DE60034841T2

DE60034841T2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtung bestehend aus einer III-V Nitridverbindung

Info

Publication number: DE60034841T2
Application number: DE60034841T
Authority: DE
Inventors: Naoki Inazawa-shi Kaneyama; Makoto Ama-gun Asai; Katsuhisa Nishikasugai-gun Sawazaki
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: EP1041650B1; EP1041650A3; US6452214B2; EP1041650A2; JP2000286447A; US20020014632A1; JP3567790B2; DE60034841D1; US6762070B2; US20020175332A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung mit einer Lichtemissionsabgabe mit einer hohen Lichtintensität.
Eine Vorrichtung mit einer doppelten Heterostruktur zum Emittieren von grünem oder blauem Licht ist als lichtemittierende Vorrichtung bekannt, die Schichten von Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitern umfasst, die auf ein Substrat laminiert sind. Beispielsweise ist eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer aus Al_xGa_1-xN (0 < x < 1) hergestellten p-Typ Clad-Schicht allgemein bekannt. Bei diesem Typ von lichtemittierenden Vorrichtungen wurde eine p-Typ Kontaktschicht bisher aus Galliumnitrid (GaN) hergestellt.
Wenn eine aus Galliumnitrid (GaN) hergestellte p-Typ Kontaktschicht auf einer aus Al_xGa_1-xN (0 < x < 1) hergestellten p-Typ Clad-Schicht wachsen gelassen wurde, nahm die Differenz sowohl bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht als auch bei der Gitterkonstante zwischen der p-Typ Clad-Schicht und der p-Typ Kontaktschicht mit zunehmendem Wert des Zusammensetzungsverhältnisses x zu.
Wenn die Differenz bei der Kristallgitterkonstante zwischen den zwei Schichten groß wurde, konnte die p-Typ Kontaktschicht kaum als Schicht mit guter Qualität wachsen gelassen werden. Dies führte zu einer Verminderung der Intensität von emittiertem Licht.
Wenn andererseits die Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den zwei Schichten groß wurde, wurde in einem Epitaxialwafer eine Deformation aufgrund der Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht, wenn die Temperatur nach dem Kristallwachstum von einer hohen Temperatur auf Raumtemperatur vermindert wurde. Als Ergebnis verblieb eine Spannung in dem Epitaxialwafer, so dass dies eine Verminderung der Intensität von emittiertem Licht verursachte.
US 5,592,501 betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der Definition im Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung ist so gestaltet, dass sie das vorstehend genannte Problem löst, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer hohen Lichtintensität durch Beseitigen des Nachteils, der durch die Differenz sowohl bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten als auch bei der Gitterkonstante zwischen den vorstehend genannten zwei Schichten verursacht wird.
Dies wird durch die Kombination von Merkmalen in Anspruch 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 definiert.
Die Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiter gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die allgemeine Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt, die ferner Gruppe-III-Elemente wie z.B. Bor (B) und Thallium (TI) enthalten können und in denen der Stickstoff (N) partiell durch Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) oder Bismut (Bi) ersetzt sein kann.
Demgemäß kann jede Schicht, wie z.B. eine Pufferschicht, eine Barriereschicht, eine Muldenschicht, eine Clad-Schicht, eine Kontaktschicht, eine Zwischenschicht, eine Deckschicht, usw., in der lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung aus quartärem, ternärem oder binärem Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1), wie z.B. AIGaN, InGaN oder dergleichen, mit einem optionalem Kristallmischungsverhältnis hergestellt sein.
Ferner kann als Pufferschicht eine Metallnitridverbindung, wie z.B. Titannitrid (TiN), Hafniumnitrid (HfN) oder dergleichen, oder eine Metalloxidverbindung, wie z.B. Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO) oder dergleichen, die von dem vorstehend genannten Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiter verschieden ist, verwendet werden.
Ferner kann als p-Typ Fremdatom ein Gruppe-II-Element, wie z.B. Beryllium (Be), Zink (Zn) oder dergleichen, das von Magnesium (Mg) verschieden ist, verwendet werden.
Ferner kann die n-Typ Halbleiterschicht durch Dotieren des vorstehend genannten Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiters mit einem Gruppe-IV-Element, wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) oder dergleichen, oder mit einem Gruppe-VI-Element gebildet werden.
Ferner kann als das Substrat für das Kristallwachstum Siliziumcarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO) oder dergleichen, die von Saphir verschieden sind, verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird die Zusammensetzung der p-Typ Kontaktschicht der Zusammensetzung der p-Typ Clad-Schicht ähnlich. Somit wird die Differenz bei der Kristallgitterkonstante zwischen den zwei Schichten vermindert, so dass die p-Typ Kontaktschicht mit einer guten Qualität wachsen gelassen werden kann. Somit wird die Intensität von Licht, das von der lichtemittierenden Vorrichtung emittiert wird, verbessert.
Erfindungsgemäß wird auch die Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den zwei Schichten vermindert. Somit wird die Spannung, die in dem Epitaxialwafer verbleibt, vermindert, so dass die Intensität des emittierten Lichts verbessert wird.
Wenn eine p-Typ Kontaktschicht aus Al_yGa_1-yN (0 < y < x), die ein niedrigeres Aluminium (Al)-Zusammensetzungsverhältnis aufweist als eine p-Typ Clad-Schicht aus Al_xGa_1-xN (0 < x < 1), auf der p-Typ Clad-Schicht wachsen gelassen wird, wird der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y von Aluminium (Al) so ausgewählt, dass er vorzugsweise im Bereich von „0,1x ≤ y ≤ 0,7x", mehr bevorzugt im Bereich von „0,4x ≤ y ≤ 0,5x" liegt. Wenn der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y in der p-Typ Kontaktschicht zu groß ist, nimmt der Kontaktwiderstand zwischen der positiven Elektrode und der p-Typ Kontaktschicht zu, was in unerwünschter Weise zu einer Zunahme der Ansteuerspannung der lichtemittierenden Vorrichtung führt. Wenn der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y zu klein ist, ist es schwierig, den vorstehend genannten Betrieb und den vorstehend genannten Effekt der vorliegenden Erfindung zu erhalten, da die Zusammensetzung der p-Typ Kontaktschicht der Zusammensetzung der p-Typ Clad-Schicht nicht so stark ähnelt.
Aus dem gleichen Grund, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird auch der Absolutwert des Zusammensetzungsverhältnisses y von Aluminium (Al) in der p-Typ Kontaktschicht so ausgewählt, dass er vorzugsweise etwa im Bereich von „0,01 ≤ y ≤ 0,12", mehr bevorzugt im Bereich von „0,03 ≤ y ≤ 0,08" liegt. Insbesondere zeigt die lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung die höchste Intensität von emittiertem Licht dann, wenn der Absolutwert des Zusammensetzungsverhältnisses y etwa 0,05 beträgt.
Wie es später detailliert beschrieben wird, besteht eine starke Korrelation zwischen der Lichtemissionsabgabe der lichtemittierenden Vorrichtung und der Dicke der p-Typ Kontaktschicht, wie es in der 2 gezeigt ist. Somit liegt die Dicke der p-Typ Kontaktschicht in einem Bereich von 200 bis 1000 Å, wobei beide Werte eingeschlossen sind, wobei 10 Å = 1 nm. Vorzugsweise liegt die Dicke der p-Typ Kontaktschicht in einem Bereich von 500 Å bis 800 Å, wobei beide Werte eingeschlossen sind. Wenn die Dicke der p-Typ Kontaktschicht in diesem Bereich liegt, zeigt die Lichtemissionsabgabe der lichtemittierenden Vorrichtung einen großen Wert. Ferner zeigt die erfindungsgemäße lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung insbesondere dann die höchste Intensität von emittiertem Licht, wenn die Dicke der p-Typ Kontaktschicht etwa 600 Å beträgt.
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben sind.
In den beigefügten Zeichnungen ist
1 eine typische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung 100 des Drahtbond-Typs,
2 ein Graph, der die Korrelation zwischen der Lichtemissionsabgabe der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung und der Dicke einer p-Typ Kontaktschicht zeigt, und
3 eine typische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung 200 des Flip-Chip-Typs.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend auf der Basis von spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben.
Erste Ausführungsform
Die 1 ist eine Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleitervorrichtung 100 des Drahtbond-Typs zeigt. Eine Pufferschicht 102 aus Aluminiumnitrid (AIN) mit einer Dicke von etwa 200 Å ist auf einem Saphirsubstrat 101 bereitgestellt. Eine n⁺-Schicht mit einer hohen Trägerdichte 103, die aus GaN, das mit Silizium (Si) dotiert ist, hergestellt ist und eine Dicke von etwa 4,0 μm aufweist, ist auf der Pufferschicht 102 ausgebildet.
Eine Zwischenschicht 104 aus undotiertem In_0,03Ga₀ _, ₉₇N mit einer Dicke von etwa 2000 Å ist auf der n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103 ausgebildet.
Eine n-Typ Clad-Schicht 105 aus GaN mit einer Dicke von etwa 150 Å ist ferner auf der Zwischenschicht 104 laminiert. Eine aktive MQW-Schicht 160 mit einer Mehrfachschicht-Quantenmuldenstruktur (MQW-Struktur), die durch abwechselndes Laminieren von Muldenschichten 161 aus Ga₀ _, ₈In₀ _, ₂N mit einer Dicke von jeweils etwa 30 Å und von Barriereschichten 162 aus GaN mit einer Dicke von jeweils etwa 70 Å gebildet wird, ist ferner auf der n-Typ Clad-Schicht 105 ausgebildet. D.h. drei Muldenschichten 161 und zwei Barriereschichten 162 sind abwechselnd laminiert, so dass mit zwei Zyklen eine MQW-Struktur gebildet wird, die eine Filmdicke von etwa 230 Å aufweist und die aus insgesamt fünf Schichten zusammengesetzt ist.
Eine Deckschicht 107 aus GaN mit einer Dicke von etwa 140 Å und eine p-Typ Clad-Schicht 108 aus p-Typ Al₀ _, ₁₂Ga₀ _, ₈₈N mit einer Dicke von etwa 200 Å sind nacheinander auf der aktiven MQW-Schicht 160 ausgebildet. Eine p-Typ-Kontaktschicht 109 aus p-Typ Al_0,05Ga_0,95N mit einer Dicke von etwa 600 Å ist ferner auf der p-Typ Clad-Schicht 108 ausgebildet.
Ferner ist eine lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110 auf der p-Typ Kontaktschicht 109 mittels Metallverdampfung ausgebildet worden, während eine negative Elektrode 140 auf der n⁺-Schicht 103 ausgebildet ist. Die lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110 ist aus einer ersten positiven Dünnfilmelektrodenschicht 111 aus Cobalt (Co) mit einer Dicke von etwa 15 Å, die mit der p-Typ Kontaktschicht 109 verbunden ist, und einer zweiten positiven Dünnfilmelektrodenschicht 112 aus Gold (Au) mit einer Dicke von etwa 60 Å, die mit dem Co verbunden ist, zusammengesetzt.
Eine positive Dickfilmelektrode 120 ist durch aufeinander folgendes Laminieren einer ersten Dickfilmelektrodenschicht 121 aus Vanadium (V) mit einer Dicke von etwa 175 Å, einer zweiten Dickfilmelektrodenschicht 122 aus Gold (Au) mit einer Dicke von etwa 15000 Å und einer dritten Dickfilmelektrodenschicht 123 aus Aluminium (Al) mit einer Dicke von etwa 100 Å auf der lichtdurchlässigen positiven Dünnfilmelektrode 110 ausgebildet worden. Die negative Elektrode 140 mit einer Mehrschichtstruktur ist durch aufeinanderfolgendes Laminieren einer Vanadium (V)-Schicht 141 mit einer Dicke von etwa 175 Å und einer Aluminium (Al)-Schicht 142 mit einer Dicke von etwa 1,8 μm auf einem partiell freiliegenden Abschnitt der n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103 ausgebildet worden.
Ferner ist ein Schutzfilm 130, der aus einem SiO₂-Film aufgebaut ist, als der oberste Abschnitt ausgebildet. Ferner ist eine Reflexionsmetallschicht 150 aus Aluminium mit einer Dicke von etwa 5000 Å als gegenüber liegender unterster Abschnitt auf der Bodenfläche des Saphirsubstrats 101 mittels Metallverdampfen ausgebildet worden.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung 100 beschrieben.
Die vorstehend genannte lichtemittierende Vorrichtung 100 wurde mit einem Dampfphasenwachstum gemäß einem metallorganischen Dampfphasenepitaxieverfahren (MOVPE-Verfahren) erzeugt. Die verwendeten Gase waren Ammoniak (NH₃), Trägergas (H₂, N₂), Tri methylgallium (Ga(CH₃)₃) (nachstehend als „TMG" bezeichnet), Trimethylaluminium (Al(CH₃)₃) (nachstehend als „TMA" bezeichnet), Trimethylindium (In(CH₃)₃) (nachstehend als „TMI" bezeichnet), Silan (SiH₄) und Cyclopentadienylmagnesium (Mg(C₅H₅)₂) (nachstehend als „CP₂Mg" bezeichnet).
Als erstes wurde ein Einkristall-Saphirsubstrat 101, bei dem eine Fläche a mit einem organischen Reinigungsverfahren als Hauptfläche gereinigt worden ist, an einem Heizer angebracht, der in einer Reaktionskammer einer MOVPE-Vorrichtung angeordnet wurde. Dann wurde das Substrat 101 bei einer Temperatur von 1150°C gebrannt, während H₂ unter normalem Atmosphärendruck in die Reaktionskammer eingeführt wurde.
Dann wurde eine Pufferschicht 102 aus AIN mit einer Dicke von etwa 200 Å durch Senken der Temperatur des Substrats 101 auf 400°C und Zuführen von H₂, NH₃ und TMA gebildet.
Dann wurde eine n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103, die aus GaN, das mit Silizium (Si) dotiert worden ist, hergestellt war und eine Filmdicke von etwa 4,0 μm und eine Elektronendichte von 2 × 10¹⁸/cm³ aufwies, durch Erhöhen der Temperatur des Substrats 101 auf 1150°C und durch Zuführen von H₂, NH₃, TMG und Silan gebildet.
Dann wurde eine Zwischenschicht 104 aus In₀ _, ₀₃Ga₀ _, ₉₇N mit einer Dicke von etwa 2000 Å durch Senken der Temperatur des Substrats 101 auf 850°C und durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃, TMG und TMI gebildet.
Nachdem die Zwischenschicht 104 gebildet worden ist, wurde eine n-Typ Clad-Schicht 105 aus GaN mit einer Dicke von etwa 150 Å durch Halten der Temperatur des Substrats 101 bei 850°C und durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃ und TMG gebildet.
Dann wurde eine Muldenschicht 161 aus Ga₀ _, ₈In₀ _, ₂N mit einer Dicke von etwa 30 Å durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃, TMG und TMI gebildet. Dann wurde eine Barriereschicht 162 aus GaN mit einer Dicke von etwa 70 Å durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃ und TMG gebildet.
Dann wurden eine Muldenschicht 161, eine Barriereschicht 162 und eine Muldenschicht 161 aufeinander folgend unter den gleichen Bedingungen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, gebildet, um dadurch eine aktive MQW-Schicht 160 mit einer Dicke von etwa 230 Å mit insgesamt zwei Zyklen zu bilden.
Eine Deckschicht 107 aus GaN mit einer Dicke von etwa 140 Å wurde ferner durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃ und TMG gebildet.
Dann wurde eine p-Typ Clad-Schicht 108, die aus p-Typ Al₀ _, ₁₂Ga₀ _, ₈₈N, das mit Magnesium (Mg) dotiert war, hergestellt und etwa 200 Å dick war, durch Halten der Temperatur des Substrats 101 bei 1150°C und durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃, TMG, TMA und CP₂Mg gebildet.
Dann wurde eine p-Typ Kontaktschicht 109, die aus p-Typ Al₀ _, ₀₅Ga₀ _, ₉₅N, das mit Magnesium (Mg) dotiert war, hergestellt und etwa 600 Å dick war, durch Halten der Temperatur des Substrats 101 bei 1100°C und durch Zuführen von entweder N₂ oder H₂, NH₃, TMG, TMA und CP₂Mg gebildet.
Dann wurde auf der p-Typ Kontaktschicht 109 eine Ätzmaske gebildet. Nachdem ein vorgegebener Bereich der Maske entfernt worden ist, wurde der nicht-maskierte Abschnitt der p-Typ Kontaktschicht 109, der p-Typ Clad-Schicht 108, der aktiven MQW-Schicht 160, der Zwischenschicht 104 und ein Teil der n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103 mit einem Chlorenthaltenden Gas durch reaktives Ionenätzen geätzt, so dass eine Oberfläche der n⁺-Schicht 103 freigelegt wurde.
Dann wurden eine negative Elektrode 140, die mit der n⁺-Schicht 103 verbunden werden soll, und eine lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110, die mit der p-Typ Kontaktschicht 109 verbunden werden soll, mit dem folgenden Verfahren gebildet.

(1) Nach dem Evakuieren zu einem Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–4 Pa oder weniger wurde eine erste positive Dünnfilmelektrodenschicht 111 aus Co mit einer Dicke von etwa 15 Å gleichmäßig auf einer Oberfläche ausgebildet und ferner wurde eine zweite positive Dünnfilmelektrodenschicht 112 aus Au mit einer Dicke von etwa 60 Å auf der ersten positiven Dünnfilmelektrodenschicht 111 aus Co durch eine Verdampfungsvorrichtung gebildet.
(2) Dann wurde ein Photolack gleichmäßig auf eine Oberfläche aufgebracht und dann wurde der auf der p-Typ Kontaktschicht 109 laminierte Photolack, mit Ausnahme des die lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110-bildenden Abschnitts, mittels Photolithographie entfernt.
(3) Dann wurden sowohl Co als auch Au durch Ätzen entfernt und dann wurde der Photolack entfernt, so dass die lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110 auf der p-Typ Kontaktschicht 109 gebildet wurde.
(4) Dann wurde ein Photolack aufgebracht und ein Fenster wurde in einem vorgegebenen Bereich auf der freiliegenden Oberfläche der n⁺-Schicht 103 mittels Photolithographie gebildet. Nach der Evakuierung zu einem Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–4 Pa oder weniger wurden eine Vanadium (V)-Schicht 141 mit einer Dicke von etwa 175 Å und eine Aluminium (Al)-Schicht 142 mit einer Dicke von etwa 1,8 μm aufeinander folgend durch Verdampfen gebildet. Dann wurde der Photolack entfernt. Als Ergebnis war die negative Elektrode 140 auf der freiliegenden Oberfläche der n⁺-Schicht 103 gebildet worden.
(5) Dann wurde ein Erwärmungsverfahren zum Vermindern des Kontaktwiderstands zwischen der p-Typ Kontaktschicht 109 und der lichtdurchlässigen positiven Dünnfilmelektrode 110 durchgeführt. D.h. die Atmosphäre für die Probe wurde mit einer Vakuumpumpe evakuiert und O₂-Gas wurde zugeführt, um dadurch einen Druck von 10 Pa einzustellen. In diesem Zustand wurde ein Erhitzen für etwa 4 min durchgeführt, um die Atmosphärentemperatur bei etwa 570°C zu halten.

Um ferner eine positive Dickfilmelektrode 120 auf der lichtdurchlässigen positiven Dünnfilmelektrode 110, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren gebildet worden ist, zu bilden, wurde ein Photolack gleichmäßig auf die lichtdurchlässige positive Dünnfilmelektrode 110 aufgebracht und ein Fenster wurde in dem die positive Dickfilmelektrode 120-bildenden Abschnitt des Photolacks gebildet. Dann wurden auf der lichtdurchlässigen positiven Dünnfilmelektrode 110 eine Vanadium (V)-Schicht 121 mit einer Dicke von etwa 175 Å, eine Gold (Au)-Schicht 122 mit einer Dicke von etwa 15000 Å und eine Aluminium (Al)-Schicht 123 mit einer Dicke von etwa 100 Å nacheinander durch Verdampfen gebildet. Auf diese Weise wurde die positive Dickfilmelektrode 120 mit einem Abhebeverfahren in der gleichen Weise wie im Schritt (4) gebildet.
Dann wurde ein Schutzfilm 130 aus SiO₂ gleichmäßig auf der nach oben hin freiliegenden obersten Schicht mittels Elektronenstrahlverdampfen gebildet und ein Fenster wurde in jedem der Abschnitte des Schutzfilms 130 auf der positiven Dickfilmelektrode 120 und der negativen Elektrode 140 durch Nassätzen durch das Aufbringen eines Photolacks und ein Photolithographieverfahren gebildet, so dass die positive und die negative Elektrode 120 und 140 extern freilagen und die Fenster etwa gleiche Flächen aufwiesen.
Auf diese Weise wurde die lichtemittierende Vorrichtung 100 gebildet. Ferner gelten die folgenden Ausdrücke (1) und (2) für die p-Typ Clad-Schicht 108 aus Al_xGa_1-xN (0 < x < 1) und die p-Typ Kontaktschicht 109 aus Al_yGa_1-yN (0 < y < x) in der lichtemittierenden Vorrichtung 100. y/x = 0,05/0,12 = 0,417 (1) 0,1x ≤ y ≤ 0,7x (2)
Durch die Bildung der lichtemittierenden Vorrichtung 100 in der vorstehend beschriebenen Weise wurde die Zusammensetzung der p-Typ Kontaktschicht der Zusammensetzung der p-Typ Clad-Schicht relativ stark angenähert. Somit wurde die Differenz bei der Kristallgitterkonstante zwischen den zwei Schichten vermindert, so dass die p-Typ Kontaktschicht mit einer guten Qualität wachsen gelassen werden konnte. Somit wurde die Intensität von Licht, das von der lichtemittierenden Vorrichtung emittiert wurde, verbessert.
Ein weiterer Grund für die Verbesserung der Intensität des emittierten Lichts der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung verglichen mit dem Stand der Technik besteht darin, dass die Spannung, die in der lichtemittierenden Vorrichtung verbleibt, ebenfalls vermindert wurde, da die Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den zwei Schichten relativ vermindert war.
Obwohl die erste Ausführungsform den Fall gezeigt hat, bei dem die p-Typ Kontaktschicht 109 aus Al_yGa_1-yN (y = 0,05 < x) auf der p-Typ Clad-Schicht 108 aus Al_xGa_1-xN (x = 0,12) wachsen gelassen worden ist, kann der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y von Aluminium (Al) in der p-Typ Kontaktschicht 109 so ausgewählt werden, dass er vorzugsweise etwa im Bereich von „0,1x ≤ y ≤ 0,7x", mehr bevorzugt etwa im Bereich von „0,4x ≤ y ≤ 0,5x" liegt. Wenn der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y in der p-Typ Kontaktschicht zu groß ist, nimmt der Kontaktwiderstand zwischen der positiven Elektrode und der p-Typ Kontaktschicht zu, was in unerwünschter Weise zu einer Zunahme der Ansteuerspannung der lichtemittierenden Vorrichtung führt. Wenn der Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y im Gegensatz dazu zu klein ist, ist es schwierig, den vorstehend genannten Betrieb und den vorstehend genannten Effekt zu erhalten, da die Zusammensetzung der p-Typ Kontaktschicht und der p-Typ Clad-Schicht nicht ähnlich gemacht werden.
Die lichtemittierende Vorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform weist eine hohe Lichtintensität auf, weil diese Bedingungen ausreichend erfüllt sind.
Aus dem gleichen Grund, wie er vorstehend beschrieben worden ist, wird auch der Absolutwert des Zusammensetzungsverhältnisses y von Aluminium (Al) in der p-Typ Kontaktschicht 109 so ausgewählt, dass er vorzugsweise etwa im Bereich von „0,01 ≤ y ≤ 0,12", mehr bevorzugt etwa im Bereich von „0,03 ≤ y ≤ 0,08" liegt.
Die 2 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Lichtemissionsabgabe der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung 100 und der Dicke der p-Typ Kontaktschicht 109 zeigt. Da es eine starke Korrelation zwischen der Lichtemissionsabgabe der lichtemittierenden Vorrichtung 100 und der Dicke der p-Typ Kontaktschicht gibt, wie es in der 2 gezeigt ist, wird die Dicke der p-Typ Kontaktschicht so ausgewählt, dass sie vorzugsweise im Bereich von 200 Å bis 1000 Å, wobei beide Werte einschließlich zu verstehen sind, mehr bevorzugt im Bereich von 500 Å bis 800 Å, wobei beide Werte einschließlich zu verstehen sind, liegt. Die Lichtemissionsabgabe der lichtemittierenden Vorrichtung weist einen großen Wert auf, wenn die Dicke der p-Typ Kontaktschicht in diesem Bereich liegt.
Im Allgemeinen wird in diesem Typ von lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtungen die ursprüngliche Funktion der p-Typ Kontaktschicht als ein p-Typ Galliumnitridfilm mit niedrigem Widerstand, der einen Dotierstoff zum Bereitstellen von Akzeptoren enthält, zum Erhalten einer hohen Lichtemissionsabgabe unzureichend, wenn die p-Typ Kontaktschicht zu dünn ist.
Ferner kann dann, wenn die p-Typ Kontaktschicht 109 gebildet wird oder wenn ein Erwärmungsverfahren, wie z.B. ein Tempern oder dergleichen, nach der Bildung der p-Typ Kontaktschicht 109 durchgeführt wird, zwischen der p-Typ Kontaktschicht 109 und der p-Typ Clad-Schicht 108 eine feste Lösung auftreten, so dass Aluminium (Al) in der p-Typ Clad-Schicht 108 in die p-Typ Kontaktschicht 109 eluiert wird. Somit ist es dann, wenn die p-Typ Kontaktschicht 109 zu dünn ist, nicht nur unmöglich, den Wert des Zusammensetzungsverhältnisses y von Aluminium (Al) in der p-Typ Kontaktschicht 109 so einzustellen, dass er in einem gewünschten Bereich liegt, sondern auch die Lichtemissionsabgabe der lichtemittierenden Vorrichtung variiert stark.
Wenn die p-Typ Kontaktschicht 109 im Gegensatz dazu zu dick ist, wird eine starke Belastung auf die p-Typ Clad-Schicht 108 und die Schichten unterhalb der p-Typ Clad-Schicht 108 ausgeübt, da sich der Wärmeausdehnungskoeffizient der p-Typ Kontaktschicht 109 von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der p-Typ Clad-Schicht 108 unterscheidet. Wenn die p-Typ Kontaktschicht 109 zu dick ist, ist es auch schwierig, die p-Typ Kontaktschicht 109 mit der gewünschten Kristallstruktur mit guter Qualität zu bilden, da eine Versetzung aufgrund einer Gitterfehlanpassung, die durch die Differenz zwischen Kristallgitterkonstanten verursacht wird, in der p-Typ Kontaktschicht 109 leicht stattfindet.
Im Hinblick auf die Qualität ist es nicht bevorzugt, dass die p-Typ Kontaktschicht 109 zu dick ist, da dadurch sowohl eine Verminderung der Intensität von emittiertem Licht als auch eine Zunahme der individuellen Variation der Intensität von Licht, das von den lichtemittierenden Vorrichtungen emittiert wird, auftreten.
Aus der 2 ist auch ersichtlich, dass die lichtemittierende Vorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform eine hohe Lichtintensität aufweisen kann, da die Dicke (600 Å) der p-Typ Kontaktschicht 109 der vorstehend genannten Anforderung ausreichend genügt.
Zweite Ausführungsform
Die 3 ist eine typische Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleitervorrichtung 200 des Flip-Chip-Typs zeigt. Eine Pufferschicht 102 aus Aluminiumnitrid (AIN) mit einer Dicke von etwa 200 Å ist auf einem Saphirsubstrat 101 bereitgestellt. Eine n⁺-Schicht mit einer hohen Trägerdichte 103, die aus GaN, das mit Silizium (Si) dotiert ist, hergestellt ist und eine Dicke von etwa 4,0 μm aufweist, ist ferner auf der Pufferschicht 102 ausgebildet. Eine Zwischenschicht 104 aus undotiertem In₀ _, ₀₃Ga₀ _, ₉₇N mit einer Dicke von etwa 1800 Å ist ferner auf der n⁺-Schicht 103 ausgebildet.
Eine n-Typ Clad-Schicht 105 und eine aktive MQW-Schicht 160, die aus GaN-Schichten und Ga₀ _, ₈In₀ _, ₂N-Schichten zusammengesetzt ist, sind ferner auf der Zwischenschicht 104 aufeinander folgend in der gleichen Weise wie in der lichtemittierenden Vorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildet. Eine Deckschicht 107 aus GaN mit einer Dicke von etwa 140 Å und eine p-Typ Clad-Schicht 108, die aus p-Typ Al₀ _, ₁₂Ga₀ _, ₈₈N, das mit Magnesium (Mg) dotiert ist, hergestellt ist, mit einer Dicke von etwa 200 Å sind nacheinander auf der aktiven MQW-Schicht 160 ausgebildet. Eine p-Typ-Kontaktschicht 109 aus Mg-dotiertem Al_0,05Ga_0,95N mit einer Dicke von etwa 600 Å ist ferner auf der p-Typ Clad-Schicht 108 ausgebildet.
Ferner ist eine mehrschichtige Dickfilmelektrode 220 auf der p-Typ-Kontaktschicht 109 mittels Metallverdampfung ausgebildet worden, wohingegen eine negative Elektrode 240 auf der n⁺-Schicht 103 ausgebildet ist. Die mehrschichtige Dickfilmelektrode 220 weist eine Dreischichtstruktur auf, die aus einer ersten Metallschicht 221, die mit der p-Typ-Kontaktschicht 109 verbunden ist, einer zweiten Metallschicht 222, die auf einer oberen Fläche der ersten Metallschicht 221 ausgebildet ist, und einer dritten Metallschicht 223, die auf einer oberen Fläche der zweiten Metallschicht 222 ausgebildet ist, besteht.
Die erste Metallschicht 221 ist eine Metallschicht aus Rhodium (Rh) oder Platin (Pt) mit einer Dicke von etwa 0,3 μm, die mit der p-Typ-Kontaktschicht 109 verbunden ist. Die zweite Metallschicht 222 ist eine Metallschicht aus Gold (Au) mit einer Dicke von etwa 1,2 μm. Die dritte Metallschicht 223 ist eine Metallschicht aus Titan (Ti) mit einer Dicke von etwa 30 Å.
Die negative Elektrode 240 einer Zweischichtstruktur wird durch aufeinander folgendes Laminieren einer Vanadium (V)-Schicht 241 mit einer Dicke von etwa 175 Å und einer Aluminium (Al)-Schicht 242 mit einer Dicke von etwa 1,8 μm auf dem teilweise freiliegenden Abschnitt der n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103 gebildet.
Ein Schutzfilm 230, der aus einem SiO₂-Film ausgebildet ist, ist zwischen der mehrschichtigen positiven Dickfilmelektrode 220 und der negativen Elektrode 240, die in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet worden sind, ausgebildet. Die Schutzschicht 230 bedeckt, von der n⁺-Schicht 103, die zur Bildung der negativen Elektrode 240 freigelegt ist, eine Seitenfläche der aktiven MQW-Schicht 160, eine Seitenfläche der p-Typ Clad-Schicht 108 und eine Seitenfläche der p-Typ Kontaktschicht 109 und einen Teil der oberen Fläche der p-Typ Kontaktschicht 109, die durch Ätzen freigelegt worden sind, und bedeckt ferner eine Seitenfläche der ersten Metallschicht 221, eine Seitenfläche der zweiten Metallschicht 222 und einen Teil der oberen Fläche der dritten Metallschicht 223. Der Abschnitt des Schutzfilms 230, der aus einem SiO₂-Film aufgebaut ist, der die dritte Metallschicht 223 bedeckt, ist 0,5 μm dick.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird auf die mehrschichtige Dickfilmelektrode 220 in der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung des Flip-Chip-Typs 200 eine Dreischichtstruktur aufgebracht, die aus einer ersten Metallschicht aus Rhodium (Rh) oder Platin (Pt), einer zweiten Metallschicht aus Gold (Au) und einer dritten Metallschicht aus Titan (Ti) besteht.
Auch wenn die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 200 in der vorstehend genannten Weise konfiguriert ist, kann wie bei der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung 100 eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer höheren Lichtintensität als bei der Vorrichtung des Standes der Technik erreicht werden.
Bezüglich einer lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung, wie z.B. der lichtemittierenden Vorrichtung 100 oder 200 oder dergleichen zum Emittieren von grünem Licht in einem Hauptwellenlängenbereich von 510 nm bis 530 nm hat ein Experiment gezeigt, dass die Vorrichtung eine relativ hohe Lichtintensität aufweist, wenn die Dicke der p-Typ Clad-Schicht 108 im Bereich von 100 Å bis 500 Å liegt. Mehr bevorzugt liegt die Dicke der p-Typ Clad-Schicht 108 in einem optimalen Bereich von 180 Å bis 360 Å. Wenn die Dicke im optimalen Bereich liegt, kann die höchste Lichtemissionsabgabe erhalten werden.
Bezüglich einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung zum Emittieren von blauem Licht in einem Hauptwellenlängenbereich von 460 nm bis 475 nm hat ein Experiment gezeigt, dass die Vorrichtung eine relativ hohe Lichtintensität aufweist, wenn die Dicke der p-Typ Clad-Schicht 108 im Bereich von 70 Å bis 390 Å liegt. Mehr bevorzugt liegt die Dicke der p-Typ Clad-Schicht 108 in einem optimalen Bereich von 90 Å bis 300 Å. Wenn die Dicke im optimalen Bereich liegt, kann die höchste Lichtemissionsabgabe erhalten werden.
Andererseits liegt das Zusammensetzungsverhältnis x von Aluminium (Al) in der p-Typ Clad-Schicht 108, die aus Al_xGa_1-xN hergestellt ist, vorzugsweise etwa im Bereich von 0,10 bis 0,14, mehr bevorzugt im Bereich von 0,12 bis 0,13. Wenn x kleiner als 0,10 ist, wird die Lichtemissionsabgabe vermindert, da es schwierig ist, Träger in der aktiven Schicht zu halten. Wenn x größer als 0,14 ist, wird die Lichtemissionsabgabe ebenfalls vermindert, da die Belastung, die auf die aktive Schicht ausgeübt wird, gemäß der Differenz der Gitterkonstanten von Kristallen zunimmt.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen den Fall zeigen, bei dem die Anzahl von Zyklen in der aktiven MQW-Schicht 160 in jeder der lichtemittierenden Vorrichtungen 100 und 200 zwei beträgt, ist die Anzahl der Zyklen nicht speziell beschränkt. D.h. die vorliegende Erfindung kann auch auf eine lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung mit einer aktiven Schicht mit jedweder Anzahl von Zyklen oder jedweder Struktur angewandt werden.
Demgemäß kann die aktive Schicht 160 z.B. eine SQW (Einzelquantenmulden)-Struktur aufweisen.
Ferner kann jede der Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiterschichten, einschließlich der Pufferschicht, der Zwischenschicht und der Deckschicht, zur Bildung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung aus quartärem, ternärem oder binärem Al_xGa_yIn_1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) mit einem optionalem Kristallmischungsverhältnis hergestellt sein.
Ferner kann eine Metallnitridverbindung, wie z.B. Titannitrid (TiN), Hafniumnitrid (HfN) oder dergleichen, oder eine Metalloxidverbindung, wie z.B. Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO) oder dergleichen, die von dem vorstehend genannten Gruppe-III-Nitridverbindung-Haibleiter verschieden ist, als Pufferschicht verwendet werden.
Ferner kann ein Gruppe-II-Element, wie z.B. Beryllium (Be), Zink (Zn) oder dergleichen, das von Magnesium (Mg) verschieden ist, als p-Typ Fremdatom verwendet werden. Zur stärkeren Verminderung des Widerstands der mit den p-Typ-Fremdatomen dotierten p-Typ Halbleiterschicht kann ferner ein Aktivierungsverfahren, wie z.B. eine Elektronenstrahlbestrahlung, ein Tempern oder dergleichen durchgeführt werden.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen den Fall gezeigt haben, bei dem die n⁺-Schicht mit hoher Trägerdichte 103 aus Galliumnitrid (GaN), das mit Silizium (Si) dotiert ist, hergestellt ist, können diese n-Typ Halbleiterschichten durch Dotieren des vorstehend genannten Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiters mit einem Gruppe-IV-Element, wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) oder dergleichen, oder mit einem Gruppe-VI-Element gebildet werden.
Ferner kann Siliziumcarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO) oder dergleichen, die von Saphir verschieden sind, als das Substrat für das Kristallwachstum verwendet werden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auf lichtempfangende Vorrichtung sowie auf lichtemittierende Vorrichtungen angewandt werden.
Während die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, sollte beachtet werden, dass die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Veranschaulichung dient und dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung (100, 200), mit einem Substrat (101), und einer Mehrzahl von Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleiterschichten (102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109), die auf das Substrat (101) laminiert sind, wobei die Mehrzahl von Schichten eine aktive Schicht (160), eine p-Typ Clad-Schicht (108), die aus p-Typ Al_xGa_1-xN ausgebildet ist, auf der aktiven Schicht (160), wobei 0 < x < 1, und eine p-Typ Kontaktschicht (109), die aus p-Typ Al_yGa_1-yN ausgebildet ist, auf der Clad-Schicht (108), wobei 0 < y < x, aufweist, gekennzeichnet durch die p-Typ Kontaktschicht (109) mit einer Dicke im Bereich von 20 nm bis 100 nm.
Lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, bei der die p-Typ Kontaktschicht (109) Al_yGa_1-yN, mit 0,1x ≤ y ≤ 0,7x, aufweist.
Lichtemittierende Gruppe-III-Nitridverbindung-Halbleitervorrichtung (100, 200) nach Anspruch 2, bei der die p-Typ Kontaktschicht (109) Al_yGa_1-yN, mit 0,01 ≤ y ≤ 0,12, aufweist.