DE19938480A1 - Photonische Halbleitervorrichtung - Google Patents

Photonische Halbleitervorrichtung

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Abstract

Eine photonische Halbleitervorrichtung schließt ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat und eine Verbindungs-Halbleiterschicht, angegeben durch In¶x¶Ga¶y¶Al¶z¶N (worin x + y + z = 1,0 x 1, 0 y 1 und 0 z 1), die auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat ausgebildet ist, ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Halbleitervorrichtungen und insbesondere pho­ tonische Halbleitervorrichtungen, die III-V-Verbindungen, wie GaN, InGaN, GaAlN und In- GaAlN, verwenden.
Als Materialien für photonische Halbleitervorrichtungen, wie lichtemittierende Dioden (LEDs) und Laserdioden (LDs), die blaues Licht oder UV-Licht emittieren, oder Photodioden, die blaues Licht oder UV-Licht erkennen, sind III-V-Verbindungs-Halbleiter, angegeben durch die allge­ meine Formel InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1), bekannt. Die Verbindungs-Halbleiter weisen eine hohe Lichtemissionseffizienz auf, da sie vom direkten Übergangs-Typ sind, und Emissionswellenlängen können durch den Gehalt an Indium gesteuert werden, und somit wurden diese Verbindungs-Halbleiter als vielversprechende Materialien für lichtemittierende Vorrichtungen angesehen.
Da es schwierig ist, einen großen Einzelkristall von InxGayAlzN zu bilden, um einen Kristallfilm davon zu bilden, wird ein sogenanntes "Hetero-Epitaxial-Wachstums-Verfahren" angewandt, bei welchem ein Kristallfilm auf einem Substrat aus einem unterschiedlichen Material gezüchtet wird, und allgemein wird dieser auf einem C-Ebenen-Saphir-Substrat gezüchtet. Allerdings sind C-Ebenen-Saphir-Substrate teuer, und ferner treten aufgrund großer Gitterabweichungen zahlrei­ che Kristalldefekte bei Fehlordnungsdichten von 108/cm2 bis 1011/cm2 in gezüchteten Kristallen auf, und somit ist es nicht möglich, Qualitätskristallfilme mit ausgezeichneter Kristallinität zu erhalten, was ein Problem ist.
Demzufolge wurde, um Gitterabweichungen zu vermindern, wenn InxGayAlzN auf einem C- Ebenen-Saphir-Substrat gezüchtet wird, und um Kristalle mit wenigen Defekten zu erhalten, ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine polykristalline oder amorphe AlN-Pufferschicht oder eine Niedrigtemperatur-Wachstums-GaN-Pufferschicht auf einem C-Ebenen-Saphir-Substrat vorgesehen ist. Zum Beispiel besitzt hexagonales GaN eine Gitterkonstante in der a-Achsen- Richtung (im folgenden als "Gitterkonstante a" bezeichnet) von 3,189 Å, und AlN besitzt eine Gitterkonstante a von 3,1113 Å, welche nahe an derjenigen von GaN liegt. Gemäß dem obenste­ henden Verfahren kann ein Kristallfilm mit wenigen Defekten erhalten werden, da die Gitterab­ weichung zwischen dem C-Ebenen-Saphir-Substrat und der Pufferschicht verringert wird und gleichzeitig die Gitterabweichung zwischen der Pufferschicht und InxGayAlzN verringert wird. Allerdings wird bei diesem Verfahren, zusätzlich zu dem teuren Saphir-Substrat, die Struktur komplex, was zu einem weiteren Kostenanstieg führt.
Weiterhin wurde ein SiC-Substrat, welches eine geringe Gitterabweichung aufweist, untersucht. Allerdings sind SiC-Substrate viel teurer im Vergleich zu C-Ebenen-Saphir-Substraten (ungefähr 10 mal teurer als C-Ebenen-Substrate), was von Nachteil ist.
Die vorliegende Erfindung kann die vorgenannten technischen Probleme in Zusammenhang mit herkömmlichen Vorrichtungen lösen und eine photonische Halbleitervorrichtung mit einem Hochqualitäts-InxGayAlzN-Dünnfilm auf einem kostengünstigen Quartzsubstrat bereitstellen.
Die photonische Halbleitervorrichtung umfaßt: ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat und eine Verbindungs-Halbleiterschicht, angegeben durch InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1) und gebildet auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat. Es ist bevorzugt, daß die [100 0]-Richtung, die [10 10]-Richtung und die [11 20]-Richtung der InxGayAlzN-Schicht im wesentlichen der [1000]-Richtung, der [10 10]-Richtung bzw. der [11 20]-Richtung des Quartzsubstrates entsprechen. Darüber hinaus kann die photonische Halbleitervorrichtung ferner einen ZnO-Dünnfilm oder einen AlN-Dünnfilm zwischen der Verbindungs-Halbleiterschicht und dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat beinhalten.
Für den Zweck der Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere For­ men gezeigt, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, wobei es sich aber versteht, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten exakten Anordnungen und Vorrichtungen beschränkt ist.
Die Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung als einer Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2A ist ein Diagramm, welches eine Einheitszelle eines Z-geschnittenen Quartzsubstrats zeigt.
Die Fig. 2B ist ein Diagramm, welches eine Einheitszelle von GaN zeigt.
Die Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Kristallstruktur eines auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat gezüchteten GaN zeigt.
Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung als einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung als einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei einer photonischen Halbleitervorrichtung, die einen Verbindungs-Halbleiter verwendet, an­ gegeben durch InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1) gemäß der vorliegenden Erfindung, wird eine InxGayAlzNN-Schicht auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat ausgebildet.
Ein Verhältnis zwischen der Gitterkonstante a eines Quartzsubstrats hinsichtlich der [1000]- Richtung und der Gitterkonstanten a von InxGayAlzN hinsichtlich der [1000]-Richtung (d. h. ein Verhältnis zwischen Gitterkonstanten a hinsichtlich der einzelnen [1000]-Richtungen) und ein Verhältnis zwischen dem Abstand der (10 10)-Ebene des Quartzsubstrats und dem Abstand der (10 10)-Ebene von InxGayAlzN (d. h. ein Verhältnis zwischen den Abständen der (10 10)- Ebene hinsichtlich der einzelnen [10 10]-Richtungen) sind im wesentlichen das gleiche inte­ grale Verhältnis. Wenn somit eine InxGayAlzN-Schicht auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat ausgebildet wird, kann die InxGayAlzN-Schicht in der c-Achsen-Richtung orientiert werden und es kann eine Qualitäts-InxGayAlzN-Schicht mit einer geringen Gitterabweichung erhalten wer­ den.
Durch Verwendung eines Z-geschnittenen Quartzsubstrats kann eine InxGayAlzN-Schicht auf einem kostengünstigen Quartzsubstrat ausgebildet werden, und photonische Halbleitervorrich­ tungen, wie lichtemittierende Dioden und Laserdioden, die blaues Licht oder UV-Licht emittie­ ren, können bei geringen Kosten hergestellt werden.
Bei einer photonischen Halbleitervorrichtung, welche einen Verbindungs-Halbleiter verwendet, angegeben durch InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1)gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein ZnO-Dünnfilm oder ein AlN-Dünnfilm auf einem Z- geschnittenen Quartzsubstrat ausgebildet, und eine InxGayAlzN-Schicht wird auf dem Dünnfilm ausgebildet.
Bei einer solchen photonischen Halbleitervorrichtung kann, da der ZnO-Dünnfilm oder der AlN- Dünnfilm als eine Pufferschicht auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat ausgebildet wird, die Gitterabweichung des darauf ausgebildeten InxGayAlzN weiter verringert werden. Damit können photonische Halbleitervorrichtungen höherer Qualität, wie lichtemittierende Dioden und Laser­ dioden, die blaues Licht oder UV-Licht emittieren, hergestellt werden.
Ausführungsform 1
Die Fig. 1 zeigt eine photonische Halbleitervorrichtung 1 als eine Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung, wie eine lichtemittierende Diode oder eine Oberflächen-lichtemittierende La­ serdiode, bei welcher eine InGaN-Schicht 5 als eine Lumineszenzschicht fungiert. Bei der pho­ tonischen Halbleitervorrichtung 1 wird ein hexagonaler n-GaN-Dünnfilm 3 auf einem Z- geschnittenen Quartzsubstrat 2 ausgebildet, und eine n-AlGaN-Schicht 4, eine InGaN-Schicht 5, eine p-AlGaN-Schicht 6 und eine p-GaN-Schicht 7 werden in dieser Reihenfolge auf der n-GaN- Schicht 3 abgeschieden. Durch Anätzen der n-AlGaN-Schicht 4, der InGaN-Schicht 5, der p- AlGaN-Schicht 6 und der p-GaN-Schicht 7 wird die n-GaN-Schicht 3 teilweise exponiert bzw. freigelegt. Eine obere Elektrode 8 ist auf der p-GaN-Schicht 7 vorgesehen und eine untere Elek­ trode 9 ist auf der p-GaN-Schicht 3 vorgesehen. Wenn demzufolge ein Gleichstrom zwischen der auf der p-GaN-Schicht 7 vorgesehenen oberen Elektrode 8 und der auf der n-GaN-Schicht 3 vorgesehenen unteren Elektrode 9 angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom zwischen der obe­ ren Elektrode 8 und der unteren Elektrode 9. Der elektrische Strom wird in die InGaN-Schicht 5 von der oberen Elektrode 8 zur Emittierung von Licht injiziert, und das von der InGaN-Schicht 5 emittierte Licht wird von dem Bereich nach außen emittiert, in welchem die obere Elektrode 8 nicht auf der oberen Oberfläche der p-GaN-Schicht 7 vorgesehen ist.
Gitterkonstanten und der Gitterabstand in Bezug auf ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat und GaN werden als nächstes beschrieben. Wie in Fig. 2B beschrieben, ist in einem hexagonalen GaN-Dünnfilm in Bezug auf eine Gitterkonstante a in der [1000]-Richtung und eine Gitterkon­ stante b (Gitterkonstante in der b-Achsen-Richtung) in der [0100]-Richtung a = b = 3,1860 Å. Hinsichtlich einer Länge m in der [10 10]-Richtung und einer Länge n in der [11 20]-Richtung ist m = 2,7592 Å und n = 1,5930 Å. Da trigonales Quartz eine 6-fache Rotationsachse besitzt, die gleiche wie bei dem hexagonalen System, ist es in ähnlicher Weise für das hexagonale System in Fig. 2A dargelegt, und dieselbe Orientierung wird wie in dem hexagonalen System angenom­ men. Bei dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat ist hinsichtlich einer Gitterkonstanten A (Gitterkonstante in der a-Achsen-Richtung) in der [1000]-Richtung und eine Gitterkonstanten B (Gitterkonstante in der b-Achsen-Richtung) in der [0100]-Richtung A = B = 4,9131 Å. In Bezug auf eine Länge M in der [10 10]-Richtung und eine Länge N in der [11 20]-Richtung ist M = 4,2549 Å und N = 2,4566 Å. Daher ist in der [1000]-Richtung und der [0100]-Richtung das Ver­ hältnis der Gitterkonstante A des Z-geschnittenen Quartzsubstrats zu der Gitterkonstante a von GaN durch A : a angegeben und ist im wesentlichen gleich 3 : 2 (kleines integrales Verhältnis), und in Bezug auf den Abstand der (10 10)-Ebene und den Abstand der (11 20)-Ebene ist das Verhältnis der Gitterkonstante B des Z-geschnittenen Quartzsubstrats zu der Gitterkonstante b von GaN durch B : b angegeben und entspricht auch im wesentlichen gleich 3 : 2. Mit anderen Worten, der Abstand der (2000)-Ebene (die Länge des Pfeils: a/2) in dem hexagonalen GaN- Dünnfilm ist 1,5930 Å, was im wesentlichen dem Abstand der (3000)-Ebene (der Länge des Pfeils: A/3) in dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 von 1,6377 Å entspricht. In ähnlicher Wei­ se ist der Abstand der (20 20)-Ebene (die Länge des Pfeils: m/2) in dem hexagonalen GaN- Dünnfilm 1,3795 Å, was im wesentlichen dem Abstand der (30 30)-Ebene (der Länge des Pfeils: M/3) in dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 von 1,4183 Å entspricht. Der Abstand der (22 40)-Ebene (die Länge des Pfeils: n/2) in GaN ist 0,7965 Å, was im wesentlichen dem Ab­ stand der (3 3 60)-Ebene (der Länge des Pfeils: N/3) in dem Z-geschnittenen Quartz von 0,8189 Å entspricht. Daher stimmt der Abstand der (3000)-Ebene in dem Z-geschnittenen Quartz­ substrat mit dem Abstand der (2000)-Ebene in dem GaN-Dünnfilm bei einer Fehlerhäufigkeit von 3% oder weniger überein. Der Abstand der (30 30)-Ebene in dem Z-geschnittenen Quartz­ substrat stimmt mit dem Abstand der (20 20)-Ebene in dem GaN-Dünnfilm bei einer Fehlerhäu­ figkeit von 3% oder weniger überein. Der Abstand der (22 40)-Ebene in GaN stimmt mit dem Abstand der (33 60)-Ebene in dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat bei einer Fehlerhäufigkeit von 3% oder weniger überein.
Daher kann durch Züchten eines hexagonalen GaN-Dünnfilms, der in der c-Achsen-Richtung auf der Z-Ebene des Z-geschnittenen Quartzsubstrats 2 orientiert ist, eine n-GaN-Schicht 3 mit guter Kristallinität wie in Fig. 3 gezeigt erhalten werden. Durch Züchten einer n-AlGaN-Schicht 4, einer InGaN-Schicht 5, einer p-AlGaN-Schicht 6 und einer p-GaN-Schicht 7 auf der n-GaN- Schicht 3 kann eine photonische Halbleitervorrichtung 1, wie eine blaue Diode oder eine UV- Diode, unter Verwendung eines kostengünstigen Quartzsubstrats 2 hergestellt werden.
Ausführungsform 2
Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung 11 als einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der photonischen Halbleitervorrichtung 11 wird ein ZnO-Film 12 auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 ausgebildet, und eine n-GaN- Schicht 3, eine n-AlGaN-Schicht 4, eine InGaN-Schicht 5, eine p-AlGaN-Schicht 6 und eine p- GaN-Schicht 7 werden in dieser Reihenfolge auf den ZnO-Film 12 abgeschieden. Durch Anät­ zen der n-AlGaN-Schicht 4, der InGaN-Schicht 5, der p-AlGaN-Schicht 6 und der p-GaN- Schicht 7 wird die n-GaN-Schicht 3 teilweise exponiert. Eine obere Elektrode 8 wird auf der p- GaN-Schicht 7 vorgesehen, und eine untere Elektrode 9 wird auf der oberen Oberfläche der n- GaN-Schicht 3 vorgesehen. (Alternativ kann der Widerstand des ZnO-Films 12 durch Dotie­ rungsverunreinigungen verringert werden, und die untere Elektrode 9 kann auf dem ZnO-Film 12 ausgebildet werden.)
Da der hexagonale ZnO-Film 12 eine Gitterkonstante a von 3,24265 Å aufweist, welche nahe an der Gitterkonstante von GaN (3,186 Å) liegt, kann durch Ausbilden des ZnO-Films 12 als Puf­ ferschicht auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 eine bessere n-GaN-Schicht 3 ausgebildet werden, und somit kann eine bessere lichtemittierende Vorrichtung 11, wie eine blaue oder UV- Diode, hergestellt werden.
Ausführungsform 3
Die Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung 13 als noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der photonischen Halbleitervor­ richtung 13 wird ein AlN-Film 14 auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 ausgebildet, und eine n-GaN-Schicht 3, eine n-AlGaN-Schicht 4, eine InGaN-Schicht 5, eine p-AlGaN-Schicht 6, eine p-GaN-Schicht 7 werden in dieser Reihenfolge auf den AlN-Film 14 abgeschieden. Durch Anätzen der n-AlGaN-Schicht 4, der InGaN-Schicht 5, der p-AlGaN-Schicht 6 und der p-GaN- Schicht 7 wird die n-GaN-Schicht 3 teilweise exponiert. Eine obere Elektrode 8 wird auf der oberen Oberfläche der p-GaN-Schicht 7 vorgesehen und eine untere Elektrode 9 wird auf der oberen Oberfläche der n-GaN-Schicht 3 ausgebildet. (Alternativ kann der Widerstand des AlN- Films 14 durch Dotierungsverunreinigungen verringert werden, und die untere Elektrode 9 kann auf dem AlN-Film 14 ausgebildet werden.)
Da der AlN-Film 14 eine Gitterkonstante von 3,1113 Å besitzt, welche nahe an der Gitterkon­ stante von GaN (3,186 Å) liegt, kann durch Ausbilden des AlN-Films 14 als einer Pufferschicht auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 eine bessere n-GaN-Schicht 3 ausgebildet werden, und auf diese Weise kann eine bessere lichtemittierende Vorrichtung 13, wie eine blaue oder UV-Diode, hergestellt werden.
Obwohl Vorrichtungen vom Oberflächen-lichtemittierenden Typ als die obenstehend beschrie­ benen Ausführungsformen dargelegt sind, kann die vorliegende Erfindung selbstverständlich auf eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode vom Facetten-Emissionstyp angewandt wer­ den.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, werden verschie­ dene Wege zur Durchführung der hierin beschriebenen Prinzipien als innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche liegend in Betracht gezogen. Daher versteht es sich, daß der Umfang der Erfindung nicht eingeschränkt werden soll, außer wie andernfalls in den Ansprüchen darge­ legt.

Claims (9)

1. Photonische Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat; und
eine Verbindungs-Halbleiterschicht, angegeben durch InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1), gebildet auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat.
2. Photonische Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, worin die [1000]-Richtung, die [10 10]-Richtung und die [11 20]-Richtung der InxGayAlzN-Schicht im wesentlichen der [1000]-Richtung, der [10 10]-Richtung bzw. der [11 20]-Richtung des Quartz­ substrates entsprechen.
3. Photonische Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat;
eine Dünn-Film-Pufferschicht aus GaN, ZnO oder AlN, gebildet auf dem Z-ge­ schnittenen Quartzsubstrat und
eine Verbindungs-Halbleiterschicht, angegeben durch InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1), gebildet auf dem ZnO-Dünnfilm oder dem AlN- Dünnfilm.
4. Photonische Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, worin die Pufferschicht GaN ist.
5. Photonische Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, worin die Pufferschicht ZnO ist.
6. Photonische Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, worin der Puffer AlN ist.
7. Photonische Vorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat;
einen n-GaN-Dünnfilm auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat;
eine n-AlGaN-Schicht auf dem n-GaN-Dünnfilm;
eine InGaN-Schicht auf der n-AlGaN-Schicht;
eine p-AlGaN-Schicht auf der InGaN-Schicht;
eine erste Elektrode auf der p-GaN-Schicht; und
eine zweite Elektrode auf der n-GaN-Schicht.
8. Photonische Vorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat;
ein ZnO-Film auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat;
eine n-GaN-Schicht auf dem ZnO-Film;
eine n-AlGaN-Schicht auf der n-GaN-Schicht;
eine InGaN-Schicht auf der n-AlGaN-Schicht;
eine p-AlGaN-Schicht auf der InGaN-Schicht;
eine p-GaN-Schicht auf der p-AlGaN-Schicht;
eine erste Elektrode auf der p-GaN-Schicht; und
eine zweite Elektrode auf der n-GaN-Schicht.
9. Photonische Vorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quartzsubstrat;
ein AlN-Film auf dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat;
eine n-GaN-Schicht auf dem AlN-Film;
eine n-AlGaN-Schicht auf der n-GaN-Schicht;
eine InGaN-Schicht auf der n-AlGaN-Schicht;
eine p-AlGaN-Schicht auf der InGaN-Schicht;
eine p-GaN-Schicht auf der p-AlGaN-Schicht;
eine erste Elektrode auf der p-GaN-Schicht; und
eine zweite Elektrode auf der n-GaN-Schicht.
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