DE202005021990U1

DE202005021990U1 - Lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE202005021990U1
Application number: DE202005021990U
Authority: DE
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2012-01-31
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: EP2306528A2; KR100662191B1; WO2006068376A1; CN101577305B; DE202005021971U1; CN101577305A; US20100289002A1; EP1829120A4; US9190567B2; US20140183449A1; EP2306528A3; JP2008526014A; US20090166606A1; EP2306529A2; US7791062B2; US20120313109A1; US8969849B2; EP1829120A1; CN101069289A; US8674340B2

Abstract

Lichtemittierende Vorrichtung umfassend: eine erste Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409), eine aktive Schicht (411) auf der ersten Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409), eine mit p-Typ-Fremdstoffen deltadotierte GaN-Schicht (413) auf der aktiven Schicht (411), wobei die aktive Schicht (411) umfasst: eine Potentialtopfstruktur zum Emittieren von Licht, die erste Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409) zumindest eine von einer n-GaN-Schicht (407) und/oder eine InGaN-Schicht (405, 409) und/oder eine Übergitterstruktur aus AlGaN/GaN, wobei die p-Typ Fremdstoffe ein Dotierprofil haben, umfassend mehrere Scheitelpunkte durch die Tiefe der mit p-Typ Fremdstoffen deltadotierten GaN-Schicht (413).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung hiervon, und eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung, welche die optische Leistung erhöhen und die Zuverlässigkeit verbessern kann, indem eine zu der elektrischen Leitfähigkeit in einer Elektrodenkontaktschicht beitragende Leerstellenträgerkonzentration bzw. Leerstellenträgerdichte erhöht wird, um die Rekombinationswahrscheinlichkeit von Elektronen und Leerstellen zu erhöhen.
Stand der Technik
Nachstehend werden eine schematische Schichtstruktur einer herkömmlichen lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung und ein Herstellungsverfahren hiervon beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung.
Mit Bezug auf 1 weist eine herkömmliche lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung ein Substrat 101, eine Pufferschicht 103, eine n-GaN-Schicht 105, eine aktive Schicht 107 und eine p-GaN-Schicht 109 auf. Hierbei kann das Substrat 101 als ein Saphir-Substrat veranschaulicht werden.
Nun wird ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung beschrieben werden. Um das Auftreten von Kristalldefekten aufgrund von Unterschieden in den Gitterkonstanten und den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 101 und der n-GaN-Schicht 105 zu minimieren, wird ein Nitrid auf GaN-Basis oder ein Nitrid auf AlN-Basis mit einer amorphen Phase bei einer niedrigen Temperatur als die Pufferschicht 103 ausgebildet.
Die mit Silizium bei einer Dotierungsdichte von 10¹⁸/cm³ dotierte n-GaN-Schicht 105 wird bei einer hohen Temperatur als eine erste Elektrodenkontaktschicht ausgebildet. Hiernach wird die Temperatur gesenkt und wird die aktive Schicht 107 ausgebildet. Hiernach wir die Wachstumstemperatur erneut angehoben und wird die p-GaN-Schicht 109, die mit Magnesium (Mg) dotiert ist und einen Dickenbereich von 0,1–0,5 μm aufweist, als eine zweite Elektrodenkontaktschicht ausgebildet. Die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung mit der vorstehend erwähnten Schichtstruktur wird in einer p-/n-Übergangsstruktur ausgebildet, welche die n-GaN-Schicht 105 als die erste Elektrodenkontaktschicht verwendet und die p-GaN-Schicht 109 als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendet.
Des weiteren ist ein auf der zweiten Elektrodenkontaktschicht ausgebildetes zweites Elektrodenmaterial in Abhängigkeit von einem Dotierungstyp der zweiten Elektrodenkontaktschicht begrenzt. Um beispielsweise den Kontaktwiderstand zwischen dem zweiten Kontaktmaterial und der p-GaN-Schicht 109 mit einer hohen Widerstandskomponente zu verringern und die Stromausbreitung zu verbessern, wird ein dünnes, lichtdurchlässiges Widerstandsmaterial aus einer Ni/Au-Legierung als das zweite Elektrodenmaterial verwendet.
Um die als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendete p-GaN-Schicht 109 auszubilden, setzt die lichtemittierende Vorrichtung des p-/n-Übergangs, die den Nitridhalbleiter verwendet, eine Dotierungsquelle von Cp₂Mg oder DMZn ein.
In dem Fall von DMZn ist die Leerstellenträgerdichte, die als ein Träger dient, wenn eine Vorspannung angelegt wird, auf etwa 1 × 10¹⁷/cm³ begrenzt, da sich Zn innerhalb der p-GaN-Schicht 109 auf einem 'tiefen Energieniveau' befindet und eine sehr hohe Aktivierungsenergie aufweist. Demgemäß wird Cp₂Mg MO (metallorganisch) mit einer niedrigen Aktivierungsenergie als die Dotierungsquelle verwendet.
Des weiteren werden, wenn die Mg-dotierte p-GaN-Schicht 109 mit einem Dickenbereich von 0,1–0,5 μm unter Verwendung einer Dotierungsquelle von Cp₂Mg mit der gleichen Flussrate oder durch sequentielles Variieren der Flussrate von Cp₂Mg aufgebaut wird, in der p-GaN-Schicht 109 von der Dotierungsquelle separiertes Wasserstoffgas (H) und NH₃-Trägergas kombiniert, um einen Mg-H-Komplex auszubilden, der eine Isolierungscharakteristik eines hohen Widerstands von mehr als –10⁶ Ω zeigt. Demgemäß ist, um während des Rekombinationsprozesses von Leerstellen und Elektronen in der aktiven Schicht 107 Licht zu emittieren, ein Aktivierungsprozess essentiell erforderlich, um die Bindung des Mg-H-Komplexes zu brechen. Nachdem die Mg-dotierte p-GaN-Schicht 109 einen hohen Widerstand aufweist, kann sie nicht ohne Änderung verwendet werden. Der Aktivierungsprozess wird mittels eine Glühprozesses bei einem Temperaturbereich von 600–800°C in einer Umgebung von N₂, N₂/O₂ durchgeführt. Da jedoch in der p-GaN-Schicht 109 vorliegendes Mg einen niedrigen Aktivierungswirkungsgrad aufweist, weist es im Vergleich mit der als die erste Elektrodenkontaktschicht verwendeten n-GaN-Schicht 105 einen vergleichsweise hohen Widerstandswert auf. Unter realen Bedingungen liegt nach dem Aktivierungsprozess die Atomdichte von Mg in der p-GaN-Schicht 109 in einem Bereich von 10¹⁹/cm³–10²⁰/cm³ und liegt die Leerstellenträgerdichte, die zu einer reinen Trägerleitfähigkeit beiträgt, in einem Bereich von 10¹⁷/cm³–10¹⁸/cm³, was einem Unterschied eines maximal 10²-Fachen entspricht. Es wird auch berichtet, dass die Leerstellenbeweglichkeit 10 cm²/Vsec beträgt, was ein sehr niedriger Wert ist. 2 ist eine schematische Ansicht, welche einen Schnittaufbau der herkömmlichen Mg-dotierten p-GaN-Schicht und ein Mg-Profil innerhalb der Mg-dotierten p-GaN-Schicht nach Durchführung des Aktivierungsprozesses zeigt. Mit Bezug auf 2 kann gesehen werden, dass die Atomdichte von Mg und die Leerstellenträgerdichte einen Unterschied eines maximal 10³-Fachen zeigen.
Indessen verursacht die in der p-GaN-Schicht 109 verbleibende Mg-Atomdichte ohne eine vollständige Aktivierung vielfältige Probleme. Zum Beispiel wird Licht, welches aus der aktiven Schicht in Richtung der Oberfläche emittiert, eingefangen, um die optische Leistung zu verringern, oder wenn ein hoher Strom angelegt wird, wird aufgrund eines vergleichsweise hohen Widerstandswerts Wärme erzeugt, sodass die Lebensdauer der lichtemittierenden Vorrichtung verkürzt ist, was einen schwerwiegenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit hat. Speziell in dem Fall einer 10 × 10-lichtemittierenden Vorrichtung großer Abmessung/hoher Leistung unter Verwendung einer Flip-Chip-Technik wird, nachdem ein Strom von 350 mA, der sehr viel höher ist als ein herkömmlicher Strom von 20 mA, zugeführt wird, eine Verbindungstemperatur von mehr als 100°C an einer Übergangsfläche erzeugt, was einen schwerwiegenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Vorrichtung hat und eine Begrenzung der Produktanwendbarkeit in der Zukunft bewirkt. Die große erzeugte Wärme wird durch eine Erhöhung der Widerstandskomponente aufgrund der in der als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht 109 verbleibenden Mg-Atomdichte, ohne als Träger aktiviert zu werden, und eine raue Oberflächeneigenschaft aufgrund der Erhöhung der Widerstandskomponente verursacht.
Des weiteren kann in der herkömmlichen lichtemittierenden Vorrichtung mit p-/n-Übergang die als die erste Elektrodenkontaktschicht verwendete n-GaN-Schicht 105 die Leerstellendichte leicht innerhalb von 5–6 × 10¹⁸/cm³ innerhalb einer kritischen Dicke gesteuert werden, was die Kristallinität proportional zu der Silizium-Dotierungsdichte in Abhängigkeit von einer Erhöhung der Flussrate von SiH₄ oder Si₂H₆ sicherstellt, während in der als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht 109 die Leerstellendichte, die im wesentlichen als Träger dienen, innerhalb eines Bereichs von 1–9 × 10¹⁷/cm³ begrenzt ist, obschon die Flussrate von Cp₂Mg erhöht ist und Mg-Atome von mehr als maximal –10²⁰/cm³ dotiert sind. Zu diesem Zweck wird die herkömmliche lichtemittierende Vorrichtung in einer p-/n-Übergangsstruktur mit einem asymmetrischen Dotierungsprofil hergestellt.
Wie vorstehend erwähnt, bewirken die niedrige Trägerdichte und die hohe Widerstandskomponente der als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht 109, dass der Lichtemissionswirkungsgrad verringert ist.
Um das vorstehende Problem zu lösen, ist ein herkömmliches Verfahren zum Erhöhen der optischen Leistung durch Einsatz von Ni/Au TM (transparentes dünnes Metall) mit einer guten Lichtdurchlässigkeit und einem niedrigen Kontaktwiderstand vorgeschlagen worden. Das herkömmliche Verfahren beeinflusst jedoch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung negativ, wenn es auf eine lichtemittierende Vorrichtung großer Abmessung/hoher Leistung angewendet wird. Dieses Problem ist nach wie vor ungelöst bei lichtemittierenden Vorrichtungen, welche den GaN-Halbleiter verwenden.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Die vorliegende Erfindung stellt eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bereit, welche die Eigenschaft einer p-GaN-Schicht, welche die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bildet, verbessern kann.
Des weiteren stellt die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bereit, welche die optische Leistung und Zuverlässigkeit verbessern kann.
Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bereit, welche die durch die niedrige Leerstellenträgerdichte und Beweglichkeit der Mg-dotierten, als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendeten p-GaN-Schicht und eine hohe Widerstandskomponente einer Mg-Atomdichte (einschließlich Mg-H-Komplex), die vollständig inaktiviert in der p-GaN-Schicht verbleibt, verursachten Probleme überwinden und die optische Leistung und Zuverlässigkeit verbessern kann.
Technische Lösung
Es wird eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bereitgestellt, welche aufweist: eine erste Nitridhalbleiterschicht; eine aktive Schicht, welche oberhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht ausgebildet ist; und eine deltadotierte zweite Nitridhalbleiterschicht, die oberhalb der aktiven Schicht ausgebildet ist.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bereitgestellt, welche aufweist: eine Pufferschicht; eine erste Nitridhalbleiterschicht, die oberhalb der Pufferschicht ausgebildet ist; eine erste Elektrodenkontaktschicht, die oberhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht ausgebildet ist; eine aktive Schicht, die oberhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht in einer einfachen Quantenpotentialtopfstruktur oder einer mehrfachen Quantenpotentialtopfstruktur, die aus einer Potentialtopfschicht und einer Sperrschicht besteht, ausgebildet ist; und eine deltadotierte zweite Nitridhalbleiterschicht, die oberhalb der aktiven Schicht ausgebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung, das nicht unter den Schutz des vorliegenden Gebrauchsmusters fällt, weist beispielsweise auf: Ausbilden einer Pufferschicht oberhalb eines Substrats; Ausbilden einer ersten Nitridhalbleiterschicht oberhalb der Pufferschicht; Ausbilden einer aktiven Schicht oberhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht; und Ausbilden einer deltadotierten zweiten Nitridhalbleiterschicht oberhalb der aktiven Schicht.
Vorteilhafte Wirkungen
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Charakteristik der die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung bildenden p-GaN-Schicht verbessert, ist die optische Leistung der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung verbessert, ist das Phänomen eines Abfallens der optischen Leistung verbessert, und ist die Zuverlässigkeit gegen ESD (elektrostatische Entladung) verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der Geist der vorliegenden Erfindung wird aus den begleitenden Zeichnungen ersichtlicher verstanden werden. In den Zeichnungen:
ist 1 eine schematische Ansicht, welche eine Schichtstruktur einer herkömmlichen lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung zeigt;
ist 2 eine schematische Ansicht, welche eine Schnittstruktur der herkömmlichen Mg-dotierten p-GaN-Schicht und ein Mg-Profil innerhalb der Mg-dotierten p-GaN-Schicht nach Durchführung des Aktivierungsprozesses zeigt;
ist 3 eine schematische Ansicht, welche eine Flussrate einer Cp₂Mg-Deltadotierung gemäß einer Wachstumszeit darstellt;
ist 4 ein Graph, welcher ein Mg-Dotierungsprofil, bevor und nachdem ein anschließender Aktivierungsprozess nach einem Kristallwachstum für ein Cp₂Mg-deltadotiertes p-GaN vollendet ist;
ist 5 ein Graph, welcher ein elektrisches Feldprofil zeigt, nachdem ein anschließender Aktivierungsprozess einer Cp₂Mg-deltadotierten p-GaN-Schicht vollendet ist;
ist 6 eine schematische Ansicht, welche eine Schichtstruktur einer lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
ist 7 eine schematische Ansicht, welche eine Schichtstruktur einer lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend wird eine Ausführungsform gemäß dem Geist der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Herstellungsverfahren eines Nitridhalbleiters ein Cp₂Mg-Deltadotierungsprozess durchgeführt wird, um eine p-GaN-Schicht aufzubauen, und der Cp₂Mg-Deltadotierungsprozess wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 bis 5 beschrieben.
3 ist eine schematische Ansicht, welche eine Flussrate einer Cp₂Mg-Deltadotierung gemäß einer Wachstumszeit darstellt.
Gemäß 3 wird nach Aufbauen bzw. Züchten einer Licht emittierenden aktiven Schicht eine undotierte GaN-Schicht von weniger als 200 Å aufgebaut, um einen während des Wachstums der aktiven Schicht ausgebildeten „V”-Grubendefekt zu schützen, und die Flussrate von Cp₂Mg wird von 0 cc bis 1000 cc innerhalb eines Dickenbereichs von 10–200 Å eingestellt, um eine deltadotierte GaN-Schicht auszubilden. 3 zeigt ein Mg-deltadotiertes GaN, welches durch fortlaufendes Wiederholen einer aus undotierter GaN-Schicht/deltadotierter GaN-Schicht bestehenden Periode aufgebaut wird. Bei dem vorstehenden Kristallaufbauverfahren wird nur die Flussrate von Cp₂Mg verändert, wird die Wachstumstemperatur auf 1000°C festgelegt und werden die anderen Bedingungen so festgelegt, dass die Kristallinität aufrechterhalten wird.
Beim Aufbauen bzw. Wachsen der Mg-deltadotierten GaN-Schicht kann die Dicke jeder der undotierten GaN-Schicht der deltadotierten GaN-Schicht, die eine Periode bilden, variiert werden. Ebenso kann beim wiederholten Aufbauen bzw. Wachsen einer Periode undortierter GaN-Schicht/deltadotierter GaN-Schicht die Dosis in jeder Periode variiert werden. Indessen kann eine Gesamtdicke der zwei eine Periode bildenden Schichten innerhalb eines Dickenbereichs von 10–300 Å eingestellt werden.
4 ist ein Graph, welcher ein Mg-Dotierungsprofil vor und nach Vollendung eines anschließenden Aktivierungsprozesses nach einem Kristallwachstum für Cp₂Mg-deltadotiertes p-GaN zeigt.
Mit Bezug auf 4 kann, wenn das Deltadotieren mit Cp₂Mg der gleichen Menge bei einer konstanten Periode vor dem anschließenden Aktivierungsprozess wiederholt wird, die deltadotierte GaN-Schicht mit einem scharfen Mg-Dotierungsprofil an einer Grenze zwischen den undotierten GaN-Schichten erhalten werden. Danach wird, während der anschließende Aktivierungsprozess durchgeführt wird, Mg in die undotierten GaN-Schichten beider Seiten diffundiert, sodass ein weites Mg-Dotierungsprofil erhalten wird. Mittels des vorstehenden anschließenden Aktivierungsprozesses weist die p-GaN-Schicht insgesamt ein einheitliches Mg-Dotierungsprofil auf.
Im Allgemeinen kann gesehen werden, dass, wenn eine Vorwärtsvorspannung an die undotierte GaN-Schicht angelegt wird, sich die Betriebsspannung erhöht. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Betriebsspannung wirksam auf weniger als 3,5 V (20 mA) verringert werden, um die optische Leistung der lichtemittierenden Vorrichtung durch Steuern der Dicke der Cp₂Mg-deltadotierten p-GaN-Schicht und der Dicke der undotierten GaN-Schicht zu erhöhen.
5 ist ein Graph, welcher ein elektrisches Feldprofil nach Vollendung eines anschließenden Aktivierungsprozesses einer Cp₂Mg-deltadotierten p-GaN-Schicht zeigt.
Mit Bezug auf 5 kann gesehen werden, dass das Leerstellenträgerdichteprofil in den Cp₂Mg-deltadotierten Regionen, die sich periodisch wiederholen, vergleichsweise hoch ist. Daher erhöht sich in den Cp₂Mg-deltadotierten Regionen ein Potenzial, um eine elektrische Felddotierung auszubilden. Demgemäß kann wie in einer HEMT-2DEG-Struktur (zweidimensionale elektronische Potentialtopfschicht), welche eine mit hoher Geschwindigkeit schaltende Vorrichtung unter Verwendung einer Energiebandabstandsdifferenz (Übergang AlGaN/GaN) ist, ein Potentialtopf ausgebildet werden, um den Strom von Leerstellen gleichermaßen gleichmäßig und wirksam zu steuern, um einen zweidimensionalen Strom von Elektronen wirksam zu steuern. Im Ergebnis kann gesehen werden, dass der Leerstelleninjektionswirkungsgrad durch der Potentialtopf erhöht wird.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung gesehen werden kann, weist die durch den herkömmlichen Stand der Technik aufgebaute p-GaN-Schicht ein Problem derart auf, dass dann, wenn eine Vorwärts-Vorspannung angelegt wird, eine hohe Widerstandkomponente hiervon einen Stromfluss in umgekehrter Proportionalität mit einem Abstand von einer Elektrodenkontaktoberfläche zu einer oberen Oberfläche hiervon scharf verringert, während bei der vorliegenden Erfindung die PotenzialPotentialtopfschicht die Stromdichte wirksamer erhöhen kann, um die optische Leistung der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern.
Des weiteren kann durch das Deltadotieren mit Cp₂Mg, nachdem das Dotierungselement einheitlich, wiederholt und periodisch bei einem vergleichsweise sehr geringen Betrag dotiert wird und dann der Aktivierungsprozess für die p-GaN-Schicht optimiert und durchgeführt wird, die Atomdichte von Mg, Mg-H-Komplex und dergleichen, die darin vorliegen, verringert werden, um die Widerstandskomponente soweit wie möglich zu unterdrücken. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung erhöht die Leerstellenträgerdichte, die rein zu der elektrischen Leitfähigkeit beiträgt, um hierdurch die Rekombinationswahrscheinlichkeit mit Elektronen zu erhöhen und schließlich die optische Leistung wirksam zu erhöhen. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Kristallzüchtungstechnik hohen Niveaus bereit, welche die Widerstandskomponente verringern kann, um die Zuverlässigkeit der lichtemittierenden Vorrichtung zu verbessern.
Nachstehend wird eine konkrete Ausführungsform der lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
6 ist eine schematische Ansicht, welche eine Schichtstruktur einer lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf 6 weist die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Substrat 401, eine Pufferschicht 403, eine In-dotierte GaN-Schicht 405, eine n-GaN-Schicht 407, eine niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht oder niedrigmolare InGaN-Schicht 409, eine aktive Schicht 411, und eine Mg-deltadotierte p-GaN-Schicht 413 auf. Die Mg-deltadotierte p-GaN-Schicht 413 ist im Einzelnen unter Bezugnahme auf 3 bis 5 beschrieben worden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren der lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in weiteren Einzelheiten beschrieben werden.
Zuerst wird bei der vorliegenden Ausführungsform nur H2-Trägergas bei einer hohen Temperatur auf das Saphir-Substrat 401 geleitet, um das Saphir-Substrat 401 zu reinigen. Danach wird in einem Schritt eines Verringerns der Wachstumstemperatur auf 540°C NH₃-Quellengas zugeführt, um eine Nitrierung des Saphir-Substrats 401 für beispielsweise sieben Minuten durchzuführen.
Danach wird die Pufferschicht 403, welche eine Struktur von erstem AlInN/erstem GaN/zweitem AlInN/zweitem GaN aufweist, zu einer Dicke von etwa 500 Å aufgebaut. Hierbei kann die Pufferschicht 403 in einer Struktur ausgebildet werden, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Schichtstruktur von AlInN/GaN, einer Supergitterstruktur von InGaN/GaN, einer Schichtstruktur von In_x-Ga_1-xN/GaN, und einer Schichtstruktur von Al_xIn_yGa_1-(x+y)N/In_xGa_1-xN/GaN besteht. Dann wird die Wachstumstemperatur für sechs Minuten bis auf 1060°C erhöht, wird die Niedertemperatur-Pufferschicht 403 in einer Gemischumgebung von NH₃-Quellengas und H2-Trägergas für zwei Minuten rekristallisiert und wird bei der gleichen Wachstumstemperatur die Indium-dotierte GaN-Schicht 405, die etwa 2 μm Dicke aufweist, in einem einzigen Kristall aufgebaut.
Danach wird die Wachstumstemperatur auf 1050°C gesenkt, und wird die bei der gleichen Wachstumstemperatur mit Silizium und Indium kodotierte n-GaN-Schicht 407 auf eine Dicke von 2 μm aufgebaut. Die n-GaN-Schicht 407 wird als die erste Elektrodenschicht verwendet.
Des weiteren wird, um die Beanspruchung der aktiven Schicht 411 einzustellen, die niedrigmolar In-dotierte GaN-Schicht oder niedrigmolare InGaN-Schicht 409 mit einem Indiumgehalt von 5% (Wellenlänge: 480 nm) bei 750°C auf eine Dicke von 300 Å aufgebaut. Der Indiumgehalt kann in einem Bereich von 1–5% eingestellt werden. Die niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht oder niedrigmolare In-GaN-Schicht 409 wird bewusst in einem 'spiraligen Wachstumsmodus' mit einem gleichmäßigen Profil gesteuert. Hierbei erhöht sich in der niedrigmolar In-dotierten GaN-Schicht oder niedrigmolare InGaN-Schicht 409 die Fläche der aktiven Schicht 411 mit wachsender, bewusst gesteuerter 'Spiraldichte'. Demgemäß kann die niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht oder niedrigmolare InGaN-Schicht 409 eine Rolle ausführen, welche den Lichtemissionswirkungsgrad erhöhen kann.
Danach wird bei der gleichen Wachstumstemperatur die aktive Schicht 411, die eine Struktur eines einfachen Quantenpotentialtopfs (SQW) vom undotiertem InGaN/InGaN aufweist, aufgebaut. In der aufgebauten aktiven Schicht 411 weist die Sperrschicht einen Indiumgehalt von weniger als 5% und eine Dicke von etwa 250 Å auf. Indessen kann die aktive Schicht 411 in der mehrfachen QuantenPotentialtopfschicht ausgebildet werden.
Danach wird die Wachstumstemperatur erneut auf 1000°C erhöht, wird eine Gesamtdicke auf 0,1 μm festgelegt, wird die Flussrate von TMGa ebenfalls festgelegt, und wird nur die Flussrate von Cp₂Mg von 0 cc bis 1000 cc ein-/ausgeschaltet, um hierdurch den Deltadotierungsprozess durchzuführen. Um die Deltadotierung mit Cp₂Mg wirksam durchzuführen, wird nach Aufbau der Licht emittierenden, aktiven Schicht 411 zuerst die undotierte GaN-Schicht in einem Dickenbereich von 10–200 Å aufgebaut, um die aktive Schicht 411 vollständig derart zu schützen, dass Mg-Atome nicht intern in das auf einer Oberfläche der aktiven Schicht 411 ausgebildete „V”-Grubenkristall diffundieren, und wird dann der Cp₂Mg-Deltadotierungsprozess in einem Dickenbereich von 10–200 Å durchgeführt. Der Cp₂Mg-Deltadotierungsprozess legt die Struktur von undotiertem GaN/deltadotiertem GaN als eine Periode fest und wiederholt die eine Periode fortlaufend innerhalb einer Gesamtdicke von 0,1 μm, um eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer Struktur eines p-/n-Übergangs derart auszubilden, dass eine Widerstandskomponente durch eine Mg-Atomdichte (einschließlich atomarem Mg und Mg-H-Komplex) nach der Aktivierung verringert wird und eine gleichmäßige Trägerdichte erhalten wird.
Nachdem die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung durch die vorstehend erwähnten Prozesse fertiggestellt ist, wird ein Mesa-Ätzen unter Verwendung einer ICP-Ätzvorrichtung durchgeführt und wird die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung in einer Größe von 330 × 205 hergestellt. Eine Variation elektrischer Eigenschaften der hergestellten lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung wird analysiert und untersucht, um ihre Leistungsfähigkeit zu verifizieren. Im Ergebnis liegt die Betriebsspannung (20 mA) unter einer Vorwärts-Vorspannung unterhalb von 3,4 V, was der gleiche Wert wie derjenige im herkömmlichen Stand der Technik ist, jedoch ist die optische Leistung um 50–100% erhöht.
Dass die optische Leistung erhöht ist, liegt daran, dass eine innere Diffusion in den in der Oberfläche der Licht emittierenden aktiven Schicht ausgebildeten „V”-Grubendefekt unterdrückt wird und eine absolute Menge an Mg-Atomen (einschließlich Mg-H-Komplex), das in der Schicht nach dem anschließenden Aktivierungsprozess verbleibt, durch ein Mg-Dotierungsprofil, das geringer ist als dasjenige im herkömmlichen Stand der Technik, verringert ist, aber die zu der elektrischen Leitfähigkeit beitragende Leerstellenträgerdichte erhöht ist.
7 zeigt eine lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 7 weist die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Substrat 401, eine Pufferschicht 403, eine In-dotierte GaN-Schicht 405, eine n-GaN-Schicht 407, eine niedrigmolare In-dotierte GaN-Schicht oder niedrigmolare In-GaN-Schicht 409, eine aktive Schicht 411, eine Mg-deltadotierte p-GaN-Schicht 413 und eine n-InGaN-Schicht 515 auf.
Im Vergleich mit der ersten Ausführungsform weist die vorstehende zweite Ausführungsform einen Unterschied darin auf, dass die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung ferner die n-InGaN-Schicht 515 aufweist. Daher wird nur die n-InGaN-Schicht 515 zusätzlich beschrieben werden, während Beschreibungen anderer Elemente aus derjenigen der ersten Ausführungsform in Bezug genommen werden.
Um eine lichtemittierende Vorrichtung einer n-/p-/n-Übergangsstruktur herzustellen, baut die zweite Ausführungsform zusätzlich zu der lichtemittierenden Vorrichtung der p-/n-Übergangsstruktur die Mg-deltadotierte p-GaN-Schicht 413 auf und baut dann die n-InGaN-Schicht 515 auf, um diese als die zweite Elektrodenkontaktschicht zu verwenden.
Die n-InGaN-Schicht 515, die als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendet wird, wird auf eine Dicke von 50 Å aufgebaut, wobei sie mit Silizium bei einer auf 800°C verringerten Wachstumstemperatur in einer Mischgasumgebung von NH₃-Quellengas und N₂-Trägergas dotiert wird. Indessen wir die n-InGaN-Schicht 515 als die zweite Elektrodenkontaktschicht verwendet und ist ausgelegt, um die Super-Grading-(SG)-Struktur aufzuweisen, bei welcher ein Indiumgehalt eingestellt ist, um das Energiebandabstandsprofil insgesamt zu steuern. Durch das vorstehend erwähnte Verfahren kann die lichtemittierende Nitridhalbleitervorrichtung mit der n-/p-/n-Übergangsstruktur erhalten werden.
Art für die Erfindung
Zusätzlich zu den vorstehenden Ausführungsformen können auf der Grundlage des gleichen Geistes eine Mehrzahl anderer Beispiele angegeben werden.
Zuerst kann ferner auf der n-InGaN-Schicht 515 eine transparente Elektrode ausgebildet werden. Die transparente Elektrode kann aus einer aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrO_x, RuO_x, RuO_x/ITO, Ni/IrO_x/Au und Ni/IrO_x/Au/TTO besteht.
Des weiteren kann, während die zweite Ausführungsform veranschaulicht, dass die n-InGaN-Schicht 515 als die zweite Elektrodenkontaktschicht ausgebildet ist, eine n-In-GaN/InGaN-Supergitterstruktur als die zweite Elektrodenkontaktschicht ausgebildet sein. Alternativ kann ferner zwischen der n-InGaN/InGaN-Supergitterschicht und der Mg-deltadotierten p-GaN-Schicht 413 eine Si-dotierte GaN-Schicht ausgebildet sein.
Zusätzlich veranschaulichen die erste und die zweite Ausführungsform, dass Mg in dem Deltadotierungsprozess deltadotiert wird. Allerdings können durch einen ähnlichen Prozess Mg-Al, Mg-Al-In oder dergleichen ebenso wie Mg-deltadotiert werden. Indessen kann TMAl, TMIn-MO (Metall-organisch) als eine Dotierungsquelle verwendet werden.
Ferner kann die deltadotierte p-GaN-Schicht mit einer Periode ausgebildet werden, die aus einer Struktur von undotiertem AlGaN/deltadotiertem p-GaN besteht, wobei die zwei Schichten, welche die eine Periode bilden, wenigstens zweimal wiederholt aufgebaut werden können, wobei die undotierte AlGaN-Schicht innerhalb eines Dickenbereichs von 10–300 Å mit einem Al-Legierungsbereich von 0,01–0,02 aufgebaut wird.
Ferner kann die deltadotierte p-GaN-Schicht mit einer Periode ausgebildet werden, die aus einer Struktur von undotiertem InGaN/deltadotiertem p-GaN besteht, wobei die zwei Schichten, welche die eine Periode bilden, wenigstens zweimal wiederholt aufgebaut werden können, wobei die undotierte InGaN-Schicht innerhalb eines Dickenbereichs von 10–300 Å mit einem In-Legierungsbereich von 0,01–0,1 aufgebaut wird.
Zusätzlich kann die deltadotierte p-GaN-Schicht mit einer Periode ausgebildet werden, die aus einer Struktur von undotiertem GaN/undotiertem AlGaN-Cap/deltadotiertem p-GaN besteht, wobei die drei Schichten, welche die eine Periode bilden, wenigstens zweimal wiederholt aufgebaut werden, wobei die undotierte Al-GaN-Cap-Schicht innerhalb eines Dickenbereichs von 5–200 Å mit einem Al-Legierungsbereich von 0,01–0,02 aufgebaut wird.
Zusätzlich kann die deltadotierte p-GaN-Schicht mit einer Periode ausgebildet werden, die aus einer Struktur von undotiertem InGaN-dotiertem/undotiertem AlGaN-Cap/deltadotiertem p-GaN besteht, wobei die drei Schichten, welche die eine Periode bilden, wenigstens zweimal wiederholt aufgebaut werden, wobei die undotierte AlGaN-Cap-Schicht innerhalb eines Dickenbereichs von 5–200 Å mit einem Al-Legierungsbereich von 0,01–0,02 aufgebaut wird.
Des weiteren kann bei der ersten und zweiten Ausführungsform die n-GaN-Schicht, welche als die erste Elektrodenkontaktschicht dient, eine n-GaN-Schicht sein, die durch eine Kodotierung von Si und In ausgebildet wird, und kann mit einer Dotierungsdichte von 1–9 × 10¹⁹/cm³ in einem Dickenbereich von 1–4 μm ausgebildet werden.
Zusätzlich kann die erste Elektrodenkontaktschicht mit einer Periode, die aus einer Supergitterstruktur von undotiertem AlGaN/dotiertem GaN besteht, ausgebildet werden, wobei die zwei Schichten, welche die eine Periode bilden, wenigstens zweimal wiederholt mit einer Gesamtdicke von 1–2 μm und einer Al-Legierung von 0,05–0,3 aufgebaut werden kann. Die dotierte GaN-Schicht kann innerhalb eines Dickenbereichs von 200–500 Å ausgebildet werden.
Des weiteren kann die aktive Schicht in einer einfachen Quantenpotentialtopfstruktur oder einer mehrfachen Quantenpotentialtopfstruktur hergestellt werden, welche aus Potentialtopfschicht/SiN_x-Clusterschicht/Sperrschicht besteht, und kann die SiN_x-Clusterschicht durch ein Si-Deltadotierungsverfahren aufgebaut werden. Die SiN_x-Clusterschicht kann durch das Si-Deltadotieren unter Verwendung einer Dotierungsquelle von SiH₄ oder Si₂H₆ allein aufgebaut werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Gemäß der lichtemittierenden Nitridhalbleitervorrichtung und dem Herstellungsverfahren hiervon, die durch die vorliegende Erfindung angeben werden, wird die optische Leistung verbessert, wird das Phänomen einer Leistungsabnahme verbessert, und wird die Zuverlässigkeit gegen ESD (elektrostatische Entladung) verbessert.
Ebenso kann die vorliegende Erfindung auf eine Beleuchtungsvorrichtung angewendet werden, welche hohe optische Leistung und hohe Zuverlässigkeit erfordert.

Claims

Lichtemittierende Vorrichtung umfassend: eine erste Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409), eine aktive Schicht (411) auf der ersten Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409), eine mit p-Typ-Fremdstoffen deltadotierte GaN-Schicht (413) auf der aktiven Schicht (411), wobei die aktive Schicht (411) umfasst: eine Potentialtopfstruktur zum Emittieren von Licht, die erste Nitridhalbleiterschicht (405, 407, 409) zumindest eine von einer n-GaN-Schicht (407) und/oder eine InGaN-Schicht (405, 409) und/oder eine Übergitterstruktur aus AlGaN/GaN, wobei die p-Typ Fremdstoffe ein Dotierprofil haben, umfassend mehrere Scheitelpunkte durch die Tiefe der mit p-Typ Fremdstoffen deltadotierten GaN-Schicht (413).
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dosis von Perioden der deltadotierten GaN-Schichten variiert wird.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine transparente Elektrode über der p-Typ Fremdstoff deltadotierten GaN-Schicht (413), wobei die transparente Elektrode zumindest eine aus der Gruppe bestehend aus ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IG-ZO(In-Ga ZnO), IrO_x, RuO_x, RuO_x/ITO, Ni/IrO_x/Au, und Ni/IrO_x/Au/ITO aufweist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übergitterstruktur eine undotierte AlGaN-Schicht und eine dotierte GaN-Schicht aufweist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht (407) eine n-Typ GaN-Schicht ist und wobei die p-Typ Fremdstoff deltadotierte GaN-Schicht (413) eine p-Typ GaN-Schicht ist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht (407) eine n-GaN-Schicht ist, die durch ein gleichzeitiges Si-In dotieren mit einer Dotierkonzentration im Bereich von 1 × 10¹⁹/cm³–9 × 10¹⁹/cm³ bei einer Dicke im Bereich von 1–4 μm ausgebildet ist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht (407) eine Dicke von weniger als 2 μm aufweist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die p-Typ Fremdstoff deltadotierte GaN-Schicht (413) eine periodische Struktur aufweist und eine Dicke einer Periode dieser periodischen Struktur im Bereich von 10–300 Å liegt.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der p-Typ Fremdstoff Mg ist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der p-Typ Fremdstoff Mg-Al oder Mg-Al-In ist.