DE202004021874U1

DE202004021874U1 - Eine lichtemittierende Vorrichtung unter Verwendung eines Nitridhalbleiters

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Publication number: DE202004021874U1
Application number: DE202004021874U
Authority: DE
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: US7691657B2; US20050236631A1; CN100468793C; CN1698212A; US20060081831A1; EP1636858A4; CN101179106A; JP2008182284A; CN101179106B; WO2004114421A1; EP1636858B1; KR20050000846A; US7193236B2; EP1636858A1; KR100525545B1; JP2006510234A

Abstract

Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung umfassend ein Substrat (202; 402), eine Pufferschicht (204; 404) auf dem Substrat (202; 402), eine erste Elektrodenschicht (212; 416) auf der Pufferschicht (204; 404), eine aktive Schicht (220; 424) mit einer mehrfach Quanten-Potentialtopf-Struktur, die auf der ersten Elektrodenkontaktschicht (212; 416) angeordnet ist, und eine p-Typ GaN-Schicht (222; 428) mit einer Dicke von 500 bis 5000 Å, die auf der aktiven Schicht (220; 424) angeordnet ist, wobei die erste Elektrodenkontaktschicht (212; 416) eine n-Typ GaN-Schicht umfassend eine Si/In codotierte GaN-Schicht (212; 416) und eine Übergitterschicht (210; 414) unter der Si/In codotierten GaN-Schicht (212; 416).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbindungshalbleiter der Gruppen 3-5 auf Nitridbasis bzw. einen 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleiter. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung mit der Fähigkeit, aus dem Missverhältnis von Wärmeausdehnungskoeffizient und Gitterkonstante zwischen einem Substrat und einer hierauf aufgebauten bzw. gezüchteten bzw. gewachsenen Einkristallschicht auf GaN-Basis bzw. GaN-Einkristallschicht herrührende Kristalldefekte zu reduzieren auch und die Kristallinität der GaN-Einkristallschicht zu verbessern, um die Leistungsfähigkeit der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern und deren Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Stand der Technik
Halbleiter auf GaN-Basis werden allgemein auf optische Vorrichtungen wie etwa eine blaue/grüne LED und elektronische Vorrichtungen mit hoher Schaltgeschwindigkeit und hoher Ausgangsleistung wie etwa einen Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) und einen Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) angewendet. Insbesondere sind in letzter Zeit blaue/grüne LEDs massenhaft produziert worden, und ihr weltweiter Bedarf ist stark ansteigend.
Eine lichtemittierende GaN-Halbleitervorrichtung wird typischerweise auf einem Substrat von Saphir oder SiC aufgebaut. Dann wird eine polykristalline Schicht von Al_yGa_1-yN als eine Pufferschicht auf dem Saphir- oder SiC-Substrat bei einer niedrigen Wachstumstemperatur aufgebaut. Bei einer höheren Temperatur wird eine undotierte GaN-Schicht und eine Si-dotierte GaN-Schicht vom n-Typ bzw. eine Si-dotierte n-GaN-Schicht oder eine gemischte Struktur hiervon auf der Pufferschicht aufgebaut, um die n-GaN-Schicht als eine erste Elektrodenkontaktschicht vorzusehen. Dann wird eine Mg-dotierte Schicht vom p-Typ bzw. eine Mg-dotierte p-Schicht als eine zweite Elektrodenkontaktschicht hierauf ausgebildet, um eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung herzustellen. Zusätzlich wird eine aktive Schicht (einer mehrfachen Potentialtopfstruktur) zwischen der ersten Elektrodenkontaktschicht vom n-Typ und der zweiten Elektrodenkontaktschicht vom p-Typ angeordnet.
Bei der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung dieser Struktur weisen Kristalldefekte, die in der Grenzfläche bzw. dem Übergangsbereich zwischen dem Substrat und der Pufferschicht gefunden werden, einen sehr hohen Wert von etwa 10⁸/cm³ auf. Im Ergebnis verschlechtert dies elektrische Eigenschaften der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung und erhöht genauer gesagt einen Leckstrom unter Bedingungen einer Vorspannung in Sperr- bzw. Rückwärtsrichtung, wodurch eine schwerwiegende Wirkung auf die Zuverlässigkeit der lichtemittierenden Vorrichtung hervorgerufen wird.
Zusätzlich verschlechtern die Kristalldefekte, die in der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Pufferschicht erzeugt werden, die Kristallinität der aktiven Schicht und verringern daher in nachteiliger Weise den Strahlungswirkungsgrad bzw. die Lichtausbeute der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung.
Indessen sind zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der lichtemittierenden GaN-Halbleitervorrichtung Untersuchungen bezüglich neuartiger Pufferschichten angestellt worden und sind verschiedenartige Herstellungsverfahren von GaN-Halbleitern studiert worden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die vorstehenden Probleme im Stand der Technik zu lösen, und es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage sind, Kristalldefekte einer GaN-Einkristallschicht ebenso zu reduzieren wie ihre Kristallinität zu verbessern, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hiervon zu verbessern.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage sind, eine hohe Leuchtleistung aus einer aktiven Schicht einer lediglich einfachen Potentialtopfstruktur praktisch zu verwirklichen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung zur Verwirklichung der vorstehenden Aufgaben wird eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung vorgesehen, welche aufweist: ein Substrat; eine Pufferschicht, welche auf bzw. oberhalb des Substrats ausgebildet ist; eine erste In-dotierte GaN-Schicht, welche oberhalb der Pufferschicht ausgebildet ist; eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Schicht einer Übergitterstruktur bzw. eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht, welche oberhalb der ersten In-dotierten GaN-Schicht ausgebildet ist; eine erste Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht ausgebildet ist; eine aktive Schicht, welche oberhalb der ersten Elektrodenkontaktschicht ausgebildet ist und arbeitet, um Licht zu emittieren; eine zweite In-dotierte GaN-Schicht; eine GaN-Schicht, welche oberhalb der zweiten In-dotierten GaN-Schicht ausgebildet ist; und eine zweite Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der GaN-Schicht ausgebildet ist.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung zur Verwirklichung der vorstehenden Aufgaben wird eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung vorgesehen, welche aufweist: ein Substrat; eine Pufferschicht, welche oberhalb des Substrats ausgebildet ist; eine erste In-dotierte GaN-Schicht, welche oberhalb der Pufferschicht ausgebildet ist; eine erste Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der ersten In-dotierten GaN-Schicht ausgebildet ist; eine aktive Schicht, welche oberhalb der ersten Elektrodenkontaktschicht ausgebildet ist und arbeitet, um Licht zu emittieren; eine GaN-Schicht, welche oberhalb der aktiven Schicht ausgebildet ist; und eine zweite Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der GaN-Schicht ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung zur Verwirklichung der vorstehenden Aufgaben wird eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung vorgesehen, welche aufweist: ein Substrat; eine Pufferschicht, welche oberhalb des Substrats ausgebildet ist; eine erste Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der Pufferschicht ausgebildet ist; eine aktive Schicht, welche oberhalb der ersten Elektrodenkontaktschicht ausgebildet ist und eine niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht, eine In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht und eine In_zGa_1-zN-Barriereschicht aufweist; eine GaN-Schicht, welche oberhalb der aktiven Schicht ausgebildet ist; und eine zweite Elektrodenkontaktschicht, welche oberhalb der GaN-Schicht ausgebildet ist.
Ein nicht unter den Schutz dieses Gebrauchsmusters fallendes Herstellungsverfahren einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung kann aufweisen: Ausbilden einer Pufferschicht oberhalb eines Substrats; Ausbilden einer ersten In-dotierten GaN-Schicht oberhalb der Pufferschicht; Ausbilden einer ersten Elektrodenkontaktschicht oberhalb der ersten In-dotierten GaN-Schicht; Ausbilden einer aktiven Schicht zum Emittieren von Licht oberhalb der ersten Elektrodenkontaktschicht; Ausbilden einer GaN-Schicht oberhalb der aktiven Schicht; und Ausbilden einer zweiten Elektrodenkontaktschicht oberhalb der GaN-Schicht.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kristalldefekte einer GaN-Einkristallschicht ebenso zu reduzieren wie ihre Kristallinität zu verbessern, wodurch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hiervon verbessert wird.
Als einen anderen Vorteil kann die vorliegende Erfindung eine hohe Leuchtleistung bzw. Helligkeitsleistung aus einer aktiven Schicht einer lediglich einfachen Potentialtopfstruktur praktisch verwirklichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben werden.
Während nachstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, ist dem Fachmann ersichtlich, dass das Prinzip der vorliegenden Erfindung nicht durch die hiervon offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die Hinzufügung, Abwandlung und Weglassung von Komponenten leicht in vielfältige Alternativen abgewandelt werden kann.
Erste Ausführungsform
1 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, weist eine lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung eine Querschnittsstruktur auf, welche eine auf einem Substrat 102 gewachsene bzw. gezüchtete bzw. aufgebaute Pufferschicht 104, eine erste Elektrodenkontaktschicht 108, welche aus einer (mit Si und In codotierte) n-GaN-Schicht hergestellt ist, und eine zweite Elektrodenkontaktschicht 120 einer In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur aufweist. Hierbei werden die erste und die zweite Elektrodenkontaktschicht 108 und 120 in nachfolgenden Verfahrensschritten jeweils mit Elektroden (nicht dargestellt) versehen, sodass eine externe Spannung über die Elektroden hieran angelegt werden kann.
Die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung weist auch eine aktive Schicht 116 einer Potentialtopfstruktur auf, welche zwischen der ersten Elektrodenkontaktschicht 108 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 120 angeordnet ist, um eine Heterostruktur auszubilden. Die aktive Schicht 116 weist eine niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht (In_xGa_1-xN-Schicht) 110, eine In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 112 und eine In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 auf.
Zusätzlich weist die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung auch eine In-dotierte GaN-Schicht 106, welche zwischen der Pufferschicht 104 und der ersten Elektrodenkontaktschicht 108 ausgebildet ist, und eine p-GaN-Schicht 118, welche zwischen der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 120 ausgebildet ist, auf.
Ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung wird wie folgt beschrieben werden.
Zuerst wird auf einem Saphirsubstrat 102 bei einer niedrigen Wachstumstemperatur eine GaN-Pufferschicht 104 ausgebildet. Dann kann die Pufferschicht 104 des GaN-Halbleiters in eine InGaN/GaN-Übergitterstruktur und eine Struktur von In_x-Ga_1-xN/GaN und Al_xIn_xGa_1-xN/In_xGa_1-xN/GaN bei der niedrigen Wachstumstemperatur aufgebaut werden.
Die wie genannt auf dem Substrat 102 ausgebildete Pufferschicht 104 kann aus dem Missverhältnis von Wärmeausdehnungskoeffizient und Gitterkonstante zwischen dem Substrat 102 und einer auf dem Substrat 102 aufgebauten GaN-Einkristallschicht induzierte Kristalldefekte einschränken, wodurch ein GaN-Halbleiter mit hoher Qualität hergestellt wird.
Genauer gesagt werden in dem Verfahrensschritt eines Aufbauens der GaN-Pufferschicht 104 H₂- und N₂-Trägergase, TMGa-, TMIn- und TMAl-Quellen und NH₃-Gas bei einer Temperatur von etwa 500 bis 700°C eingespeist, um die GaN-Pufferschicht 104 aufzubauen.
Dann werden eine In-dotierte GaN-Schicht 106 und eine GaN-Schicht 108, welche Si und In hierin codotiert enthält, bei einer hohen Wachstumstemperatur auf der Pufferschicht 104 aufgebaut. Hierbei wird die Si/In-codotierte GaN-Schicht 108 als eine erste Elektrodenkontaktschicht verwendet.
Genauer gesagt wird in dem Verfahrensschritt eines Aufbauens einer GaN-Einkristallschicht des GaN-Halbleiters die GaN-Einkristallschicht durch Einspeisen von TMGa-, TMIn- und TMAl-Quellen bei einer Temperatur von etwa 900 bis 1100°C mit einer MOCVD-Vorrichtung, bei welcher SiH₄-Gas als eine Si-Dotierungsquelle verwendet werden kann und TMIn als eine In-Dotierungsquelle verwendet werden kann, aufgebaut.
Die aktive Schicht 116 zum Emittieren von Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich weist eine einfache Potentialtopfstruktur auf. Genauer gesagt wird die niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht 110 der aktiven Schicht 116 in dem Bereich von 10 bis 500 Å aufgebaut. Besonders bevorzugt wird die niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht 110 zu einer Dicke in dem Bereich von 50 bis 300 Å aufgebaut. Der Gehalt der niedrigmolaren In-dotierten GaN-Schicht kann als In_xGa_1-xN (0 < x ≤ 0,2) ausgedrückt werden. Dann wird eine Potentialtopfschicht einer In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 112 und einer In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 von unterschiedlichem In-Gehalt auf der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 110 aufgebaut, um die aktive Schicht auszubilden.
In dem Verfahrensschritt eines Aufbauens einer einfachen Potentialtopfstruktur der aktiven Schicht 116 werden die niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht 110, die In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 112 (0 < y ≤ 0,35) und die In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 (0 < z ≤ 0,2) durch Strömen von TMGa-, TMIn- und TMAl-Quellen auf N₂- oder H₂ + N₂-Trägergas in NH₃-Atmosphäre aufgebaut. In diesem Fall weist die niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht 110 eine Dicke von etwa 10 bis 500 Å auf, und ihre Oberfläche wird in einem Spiralmodus gleichmäßig aufgebaut. Desweiteren wird bei einer Oberflächenwachstumstemperatur von 700 bis 800°C die InGaN-Potentialtopfschicht 112 zum Emittieren von Licht zu einer Dicke von 5 bis 30 Å aufgebaut und wird die In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 zu einer Dicke von 50 bis 500 Å aufgebaut.
Zusätzlich ist es zur Verwirklichung einer hohen Helligkeitsleistung der lichtemittierenden Vorrichtung erforderlich, den gleichmäßigen Spiralmodus von der Oberfläche der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 110 bis zu der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 aufrechtzuerhalten. Falls die vorstehenden Wachstumsbedingungen erfüllt sind, kann eine praktische lichtemittierende Vorrichtung hoher Helligkeit durch die Ausbildung einer aktiven Schicht mit einer einfachen Potentialtopfstruktur ebenso hergestellt werden wie mit einer mehrfachen Potentialtopfstruktur. Selbstverständlich kann in Fällen, dass andere Teile die gleichen sind, die mehrfache Potentialtopfstruktur angenommen werden.
Indessen kann die Verteilung eines Gehalts an Dotierstoff in der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 110, der In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 112 und der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 wie folgt eingestellt werden: der In-Gehalt der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 110 wird so eingestellt, dass er niedriger als derjenige der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 114 ist. Die dotierten In-Gehalte x, y und z können als 0 < x < 0,05, 0 < y < 0,3 und 0 < z < 0,1 ausgedrückt werden.
Nach dem Aufbauen der aktiven Schicht zum Emittieren von Licht gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten wird die Temperatur angehoben, um die Mg-dotierte p-GaN-Einkristallschicht 118 in H₂-, N₂- und H₂ + N₂-Gasen und unter NH₃-Atmosphäre aufzubauen. Die p-GaN-Schicht 118 wird zu einer Dicke von etwa 500 bis 5000 Å bei einer Wachstumstemperatur von etwa 900 bis 1020°C aufgebaut.
Auf den Aufbau der p-GaN-Schicht 118 hin wird die zweite Elektrodenkontaktschicht 120 aus einer In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur (0 < x ≤ 0,2 und 0 < y ≤ 0,2) auf der p-GaN-Schicht 118 aufgebaut. Die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur verleiht der zweiten Elektrodenkontaktschicht 120 eine wirksame Stromausbreitung. Die Elektrode der zweiten Elektrodenkontaktschicht kann in vorteilhafter Weise aus dem gleichen Elektrodenmetall wie demjenigen der ersten Elektrodenkontaktschicht 108 erhalten werden.
Gemäß der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform wird die erste Elektrodenkontaktschicht 108 aus einer Elektrodenkontaktschicht vom n-Typ ausgebildet und wird die zweite Elektrodenkontaktschicht 120 aus einer Elektrodenkontaktschicht vom n-Typ ausgebildet. Nachdem von dem niedrigen Mg-Dotierungswirkungsgrad einer in einer herkömmlichen lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrodenkontaktschicht in der Form von Elektrodenkontaktschichten des n-Typs und des p-Typs als eine zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht ein hoher Kontaktwiderstand herrührt, kann diese Ausführungsform den hohen Kontaktwiderstand überwinden und eine sich daraus ergebende Stromausbreitungsschicht entfernen.
Hinsichtlich der Beziehung mit der p-GaN-Schicht 118 kann ausgedrückt werden, dass die erste Elektrodenkontaktschicht 108, die p-GaN-Schicht 118 und die zweite Elektrodenkontaktschicht 120 einen n-p-n-Übergang aufweisen.
Hier wechseln die Schichten der Übergitterstruktur der zweiten Elektrodenkontaktschicht 120 miteinander bei einer Dicke von 2 bis 50 Å ab und weist die zweite Elektrodenkontaktschicht 120 die maximale Dicke unterhalb von 200 Å auf. Desweiteren kann der Aufbauschritt durch Einspeisen von N₂-, N₂ + H₂- und NH₃-Gasen und TMGa- und TMIn-Quellen in einem Wachstumstemperaturbereich von 700 bis 850°C durchgeführt werden, um eine lichtemittierende Vorrichtung hoher Helligkeit aufzubauen, welche eine Heterostruktur aufweist, welche bezüglich eines inneren Quantenwirkungsgrads und Betriebsspannungseigenschaften ausgezeichnet ist.
Zweite Ausführungsform
2 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Struktur der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung dieser in 2 gezeigten Ausführungsform ist grundsätzlich ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform mit Ausnahme dessen, dass zusätzlich eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 210 unterhalb einer ersten Elektrodenkontaktschicht 212 angeordnet ist, welche eine Heterostruktur ausbildet, um Kristalldefekte, die aus dem Missverhältnis einer Gitterkonstanten und eines Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Substrat 202 und einer Si/In-dotierten GaN-Einkristallschicht 212 herrühren, zu minimieren.
Diese Struktur kann eine sich von dem Substrat 202 und einer Pufferschicht 204 einer niedrigen Temperatur ausbreitende Versetzungsdichte reduzieren, um die Durchbruchspannung in Sperr- bzw. Rückwärtsrichtung V_br der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern, wodurch die Zuverlässigkeit hiervon verbessert wird.
Die Struktur der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend kurz wie folgt beschrieben.
Die Pufferschicht 204 wird auf dem Substrat 202 aufgebaut, und eine erste Elektrodenkontaktschicht 212 wird aus dem (mit Si und In codotierten) n-GaN hergestellt, und eine zweite Elektrodenkontaktschicht 224 wird so aufgebaut, dass sie eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur aufweist. Die erste und die zweite Elektrodenkontaktschicht 212 und 224 werden in nachfolgenden Verfahrensschritten jeweils mit Elektroden (nicht gezeigt) versehen, sodass eine externe Spannung hieran Ober die Elektroden angelegt werden kann.
Die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung weist auch eine aktive Schicht 220 einer einfachen Potentialtopfstruktur auf, welche zwischen der ersten Elektrodenkontaktschicht 212 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 224 angeordnet ist, um eine Heterostruktur auszubilden. Die aktive Schicht 220 weist eine niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht 214, eine In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 216 und eine In_zGa_1-zN-Barriereschicht 218 auf.
Zusätzlich weist die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung auch eine In-dotierte GaN-Schicht 206 und eine undotierte GaN-Schicht 208 zwischen der Pufferschicht 206 und der ersten Elektrodenkontaktschicht 212 auf. Desweiteren ist eine p-GaN-Schicht 222 zwischen der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 218 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 224 ausgebildet.
Ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Struktur ist ähnlich demjenigen der ersten Ausführungsform und wird daher nicht weiter beschrieben werden.
Die zweite Ausführungsform dieser Struktur kann eine von dem Substrat 202 und der Pufferschicht 204 her ausgebreitete Versetzungsdichte reduzieren, um die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung V_br der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern und daher die Zuverlässigkeit hiervon zu verbessern.
Dritte Ausführungsform
3 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 3 ist diese Ausführungsform im Allgemeinen ähnlich der ersten Ausführungsform mit Ausnahme dessen, dass zusätzlich eine In-dotierte GaN-Schicht 318 zwischen einer p-GaN-Schicht 320 und einer In_zGa_1-zN-Barriereschicht 314 angeordnet ist, um eine Heterostruktur auszubilden.
Die zusätzliche In-dotierte GaN-Schicht 318 kann die Eindiffundierung von als einen Dotierungsstoff verwendeten Mg-Atomen in die p-GaN-Schicht 320 beschränken, wodurch Eigenschaften verbessert werden. Die In-dotierte GaN-Schicht 318 wird zu einer Dicke von 100 Å oder weniger aufgebaut.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform beschrieben werden. Eine Pufferschicht 304 wird auf einem Substrat 302 aufgebaut, eine erste Elektrodenkontaktschicht 308 wird aus einem (mit Si und In codotierten) n-GaN hergestellt, und eine zweite Elektrodenkontaktschicht 322 wird aus einer In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur ausgebildet. Hierbei werden die erste und die zweite Elektrodenkontaktschicht 308 und 322 in anschließenden Verfahrensschritten jeweils mit Elektroden (nicht gezeigt) versehen, sodass eine externe Spannung über die Elektroden hieran angelegt werden kann.
Die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung weist auch eine aktive Schicht 316 einer einfachen Potentialtopfstruktur auf, welche zwischen der ersten Elektrodenkontaktschicht 308 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 322 angeordnet ist, um eine Heterostruktur aufzubauen. Die aktive Schicht 316 weist eine niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht 310, eine In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 312 und eine In_zGa_1-zN-Barriereschicht 314 auf.
Zusätzlich weist die lichtemittierende 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung auch eine In-dotierte GaN-Schicht 306 zwischen der Pufferschicht 304 und der ersten Elektrodenkontaktschicht 308 auf und sind die p-GaN-Schicht 320 und die In-dotierte GaN-Schicht 318 zwischen der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 314 und der zweiten Elektrodenkontaktschicht 322 angeordnet.
Wie vorstehend beschrieben, kann die zusätzliche GaN-Schicht 318 dieser Ausführungsform die Eindiffundierung von als einen Dotierungsstoff verwendeten Mg-Atomen in die p-GaN-Schicht 320 begrenzen. Diese Ausführungsform kann Eigenschaften der lichtemittierenden Vorrichtung verbessern.
Vierte Ausführungsform
4 veranschaulicht eine Struktur einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Viele Teile der vierten Ausführungsform sind die gleichen wie diejenigen der dritten Ausführungsform mit Ausnahme dessen, dass eine In-dotierte GaN-Schicht 406, eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 408, eine In-dotierte GaN-Schicht 412 und eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 414 zusätzlich vorgesehen sind. Die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 408, die In-dotierte GaN-Schicht 412 und die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 414 arbeiten, um Kristalldefekte, die von einem Missverhältnis von Gitterkonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient aus dem Substrat 402 herrühren, zu minimieren. Desweiteren kann die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 408 eine von dem Substrat 402 und einer Pufferschicht 404 einer niedrigen Temperatur ausgebreitete Versetzungsdichte reduzieren, um die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung V_br der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform im Einzelnen unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden.
Die auf einem GaN-Halbleiter basierende Pufferschicht 404 wird bei einer niedrigen Wachstumstemperatur auf dem Saphirsubstrat 402 aufgebaut. Bei der niedrigen Wachstumstemperatur kann die Pufferschicht 404 des GaN-basierten Halbleiters aus einer InGaN/GaN-Übergitterstruktur und einer Struktur von In_xGa_1-xN/GaN und Al_xIn_yGa_1-x,yN/In_xGa_1-xN/GaN ausgebildet werden.
Die auf dem Substrat 402 wie vorstehend ausgebildete Pufferschicht 404 kann Kristalldefekte, die aus dem Missverhältnis von Wärmeausdehnungskoeffizient und Gitterkonstante zwischen dem Substrat 402 und der auf dem Substrat 402 aufgebauten GaN-Einkristallschicht induziert werden, begrenzen, wodurch ein GaN-Halbleiter hoher Qualität hergestellt wird.
Dann wird die In-dotierte GaN-Schicht 406 bei einer hohen Wachstumstemperatur auf der Pufferschicht 404 aufgebaut und wird zusätzlich die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 408 auf der In-dotierten GaN-Schicht 408 ausgebildet, um von dem Missverhältnis von Gitterkonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient aus dem Substrat 402 herrührende Kristalldefekte zu minimieren.
Diese Struktur kann eine von dem Substrat 402 und der Pufferschicht 404 der niedrigen Temperatur her ausgebreitete Versetzungsdichte reduzieren, um die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung V_br der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern, wodurch die Zuverlässigkeit hiervon verbessert wird.
Desweitern werden zusätzlich die In-dotierte GaN-Schicht 412 und die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 414 auf der In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 408 ausgebildet, um Kristalldefekte weiter zu reduzieren.
Dann wird eine Si/In-codotierte GaN-Schicht 416 auf der In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstrukturschicht 414 aufgebaut. Die Si/In-codotierte GaN-Schicht 416 wird als eine erste Elektrodenkontaktschicht verwendet.
Hiernach wird eine Schicht einer einfachen Potentialtopfstruktur in einer aktiven Schicht 424 zum Emittieren von Licht eines gewünschten Wellenlängenbereichs ausgebildet. Genauer gesagt wird zuerst eine niedrigmolare In-dotiere In_xGa_1-xN-Schicht 418 (0 < x ≤ 0,2) in der aktiven Schicht 424 aufgebaut, um den inneren Quantenwirkungsgrad der aktiven Schicht 424 zu verbessern. Eine Potentialtopfstruktur, welche eine In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 420 und eine In_zGa_1-zN-Barriereschicht 422 von unterschiedlichem In-Gehalt aufweist, wird auf der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 418 aufgebaut, um die aktive Schicht zu vervollständigen.
Bei dem Aufbauschritt bzw. Anwachsschritt werden die aktive Schicht 424 der einfachen Potentialtopfstruktur, welche die niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht 418, die In_yGa_1-yN-Potentialtopfschicht 420 (0 < y ≤ 0,35) und die In_zGa_1-zN-Barriereschicht 422 (0 < z ≤ 0,2) umfasst, durch Einspeisen von N₂- und H₂ + N₂-Gasen und TMGa-, TMIn- und TMAl-Quellen unter NH₃-Atmosphäre aufgebaut. Die niedrigmolare In_xGa_1-xN-Schicht 418 weist eine Dicke von etwa 10 bis 500 Å auf, und ihre Oberfläche wird gleichmäßig in einem Spiralmodus aufgebaut.
Die InGaN-Potentialtopfschicht 420 zum Emittieren von Licht wird zu einer Dicke von 10 bis 40 Å aufgebaut, und die InGaN-Barriereschicht 422 wird zu einer Dicke von 50 bis 500 Å bei einer Wachstumstemperatur von etwa 700 bis 800°C aufgebaut. Zusätzlich ist es zur Verwirklichung einer hohen Helligkeitsleistung der lichtemittierenden Vorrichtung erforderlich, den gleichmäßigen Spiralmodus von der Oberfläche der niedrigmolaren In-dotierten In_xGa_1-xN-Schicht 418 bis zu der In_zGa_1-zN-Barriereschicht 422 aufrechtzuerhalten. Falls die vorstehenden Wachstumsbedingungen erfüllt werden, kann eine praktische lichtemittierende Vorrichtung mit hoher Helligkeit durch die Ausbildung einer aktiven Schicht mit einer einfachen Potentialtopfstruktur genauso wie diejenige mit einer mehrfachen Potentialtopfstruktur hergestellt werden.
Nach dem Aufbau der lichtemittierenden aktiven Schicht werden die In-dotierte GaN-Schicht 426 und eine Mg-dotierte p-GaN-Einkristallschicht 428 aufgebaut.
Die p-GaN-Schicht 428 wird bei einer Wachstumstemperatur von etwa 900 bis 1020°C zu einer Dicke von etwa 500 bis 5000 Å aufgebaut.
Dann wird nach dem Aufbau der p-GaN-Schicht 428 eine zweite Elektrodenkontaktschicht 430 einer In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur (0 < y ≤ 0,2 und 0 < x ≤ 0,2) auf der p-GaN-Schicht 428 aufgebaut. Die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur kann in vorteilhafter Weise die Stromausbreitung der zweiten Elektrodenkontaktschicht 430 bewirken. Die Elektrode der zweiten Elektrodenkontaktschicht kann in vorteilhafter Weise aus dem gleichen Elektrodenmetall wie demjenigen der ersten Elektrodenkontaktschicht 416 erhalten werden.
Gemäß der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung dieser Ausführungsform wird die erste Elektrodenkontaktschicht 416 aus einer Elektrodenkontaktschicht vom n-Typ ausgebildet und wird die zweite Elektrodenkontaktschicht 430 aus einer Elektrodenkontaktschicht vom n-Typ ausgebildet. Nachdem von dem niedrigen Mg-Dotierungswirkungsgrad einer in einer herkömmlichen lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrodenkontaktschicht in der Form von Elektrodenkontaktschichten des n-Typs und des p-Typs als eine zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht ein hoher Kontaktwiderstand herrührt, kann diese Ausführungsform den hohen Kontaktwiderstand überwinden und eine sich daraus ergebende Stromausbreitungsschicht entfernen.
Hinsichtlich der Beziehung mit der p-GaN-Schicht 428 kann ausgedrückt werden, dass die erste Elektrodenkontaktschicht 416, die p-GaN-Schicht 428 und die zweite Elektrodenkontaktschicht 430 einen n-p-n-Übergang aufweisen. Die Schichten der Übergitterstruktur der zweiten Elektrodenkontaktschicht 430 wechseln miteinander bei einer Dicke von 2 bis 50 Å ab, und die zweite Elektrodenkontaktschicht 430 weist die maximale Dicke unterhalb von 200 Å auf. Desweiteren kann der Anwachsschritt bzw. Aufbauschritt durch Einspeisen von N₂-, N₂ + H₂- und NH₃-Gasen und TMGa- und TMIn-Quellen in einem Wachstumstemperaturbereich von 700 bis 850°C durchgeführt werden, um eine lichtemittierende Vorrichtung hoher Helligkeit aufzubauen, welche eine Heterostruktur aufweist, welche bezüglich eines inneren Quantenwirkungsgrads und Betriebsspannungseigenschaften ausgezeichnet ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Gemäß der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung wie vorstehend ausgeführt ist es möglich, Kristalldefekte, die von dem Missverhältnis von Wärmeausdehnungskoeffizient und Gitterkonstante zwischen einem Substrat aus beispielsweise Saphir und einer hierauf aufgebauten GaN-Einkristallschicht herrühren, wirksam zu begrenzen, um GaN-Halbleiter hoher Qualität aufzubauen. Insbesondere wird eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur unterhalb einer Si/In-codotierten GaN-Schicht, welche als eine erste Elektrodenkontaktschicht verwendet wird, platziert, um hierdurch Kristalldefekte weiter zu begrenzen.
Desweiteren wird eine niedrigmolare In-dotierte In_xGa_1-xN-Schicht hinzugefügt, um den inneren Quantenwirkungsgrad einer aktiven Schicht anzuheben, wodurch der Wachstumsmodus einer Potentialtopfstruktur gleichmäßig gesteuert wird. Nachdem die In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Übergitterstruktur als eine zweite Elektrodenkontaktschicht verwendet wird, kann eine Betriebsspannung verringert werden. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung Kristalldefekte einer lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung ebenso in vorteilhafter Weise verringern wie die Kristallinität einer GaN-Einkristallschicht verbessern, wodurch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der lichtemittierenden 3-5-Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung verbessert werden.

Claims

Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung umfassend ein Substrat (202; 402), eine Pufferschicht (204; 404) auf dem Substrat (202; 402), eine erste Elektrodenschicht (212; 416) auf der Pufferschicht (204; 404), eine aktive Schicht (220; 424) mit einer mehrfach Quanten-Potentialtopf-Struktur, die auf der ersten Elektrodenkontaktschicht (212; 416) angeordnet ist, und eine p-Typ GaN-Schicht (222; 428) mit einer Dicke von 500 bis 5000 Å, die auf der aktiven Schicht (220; 424) angeordnet ist, wobei die erste Elektrodenkontaktschicht (212; 416) eine n-Typ GaN-Schicht umfassend eine Si/In codotierte GaN-Schicht (212; 416) und eine Übergitterschicht (210; 414) unter der Si/In codotierten GaN-Schicht (212; 416).
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine In-dotierte GaN-Schicht (206; 406) zwischen der Si/In codotierten GaN-Schicht (212; 416) und dem Substrat (202; 402).
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die aktive Schicht (220; 424) eine niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht (214; 418) zwischen der aktiven Schicht (220; 424) und der Si/In codotierten GaN-Schicht (212; 416) aufweist, wobei die niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht (214; 418) eine Dicke im Bereich von 10 bis 500 Å aufweist.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pufferschicht (204; 404) als ein Halbleiter auf GaN-Basis ausgebildet ist.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Pufferschicht (204; 404) eine ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer InGaN/GaN-Übergitterstruktur, einer In_xGa_1-xN/GaN-Strukturstruktur und einer Al_xIn_yGa_1-x-yN/In_xGa_1-xN/GaN-Struktur aufweist.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die niedrigmolar In-dotierte GaN-Schicht (214; 418) eine Zusammensetzung aus In_xGa_1-xN hat, wobei 0 < x ≤ 0.2 gilt.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die aktive Schicht (220; 424) mehrere abwechselnd aufeinander gestapelte Potentialtopf-Schichten and Barriere-Schichten aufweist, wobei die Potentialtopf-Schichten aus InGaN mit einer Dicke von 5 bis 30 Å ausgebildet sind.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die p-Typ GaN-Schicht (222; 428) ferner eine In-dotierte GaN-Schicht (426) umfasst.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Übergitterschicht (210; 408, 414) eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Struktur umfasst.
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend eine zweite Elektrodenkontaktschicht (224; 430) auf der p-Typ GaN-Schicht (222; 428).
Lichtemittierende 3-5 Nitrid-Verbindungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die zweite Elektrodenkontaktschicht (224; 430) eine In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN-Struktur aufweist, wobei 0 < x ≤ 0.2 und 0 < y ≤ 0.2 gilt.