DE19938480B4 - Photonische Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Photonische Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Z-geschnittenes Quarzsubstrat; 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.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Halbleitervorrichtungen und insbesondere photonische Halbleitervorrichtungen, die III-V-Verbindungen, wie GaN, InGaN, GaAlN und InGaAlN, 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 allgemeine 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 zahlreiche 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 obenstehenden Verfahren kann ein Kristallfilm mit wenigen Defekten erhalten werden, da die Gitterabweichung 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. Aus der EP 0 607 435 A ist eine photonische Halbleitervorrichtung mit einer GaN-Schicht auf einem Saphir-Substrat bekannt, wobei auch ein Quarz-Substrat allgemein 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 in kostengünstiger Weise 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 [1 0 0 0]-Richtung, die [1 0 1 0]-Richtung und die [1 1 2 0]-Richtung der InxGayAlzN-Schicht im wesentlichen der [1000]-Richtung, der [1 0 1 0]-Richtung bzw. der [1 1 2 0]-Richtung des Quartzsubstrates entsprechen.
  • Für den Zweck der Veranschaulichung der Erfindung wird in den Zeichnungen eine Form gezeigt, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist.
  • Die 1 ist eine Schnittsansicht einer photonischen Halbleitervorrichtung als einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2A ist ein Diagramm, welches eine Einheitszelle eines Z-geschnittenen Quartzsubstrats zeigt.
  • Die 2B ist ein Diagramm, welches eine Einheitszelle von GaN zeigt.
  • Die 3 ist ein Diagramm, welches die Kristallstruktur eines auf einem Z-geschnittenen Quartzsubstrat gezüchteten GaN zeigt.
  • Bei einer photonischen Halbleitervorrichtung, die 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 eine InxGayAlzN-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 (1 0 1 0)-Ebene des Quartzsubstrats und dem Abstand der (1 0 1 0)-Ebene von InxGayAlzN (d. h. ein Verhältnis zwischen den Abständen der (1 0 1 0)-Ebene hinsichtlich der einzelnen [1 0 1 0]-Richtungen) sind im wesentlichen das gleiche integrale 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 werden.
  • Durch Verwendung eines Z-geschnittenen Quartzsubstrats kann eine InxGayAlzN-Schicht auf einem kostengünstigen Quartzsubstrat ausgebildet werden, und photonische Halbleitervorrichtungen, wie lichtemittierende Dioden und Laserdioden, die blaues Licht oder UV-Licht emittieren, können bei geringen Kosten hergestellt werden.
  • Ausführungsform
  • Die 1 zeigt eine photonische Halbleitervorrichtung 1 als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie eine lichtemittierende Diode oder eine Oberflächenlichtemittierende Laserdiode, bei welcher eine InGaN-Schicht 5 als eine Lumineszenzschicht fungiert. Bei der Photonischen 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 Elektrode 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 oberen 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 2B beschrieben, ist in einem hexagonalen GaN-Dünnfilm in Bezug auf eine Gitterkonstante a in der [1000]-Richtung und eine Gitterkonstante b (Gitterkonstante in der b-Achsen-Richtung) in der [0100]-Richtung a = b = 3,1860 Å. Hinsichtlich einer Länge m in der [1 0 1 0]-Richtung und einer Länge n in der [1 1 2 0]-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 2A dargelegt, und dieselbe Orientierung wird wie in dem hexagonalen System angenommen. 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 [1 0 1 0]-Richtung und, eine Länge N in der [1 1 2 0]-Richtung ist M = 4,2549 Å und N = 2,4566 Å. Daher ist in der [1000]-Richtung und der [0100]-Richtung das Verhältnis 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 (1 0 1 0)-Ebene und den Abstand der (1 1 2 0)-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 Weise ist der Abstand der (2 0 2 0)-Ebene (die Länge des Pfeils: m/2) in dem hexagonalen GaN-Dünnfilm 1,3795 Å, was im wesentlichen dem Abstand der (3 0 3 0)-Ebene (der Länge des Pfeils: M/3) in dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat 2 von 1,4183 Å entspricht. Der Abstand der (2 2 4 0)-Ebene (die Länge des Pfeils: n/2) in GaN ist 0,7965 Å, was im wesentlichen dem Abstand der (3 3 6 0)-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 Quartzsubstrat mit dem Abstand der (2000)-Ebene in dem GaN-Dünnfilm bei einer Fehlerhäufigkeit von 3% oder weniger überein. Der Abstand der (3 0 3 0)-Ebene in dem Z-geschnittenen Quartzsubstrat stimmt mit dem Abstand der (2 0 2 0)-Ebene in dem GaN-Dünnfilm bei einer Fehlerhau figkeit von 3% oder weniger überein. Der Abstand der (2 2 4 0)-Ebene in GaN stimmt mit dem Abstand der (3 3 6 0)-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 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.

Claims (3)

  1. Photonische Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Z-geschnittenes Quarzsubstrat; 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 [1 0 0 0]-Richtung, die [1 0 1 0]-Richtung bzw. die [1 1 2 0]-Richtung der InxGayAlzN-Schicht im wesentlichen der [1 0 0 0]-Richtung, der [1 0 1 0]-Richtung bzw. der [1 1 2 0]-Richtung des Quarzsubstrates entsprechen.
  3. Photonische Halbleitervorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2 umfassend: einen n-GaN-Dünnfilm auf dem Z-geschnittenen Quarzsubstrat; 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 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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