B. einen Epitaxieschritt, umfaßt, der stattfindet, nach dem die Pufferstruktur hergestellt worden ist. Die bereits aufgebrachte Indium-enthaltende Pufferschicht relaxiert un ter der hohen Temperatur. Die Abdeckungsschicht begrenzt auf vorteilhafte Art und Weise das Indium-enthaltende Material an Ort und Stelle (siehe allgemein Fig. 7 und 8). Dement sprechend sind Abdeckungsschichten aus III-V-Nitridmateria lien hergestellt, die die hohen Temperaturen späterer Her stellungsschritte besser tolerieren. Gallium-Nitrid (Fig. 9 und 10) ist ein bevorzugtes Material für die Abdeckungs schichten, obwohl die Abdeckungsschicht abhängig von der Temperatur des Epitaxieschritts auch Indium oder ein anderes Element der Kategorie III enthalten kann.

Bezugnehmend nun auf Fig. 7 ist ein erstes Ausführungsbei spiel der Abdeckungsschichtklasse gezeigt. Eine Indium-ent haltende Pufferschicht 24 ist durch eine Abdeckungsschicht 26 bedeckt, deren Zusammensetzung bezüglich der allgemeinen III-V-Nitridformel, die oben verwendet wird, gegeben ist. Die Indium-enthaltende Pufferschicht 24 kann irgendeine der chemischen Zusammensetzungen haben, die oben gegeben ist. Im allgemeinen enthält die Abdeckungsschicht 26 eine geringere Menge an Indium, was ausgewählt ist, um die Tendenz zu einer Relaxierung bei der Temperatur späterer Herstellungsschritte zu reduzieren.

Bei dem speziellen Beispiel von Fig. 9 ist jedoch ein rela tiv kleiner Indiumgehalt, nur bis zu etwa 20% Indium, wobei der Rest Gallium ist, in der Pufferschicht 24 vorgesehen. Die gegebene Dicke wurde erfolgreich verwendet, obwohl die genaue gegebene Dicke für die Erfindung nicht wesentlich ist, da auch andere Dicken verwendet werden können. Daten, die sich auf Dicken beziehen, die nachfolgend gegeben sind, behandeln das Verhalten von Strukturen, die auf diese Art und Weise hergestellt worden sind. Die Formulierung ist für ein Bauelement geeignet, dessen aktive Struktur bei ausrei chend hohen Temperaturen hergestellt werden soll, daß die Pufferschicht 24 selbst mit einer relativ bescheidenen Menge an Indium immer noch relaxiert.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Abdeckungsschicht-Ausführungsbei spiel, bei dem zwei Pufferschichten 28 und 30 unter einer Abdeckungsschicht 32 angeordnet sind. Wieder sind die Puf ferschichten 28 und 30 und die Abdeckungsschicht 32 bezüg lich allgemeiner Formeln für ihre chemische Zusammensetzung gegeben. Die erste Pufferschicht 28 (direkt auf dem Sub strat) hat für eine gute Relaxation sehr viel Indium. Die zweite Pufferschicht 30 enthält eine Mischung aus Spalte- III-Elementen, die weniger reich an Indium ist.

Wieder zeigt Fig. 10 eine spezifischere Struktur. Eine reine InN-Schicht 28 ist für eine maximale Relaxation und für eine maximale Spannungsentlastung vorgesehen. Eine Zwischen schicht 30 mit weniger Indium ist für eine bessere Stabili tät bei der hohen Temperatur vorgesehen. Schließlich ist eine GaN-Abdeckungsschicht 32 zum Begrenzen der unteren zwei Schichten 28 und 30 bei den hohen Temperaturen vorgesehen. Eine Abdeckungsschicht aus GaN toleriert solche Hochtempera turherstellungsschritte gut. Bei dem speziellen gezeigten Ausführungsbeispiel ist die mittlere Schicht 30 aus Indium- Gallium-Nitrid. Dabei ist der Indium-Gehalt wieder höchstens 20% hoch, um einen guten Ausgleich zwischen Relaxation und struktureller Stabilität bei einer hohen Temperatur zur Her stellung der aktiven Struktur zu schaffen.

Fig. 11 präsentiert experimentelle Daten bezüglich des Aus führungsbeispiels von Fig. 9 in der Form eines "SIMS-Tiefen profils". Die Abkürzung SIMS steht für Sekundär-Ionen-Mas senspektrometrie. Ein SIMS-Diagramm zeigt einen Sekundär ionenzählwert als Funktion der Tiefe unter der Oberfläche des Bauelements.

Das SIMS-Tiefenprofil ist ein Graph, der die N- und In-Spu ren aus einem SIMS-Profil auf einer einzigen n-Typ- (Si-do tiert) GaN-Schicht zeigt, die auf der Kernbildungsschicht aufgewachsen ist, die in Fig. 9 gezeigt ist. Eine InGaN-Puf ferschicht bildet eine Grenzfläche mit einem Saphirsubstrat bei einer Tiefe von etwa 0,8 µm.

Ionenzählwerte sind für zwei Elemente, Stickstoff und In dium, gegeben. Die Stickstoffkurve ist über dem größten Teil des Graphen konstant. Dies ist intuitiv vernünftig, da der größte Teil Nitridschichten entspricht. Der Film enthält etwa 50% Stickstoff, und das Substrat enthält im wesentli chen keinen Stickstoff. Daher ist die Tiefe, wo der Stick stoffzählwert abrupt abfällt, d. h. bei etwa 0,8 µm, die Substrat-Film-Grenzfläche.

Die Graphen sind logarithmisch aufgetragen, so daß die Spit zen in der Indiumkurve von einer Tiefe von 0,0 µm bis zu etwa 0,7 µm lediglich Rauschen sind und etwa ein Tausendstel der Größe der Indiumspitze bei etwa 0,8 µm groß sind. Die bemerkenswerte Indiumspitze bei 0,8 µm entspricht der Puf ferschicht, wobei angezeigt wird, daß Indium in der Struktur enthalten und gehalten wird.

Da Indium zum Filmwachstum in der Umgebung nur während des Wachstums des InGaN-Abschnitts der InGaN/GaN-Pufferstruktur vorgesehen wurde, zeigt das Indiumsignal die Position und Anwesenheit des InGaN-Abschnitts der mehrschichtigen Puffer schicht. Eine zusätzliche Bestätigung, daß das Indium an der Film-Substrat-Grenzfläche vorhanden ist, wird durch die Tat sache geliefert, daß das Indiumsignal seine Spitze bei der selben Tiefe hat, wo das Stickstoffsignal abnimmt.

Die Indiumspitze bei der Substrat-Film-Grenzfläche zeigt ebenfalls, daß die Abdeckungsschicht (GaN in diesem Fall) die InGaN-Pufferschicht an Ort und Stelle hält.

Fig. 12 ist eine Tabelle (mit "TABELLE II" bezeichnet) von Van-der-Pauw-Hall-Messungen, d. h. Messungen von Leitfähig keitscharakteristika von Bauelementeschichten, die für den Betrieb von Halbleiterbauelementen relevant sind. Die Bau elemente, für die diese Ergebnisse erhalten wurden, haben jeweils aktive Schichten GaN:Si (Schichten aus GaN mit Sili zium dotiert) mit ähnlicher Dicke und ähnlichem Dotierungs pegel über Kernbildungsschichten. Zwei Sätze von Werten sind gegeben, einer für eine herkömmliche GaN-Kernbildungs schicht, wie die von Fig. 2, und eine für ein Bauelement ge mäß der Erfindung, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, das InGaN/ GaN-Schichten hat.

Ein bemerkenswerter Unterschied ist der bezüglich der Elek tronenmobilität, die vorzugsweise so hoch als möglich ist, um die höchste Leitfähigkeit und den niedrigsten Eingangs treiberstrom in den Schichten zu realisieren. Dieselbe ist etwa 5% höher für das InGaN/GaN-Bauelement von Fig. 9 gemäß der Erfindung als für ein herkömmliches Muster, das auf einer GaN-Pufferschicht (Fig. 2) aufgewachsen wurde.

Der Gesamtwiderstand, der vorzugsweise so klein als möglich ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kleiner als bei dem herkömmlichen Bauelement. Dieser vorteilhafte Unter schied ist offensichtlich aufgrund entweder einer nützlichen Änderung des Belastungszustands oder aufgrund einer Reduk tion der Versetzungs- und/oder Punktdefektdichten der GaN:Si-Überschicht vorhanden. Derselbe ist ein Ergebnis der Verwendung von InGaN/GaN-Zusammensetzungs-Kernbildungs schichten gemäß der vorliegenden Erfindung.

DRITTE KLASSE VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN PUFFERSTRUKTUREN Fig. 13, 14 UND 15

Eine dritte Klasse von Ausführungsbeispielen ist allgemein dadurch charakterisiert, daß sie eine Sequenz von Puffer unterstrukturen hat. Jede Unterstruktur ist entweder iden tisch oder analog zu den anderen. Die Pufferstrukturen bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen können als Beispiele von Unterstrukturen verwendet werden, die bei der vorliegenden Klasse von Ausführungsbeispielen wiederholt werden.

Fig. 13 zeigt eine Pufferstruktur, die zwei Unterstrukturen 34 und 36 umfaßt, wobei jede Unterstruktur eine Indium-Ni trid-Pufferschicht (38 und 40) und eine Gallium-Nitrid-Ab deckungsschicht (42 und 44) aufweist. Das heißt, daß, wenn die Abdeckungsschicht-Pufferstruktur von Fig. 9 zweimal wie derholt wird, das Ergebnis die Struktur von Fig. 13 ist.

Bei dieser Klasse von Ausführungsbeispielen ist die Erfin dung bezüglich der Pufferunterstrukturen beschrieben und beansprucht. In Fig. 13 beispielsweise sind die Pufferunter strukturen 34 und 36 als die Zwei-Schicht-Unterstrukturen gezeigt.

Ferner werden Schichten innerhalb einer Unterstruktur als Unterstrukturschichten beschrieben und beansprucht. Wieder bezugnehmend auf Fig. 13 werden die zwei Indium-Nitrid-Puf ferschichten 38 und 40 als Unterstrukturpufferschichten be zeichnet. Ferner werden die zwei Gallium-Nitrid-Abdeckungs schichten 42 und 44 als Unterstruktur-Abdeckungsschichten bezeichnet.

Bezugnehmend auf Fig. 14 ist eine Pufferstruktur gezeigt, die drei Unterstrukturen 46, 48 und 50 aufweist. Jede der drei Unterstrukturen ist eine Abdeckungsschichtunterstruktur des Typs von Fig. 9 und enthält eine Indium-Gallium-Nitrid- Pufferschicht (52, 54 und 56) und eine Gallium-Nitrid-Ab deckungsschicht (58, 60 und 62). Die Pufferschichten sind als identische Schichten gezeigt (d. h. identisch bezüglich der Dicke und der Zusammensetzung für einen konsistenten Wert von x für alle Schichten), obwohl die Zusammensetzung von einer Pufferschicht zu einer anderen variieren kann.

Schließlich zeigt Fig. 15 eine Pufferstruktur mit einer un bestimmten Anzahl von Unterstrukturen. Eine untere Unter struktur 64 und eine obere Unterstruktur 66 sind gezeigt. Ein Zwischenraum 68 zwischen der oberen und der unteren Unterstruktur 64 und 66 stellt jede beliebige erwünschte An zahl von zusätzlichen Unterstrukturen dar.

Jede der Unterstrukturen von Fig. 15 umfaßt zwei Unterstruk turpufferschichten. Die chemische Zusammensetzung der Unter strukturpufferschichten ist bezüglich der allgemeinen Indi um-enthaltenden III-V-Nitridformel gegeben, wie es oben er örtert wurde.

Die untere Unterstrukturschicht (70 und 72) jeder Unter struktur (einschließlich der unteren Schicht der ersten Unterstruktur, die direkt neben dem Substrat angeordnet ist) enthält eine erste (relativ hohe) Menge an Indium, wobei die Menge auf den Wert des Indexparameters y₁ bezogen ist. Die Menge kann bis zu 100% der Spalte-III-Zusammensetzung des Materials sein, d. h. das Material kann Indium-Nitrid sein. Die zweite Unterstrukturschicht (74 und 76) jeder Unter struktur enthält eine geringere Menge an Indium.

Obwohl die gleichen Formeln und die gleichen Parameter x₁ und y₁ für die untere Schicht jeder Unterstruktur verwendet werden, können diese Formeln jedoch von einer Unterstruktur zu einer anderen variieren. Dasselbe trifft für die oberen Schichten der Unterstrukturen zu.

WEITERE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Aus der Erörterung dieser Ausführungsbeispiele der Erfindung ist zu sehen, daß eine Vielzahl weiterer Konfigurationen möglich ist. Beispielsweise können mehrere Drei-Schicht- Unterstrukturen, von denen jede gemäß der Drei-Schicht-Puf fer-Struktur von Fig. 8 ausgeführt ist, verwendet werden. Ferner kann eine Unterstruktur verwendet werden, die der von Fig. 8 ähnlich ist, mit Ausnahme davon, daß die chemische Zusammensetzung der Unterstrukturpufferschichten der ver schiedenen Unterstrukturen bezüglich der chemischen Zusam mensetzung variieren kann, und daß die Dicken ebenfalls va riieren können.

Im allgemeinen kann eine Schicht mit einer gegebenen chemi schen Zusammensetzung entweder als Pufferschicht oder als Abdeckungsschicht dienen, teilweise abhängig von ihrer che mischen Zusammensetzung. Eine Schicht dient als eine Ab deckungsschicht, wenn ihr Material im wesentlichen fest und starr bei den hohen Temperaturen späterer Herstellungs schritte bleibt. Dies setzt natürlich voraus, daß unter die ser Schicht eine Schicht aus einem Material ist, das bei diesen hohen Temperaturen relaxiert oder schmilzt. Ferner sei darauf hingewiesen, daß je größer die Tendenz einer ge gebenen Struktur zur Relaxierung ist, desto besser dieselbe als Pufferschicht dient. Schließlich dürfte der Punkt, wie hoch diese Temperatur wird, bestimmen, ob eine Schicht mit einer gegebenen Zusammensetzung als Pufferschicht oder als Abdeckungsschicht dient.

In den meisten Fällen wird das Pufferschichtwachstum bei einer Temperatur eingeleitet, die viel niedriger als die ist, die für Nitridfilme verwendet wird, indem die Puffer schicht direkt auf das Saphirsubstrat aufgewachsen wird. Typischerweise wird eine Pufferschicht, die auf Saphir auf gebracht wird, bei 400 bis 900°C aufgebracht, während der Rest der Struktur bei 700 bis 1.200°C aufgebracht wird. Fer ner wird die zusammengesetzte Kernbildungsschicht abgedeckt, um dieselbe während einer rampenförmigen Anhebung auf höhere Temperaturen für den Rest des Wachstumsverfahrens zu schüt zen. Die gesamte Kernbildungsschichtdicke kann irgendeinen Wert annehmen, den Fachleute als geeignet ansehen würden. Die bevorzugte verwendete Dicke betrug jedoch etwa 250 bis 200 Å.

ALLGEMEINE BEMERKUNGEN BEZÜGLICH DER HERSTELLUNGSTECHNIKEN

Pufferschichten und Abdeckungsschichten werden bei Tempera turen von 200 bis 1.000°C und vorzugsweise in dem Bereich von 400 bis 600°C aufgewachsen. Die unterschiedlichen Schichten müssen nicht notwendigerweise bei derselben Tem peratur aufgewachsen werden. Ferner können andere Bedingun gen variiert werden. Beispielsweise können die Umgebungs bedingungen, wie z. B. der Druck der Wachstumsatmosphäre, verändert werden.

Umgebungswachstumsatmosphären enthalten im allgemeinen ein Umgebungsgas, das nicht reaktiv ist oder aufandere Art und Weise nicht direkt bei dem Schichtbildungsverfahren teil nimmt. Solche Gase umfassen Ar, He, H₂, N₂, eine Mischung aus H₂ und N₂, usw. Solche Umgebungsgase und andere können in verschiedenen Verhältnissen, Kombinationen, usw. verwen det werden, wie es für Fachleute bekannt ist.

Schließlich können dort, wo die Spalte-III- (und Spalte-V-) Elemente, die aufzubringen sind, in der Umgebungsatmosphäre vorgesehen werden, ihre Verhältnisse und Mengen ebenfalls variiert werden, einschließlich des Verhältnisses von Spal te-V zu Spalte-III.

EXPERIMENTELLE DATEN

LED-Bauelemente wurden ebenfalls auf spezifischen Beispielen mehrerer Pufferstrukturen, die oben gezeigt und erörtert wurden, aufgewachsen. LED-Verhaltensdaten von jeder der Strukturen sind in TABELLE III (Fig. 16) gegeben.

Lichtausgangswerte werden als prozentuale Gewinne bezüglich eines Standardlauf s unter Verwendung eines bekannten opto elektronischen Bauelements, wie z. B. dem von Fig. 2, gege ben. Standardisierte Läufe, die in demselben Zeitrahmen auf gewachsen werden, haben einen externen Quantenwirkungsgrad von 5 bis 7% und emittieren Licht in dem Wellenlängenbereich von 485 bis 505 Nanometer (nm). Da es wünschenswert ist, LED-Bauelemente herzustellen, die die höchste mögliche Lichtausgabe liefern, sind die Vorteile des Verwendens der hierin beschriebenen Erfindung evident.

Es sei angemerkt, daß die verschiedenen Ausführungsbeispiele Lichtwellenlängen erzeugen, die über etwa 15 nm variieren (im Vergleich zu einer Wellenlängendifferenz in der Größen ordnung von 50 nm zwischen benachbarten Farben in dem sicht baren Spektrum). Fachleute auf dem Gebiet von LEDs kennen die Herstellungstechniken, die in Verbindung mit der Erfin dung verwendet werden können, um die Lichtwellenlängen auf präzise erwünschte Werte einzustellen.

Frühere Forschungen haben gezeigt, daß die Menge an Bela stung, die in der Bauelementstruktur vorhanden ist, die Zu sammensetzung der aktiven oder lichtemittierenden Region der Struktur verändern kann. Da die Zusammensetzung der aktiven Schicht die Emissionswellenlänge bestimmt, zeigen die hier beobachteten Wellenlängenverschiebungen eine Änderung des Belastungszutands der Struktur an.

In allen Fällen sind die Bauelementlichtausgabe und der Wir kungsgrad der Bauelemente mit denen herkömmlicher LED-Bau elemente, die auf GaN-Kernbildungsschichten während der gleichen Zeitdauer aufgewachsen worden sind, vergleichbar oder sogar größer. In dem in Fig. 9 gezeigten spezifischen Fall ist ferner zu sehen, daß ein Modulieren des InN-Mol- Bruchteils in dem InGaN-Anteil der Kernbildungsschicht fer ner das Bauelementverhalten beeinflußt.

In Tabelle IV (Fig. 17) gezeigte Daten zeigen, daß die Lichtausgabe für LED-Bauelemente gemäß der Erfindung relativ zu der des bekannten Bauelements (0,00 InN-Mol-Anteil) er höht wird. Ferner wird die Wellenlänge des erzeugten Lichts durch Zusammensetzungsvariationen in dem 100-Å-InGaN-Ab schnitt der Pufferschicht (Fig. 9) beeinflußt. Die mit "0,00" überschriebene Spalte stellt das Verhalten des be kannten Bauelements von Fig. 2 dar. Ebenso wie bei den in Fig. 16 gegebenen Daten zeigen die Daten in Fig. 17 eben falls die Verhaltensverbesserungen und Änderungen des Bela stungszustands, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhal ten werden.

Ähnliche Verschiebungen der Lichtausgabe und der Lichtwel lenlänge sind zu beobachten, wenn die Dicke dieser InGaN- Schicht verändert wird. Wie im früheren Fall, bei dem die elektrischen Transporteigenschaften gemessen wurden, können diese Ergebnisse direkt auf entweder Belastungszustands- oder mikrostrukturelle Verbesserungen korreliert werden, die durch Verwenden der erfindungsgemäßen Kernbildungsschicht erreicht werden.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (2);
einer Pufferstruktur (4), die auf dem Substrat (2) an geordnet ist, wobei die Pufferstruktur eine erste Puf ferschicht (16), die direkt auf dem Substrat (2) auf gebracht ist, aufweist, wobei die erste Pufferschicht (16) aus einer ersten Indium-enthaltenden Nitridver bindung hergestellt ist; und
einer aktiven Struktur (6), die auf der Pufferstruktur (4) aufgebracht ist.

2. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die er ste Pufferschicht (16) aus einer ersten Indium-enthal tenden Nitridverbindung hergestellt ist, die aus dem Satz ausgewählt ist, der besteht aus:
Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei gilt: 0 < y ≦ 1 und 0 ≦ x ≦ 1.

3. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Pufferstruktur ferner eine zweite Pufferschicht (20) umfaßt, die auf der ersten Pufferschicht (18) aufgebracht ist, wobei die zweite Pufferschicht (20) aus einer zweiten Indium-enthaltenden Nitridverbindung hergestellt ist.

4. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Pufferstruktur ferner eine Ab deckungsschicht (26) umfaßt, wobei die zweite Schicht (26) aus einer zweiten Indium-enthaltenden Nitridver bindung hergestellt ist, die über der ersten Puffer schicht (24) aufgebracht ist.

5. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 4, bei dem die Ab deckungsschicht (26) aus Gallium-Nitrid besteht.

6. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Pufferstruktur ferner eine er ste Pufferschicht-Unterstruktur (34) umfaßt.

7. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem
die erste Pufferschicht-Unterstruktur (34) eine Unter struktur-Pufferschicht (38), die aus einer Indium-ent haltenden Nitridverbindung besteht, aufweist; und
die erste Pufferschicht in der Unterstruktur-Puffer schicht der ersten Pufferschicht-Unterstruktur enthal ten ist.

8. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem die erste Pufferschicht-Unterstruktur (34) folgende Merk male aufweist:
eine Unterstruktur-Pufferschicht (38), die aus einer Indium-enthaltenden Nitridverbindung besteht; und
eine Unterstruktur-Abdeckungsschicht (42), die über der Unterstruktur-Pufferschicht (38) aufgebracht ist.

9. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 8, bei dem die Un terstruktur-Abdeckungsschicht (42) aus Gallium-Nitrid besteht.

10. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 6, bei dem die erste Pufferschicht-Unterstruktur (64) folgen de Merkmale aufweist:
eine erste Unterstruktur-Pufferschicht (70), die aus einer ersten Indium-enthaltenden Nitridverbindung be steht; und
eine zweite Unterstruktur-Pufferschicht (74), die aus einer zweiten Indium-enthaltenden Nitridverbindung be steht, die auf der ersten Unterstruktur-Pufferschicht (70) aufgebracht ist.

11. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die Pufferstruktur ferner eine zweite Puf ferschicht-Unterstruktur (36) umfaßt, die auf der er sten Pufferschicht-Unterstruktur (34) aufgebracht ist.

12. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 11, bei dem die erste und die zweite Pufferschicht-Unterstruktur je weils folgende Merkmale aufweisen:
eine Unterstruktur-Pufferschicht (83, 40), die aus einer Indium-enthaltenden Nitridverbindung besteht; und
eine Unterstruktur-Abdeckungsschicht (42, 44), die über der Indium-enthaltenden Nitridschicht aufgebracht ist.

13. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 11, bei dem die jeweilige Unterstruktur-Abdeckungsschicht (42, 44) in der ersten und der zweiten Pufferschicht-Unterstruktur (34, 36) aus Gallium-Nitrid besteht.

14. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem:
die erste Pufferschicht-Unterstruktur (64) eine Unter struktur-Pufferschicht (70), die aus einer ersten In dium-enthaltenden Nitridverbindung besteht, aufweist; und
die zweite Pufferschicht-Unterstruktur (66) eine Un terstruktur-Pufferschicht (72) aufweist, die aus einer zweiten Indium-enthaltenden Nitridverbindung besteht.

15. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 11, bei dem die erste und die zweite Pufferschicht-Unterstruk tur (64, 66) jeweils folgende Merkmale aufweisen:
eine erste Unterstruktur-Pufferschicht (74, 76), die aus einer ersten Indium-enthaltenden Nitridverbindung besteht; und
eine zweite Unterstruktur-Pufferschicht, die aus einer zweiten Indium-enthaltenden Nitridverbindung besteht, die auf der ersten Unterstruktur-Pufferschicht aufge bracht ist.