DE69637304T2

DE69637304T2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtung bestehend aus einer III-V Nitridverbindung

Info

Publication number: DE69637304T2
Application number: DE69637304T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Ichinomiya-shi Aichi-ken Koike; Shinya Nishikasugai-gun Aichi-ken Asami
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: EP0732754B1; EP0732754A3; US6645785B2; US20040018657A1; EP0732754A2; DE69637304D1; TW385555B; US5945689A; US20010045564A1; US6288416B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Halbleiterdiode (LED) und eine Laserdiode (LD), welche eine Nitridverbindung der Gruppe III einsetzen und eine mehrfache Emissionsschicht aufweisen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine LED und eine LD mit einer verbesserten Emissionseffizienz im Bereich der kurzen sichtbaren Wellenlängen von der grünblauen hin zur blauen Farbe sowie im Ultraviolettbereich.
Beschreibung des technischen Hintergrunds
Es ist bekannt gewesen, dass ein Halbleiter aus einer Aluminiumgalliumindiumnitridverbindung (AlGaInN) verwendet werden kann, um eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode (LD) zu erhalten, welche Licht mit blauer und ultravioletter Farbe emittieren. Diese Halbleitervorrichtung ist aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute, welche aus einem direkten Elektronenübergang resultiert, und aufgrund ihrer Fähigkeit, blaues Licht zu emittieren, welches eine der drei Primärfarben bildet, nützlich.
Durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl und eine Hitzbehandlung wird eine mit Magnesium (Mg) dotierte i-Schicht in eine p-artige leitfähige Schicht überführt. Im Ergebnis wird eine LED oder ein LD erhalten, welche eine doppelte p-n-Heteroverbindungsstruktur bestehend aus einer p-Schicht aus Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), einer Emissionsschicht aus mit Zink (Zn) dotiertem Indiumgalliumnitrid (InGaN) und einer n-Schicht aus AlGaN aufweist. Solch eine LED oder LD ist auf dem Halbleitermarkt erfolgreicher als eine herkömmliche LED mit einer Metallisolatorhalbleiter(MIS)-Struktur, welche eine n-Schicht und eine halbisolierende i-Schicht einschließt.
Wie es in 6 gezeigt ist, ist eine LED 10 in der japanischen Patentanmeldung Nr. 113484/1994 (noch nicht offengelegt) offenbart, welche eine höhere Lichtausbeute aufweist. Eine Emissionsschicht 5 aus GaInN der LED 10 ist mit sowohl Zink (Zn) als auch Silicium (Si) dotiert, und beide Ebenen der Emissionsschicht 5 bilden eine doppelte Heteroverbindungsstruktur mit einer angrenzenden n-Schicht 4 aus AlGaN und einer p-Schicht 61 aus AlGaN aus. Die Spitzenwellenlänge der LED 10 liegt zwischen 420 und 450 nm und ihre Lichtausbeute beträgt 1000 mcd. Solche LEDs mit einer höheren Lichtausbeute der blauen Farbe werden stark nachgefragt, z. B. zur Verwendung in mehrfarbigen Anzeigevorrichtungen.
Während für Verkehrsampellichter Licht mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 500 nm erforderlich ist, was zu einer grünblauen oder einer dunkelgrünen Farbe führt, ist die herkömmliche LED 10 nicht in der Lage, die erforderliche Wellenlänge zu liefern. Um jene Anforderung zu erfüllen, muss die Energiebandbreite der Emissionsschicht eingeengt werden, indem der Anteil des Indiums (In) von den Komponenten der Emissionsschicht 5 vergrößert wird. Darüber hinaus ist die Emissionsschicht 5 mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert, wobei ihre Fremdatomzusatzkonzentrationen eingeregelt sind, um die Lichtstärke der LED zu maximieren.
Solche Anordnungen, bei denen der In-Anteil von den Bestandteilen der Emissionsschicht 5 erhöht und die Emissionsschicht mit einem Akzeptor- und Donorfremdatomzusatz dotiert ist, führen jedoch eher zu einer signifikanten Potentialenergie, welche durch die Coulomb-Kraft zwischen dem Akzeptor und dem Donor hervorgerufen wird, und die Energie des Elektronenübergangs wird gleich zu der Summe aus der Potentialenergie und dem Energieunterschied zwischen dem Akzeptor- und dem Donorniveau. Der Energieunterschied zwischen dem Akzeptor- und dem Donorniveau wird beinahe größer als jener im Falle ohne Coulomb-Kraft. Im Ergebnis verschiebt sich die Spitzenwellenlänge im Lichtspektrum zu einer kürzeren Wellenlänge hin, und die erforderliche Spitzenwellenlänge von 500 nm kann nicht erzielt werden.
Eine Halbleitervorrichtung 20 aus einer Galliumnitridverbindung mit einer Struktur mit mehrfacher Emissionsschicht, wie in 10 gezeigt, ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 268257/1994 offenbart. Die Emissionsschicht wird durch drei In_0,2Ga_0,8N-Töpfe 44 und zwei In_0,04Ga_0,96N-Barrieren 44' gebildet. Jede von ihnen weist eine Dicke im Bereich von 5 bis 50 Å auf, und sie sind alternierend laminiert.
Die Spitzenwellenlänge der Vorrichtung 20 der 10 liegt immer noch um 410 bis 420 nm herum, da der Emissionsmechanismus der Vorrichtung 20 eine Zwischenbandrekombination ist, welche ohne Dotierung irgendwelcher Fremdatomzusätze in den Töpfen 44, welche als Lichtzentrum dienen, ausgebildet ist. Solch eine Spitzenwellenlänge erfüllt nicht die für eine Verkehrsampel erforderte Wellenlänge von 500 nm. Des Weiteren gibt es immer noch Raum für eine Verbesserung der Lichtintensität der Vorrichtung 20. Daher gibt es einen Bedarf für eine LED mit sowohl einer größeren Spitzenwellenlänge als auch einer höheren Lichtintensität.
InGaN und AlGaN sind stellvertretende Materialien für eine Emissionsschicht einer Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, welche Ultraviolettstrahlen emittiert. Wenn InGaN für die Emissionsschicht verwendet wird und der Zusammensetzungsanteil des In 5,5% oder kleiner ist, wird ein ultravioletter Strahl mit einer Spitzenwellenlänge von 380 nm erhalten, und der Emissionsmechanismus der Vorrichtung ist die Zwischenbandrekombination. Wenn AlGaN für die Emissionsschicht verwendet wird, die Emissionsschicht mit Zn und Si dotiert ist und der Zusammensetzungsanteil des Al um 16% herum liegt, wird ein ultravioletter Strahl mit einer Spitzenwellenlänge von 380 nm erhalten, und der Emissionsmechanismus der Vorrichtung ist der Elektronenübergang zwischen den Energieniveaus des Donors und des Akzeptors.
Obwohl die Spitzenwellenlänge solcher Vorrichtungen, welche InGaN oder AlGaN einsetzen, zufriedenstellend ist, ist die Lichtausbeute von diesen aus mehreren Gründen immer noch schlecht. Die aus InGaN bestehende Emissionsschicht weist aufgrund einer schlechten Kristallinität als Ergebnis einer niedrigen Wachstumstemperatur und aufgrund von Trägerrekombination zwischen den Bändern eine schlechte Lichtausbeute auf. Die aus AlGaN bestehende Emissionsschicht weist aufgrund einer Versetzung, welche zu einem fehlenden Abgleich der Gitterkonstanten führt, eine schlechte Lichtausbeute auf.
EP-A-0 599 224 offenbart eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III (InGaN), welche eine einschichtige Emissionsschicht umfasst, die mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert ist. Die Emissionsschicht kann eine Dicke von so klein wie 10 Å aufweisen, und durch Einstellen des Werts von x in einer In_xGa_1-xN-Emissionsschicht auf 0 < x < 0,5 wurde eine Emissionswellenlänge im Bereich von 450 nm bis 550 nm erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Lichtausbeute für blaue Farbe, welche von einer LED erzeugt wird, welche eine Stickstoffverbindung der Gruppe III einsetzt, zu verbessern und die Spitzenwellenlänge solch einer LED in Richtung um 500 nm herum zu verschieben (zu verlängern).
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lichtausbeute für ultraviolettes Licht zu verbessern, welches durch eine LED oder eine LD erzeugt wird, die eine Stickstoffverbindung der Gruppe III einsetzt.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine nicht dotierte Schicht zwischen einer mit einem Donor dotierten Schicht und einer mit einem Akzeptor dotierten Schicht vorgesehen, um den Abstand zwischen den Atomen des Akzeptor- und des Donorfremdatomzusatzes aufzuweiten.
Herkömmlich ist eine einzelne Emissionsschicht mit sowohl einem Donorfremdatomzusatz als auch einem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert, um eine höhere Lichtintensität zu erzielen. Allerdings ist es bei einer LED mit solch einem Aufbau schwierig, die Spitzenwellenlänge einzuregeln, und es ist insbesondere schwierig, die Länge der Spitzenwellenlänge zu vergrößern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben geforscht und haben gefunden, dass ein enger Abstand zwischen den Atomen eines Akzeptorfremdatomzusatzes und den Atomen eines Donorfremdatomzusatzes eine Coulomb-Kraft erzeugt, die ein übergehendes Elektron beeinflusst und im Wesentlichen den Unterschied im Energieniveau zwischen den Fremdatomzusätzen aufweitet. Im Ergebnis kann eine längere Spitzenwellenlänge nicht erzielt werden.
Die Energie der Emissionsspitze wird berechnet durch: hν = Eg – (ED + EA) + (q2/r)wobei h die Plank-Konstante ist, ν die Frequenz des Lichts ist, Eg die Energiebandlücke ist, ED die Aktivierungsenergie des Donors ist, EA die Aktivierungsenergie des Akzeptors ist, r der Abstand zwischen Atomen des Donorfremdatomzusatzes und des Akzeptorfremdatomzusatzes ist und q die elektrische Elementarladung ist.
Wie der Ausdruck zeigt, wird eine längere Spitzenwellenlänge durch einen größeren Wert von r erreicht, oder durch einen größeren Abstand zwischen den Atomen des Akzeptorfremdatomzusatzes und des Donorfremdatomzusatzes. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung schlagen zahlreiche strukturelle Anordnungen vor, um einen größeren Wert von r zu erhalten. Und zwar ist eine Emissionsschicht als eine mehrschichtige Struktur ausgebildet, und ihre Verbundschichten sind alternierend mit einem Akzeptorfremdatomzusatz und einem Donorfremdatomzusatz dotiert. Des Weiteren können die Dicke und/oder das Zusammensetzungsverhältnis der mit Fremdatomzusätzen dotierten Verbundschichten variiert werden, um eine erwünschte Spitzenwellenlänge zu erhalten. Als eine weitere Alternative kann eine nicht dotierte Schicht zwischen mit Fremdatomzusätzen dotierten Schichten ausgebildet sein, und ferner kann ein Modulationsdotieren wie etwa δ-Dotieren eingesetzt werden, um die Verbundschichten geringfügig mit Fremdatomzusätzen zu dotieren.
Mit diesen Anordnungen wird der Abstand r aufgeweitet. Da die Coulomb-Kraft im Durchschnitt dem Abstand von dem Mittelpunkt einer Schicht zu jenem einer weiteren entspricht, kann der Einfluss der Coulomb-Kraft, welche durch die Atome des Akzeptor- und des Donorfremdatomzusatzes erzeugt wird, im Wesentlichen durch Aufweiten des Abstands r abgeschwächt werden.
Infolgedessen kann die Spitzenwellenlänge wie beabsichtigt in Richtung längerer Werte verschoben werden, d. h. von 450 nm zu 500 nm. Zusätzlich können andere Bedingungen der Emissionsschicht wie etwa die Verbundmaterialien, ihr Zusammensetzungsverhältnis, die dotierten Fremdatomzusätze, ihre Konzentration usw. angepasst und optimiert werden, um eine maximale Lichtintensität zu erhalten, so dass die hohe Lichtintensität der blauen Farbe um 3000 mcd herum beibehalten werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, wie er in Anspruch 7 definiert ist, wird eine Emissionsschicht bereitgestellt, welche eine Struktur mit mehrfachem Quantentopf (MQW) mit mehr als einem Satz aus einem Topf und einer Barriere aufweist, wobei jede der Topfschichten mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert ist.
Die MQW-Struktur trägt zu einer Vergrößerung der Ausgabeleistung und der Lichtintensität bei, da jeder Topf der MQW-Struktur von Barrieren mit jeweils einer Bandlücke breiter als jener des Topfes umgeben ist, und da Träger, welche aus den Barrieren hervortreten, in die Töpfe strömen und zur Lichtemission beitragen.
Infolgedessen wird die Lichtintensität verbessert. Des Weiteren verlängert ein Dotieren der Töpfe mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz aufgrund des Übergangs zwischen Energieniveaus des Akzeptorfremdatomzusatzes und des Donorfremdatomzusatzes die Spitzenwellenlänge und verbessert aufgrund eines reichlichen Vorhandenseins von Trägern die Lichtintensität. Des Weiteren können sowohl die Töpfe als auch die Barrieren mit dem Akzeptorfremdatomzusatz und dem Donorfremdatomzusatz dotiert sein, um eine höhere Lichtintensität zu erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Emissionsschicht bereitgestellt, welche eine MQW-Struktur aufweist, welche durch Sätze aus einer Al_x2Ga_1-x2N-Barriere und einem Al_x1Ga_1-x1N-Topf gebildet ist, wobei x1 ≤ x2 ist.
Der molare Zusammensetzungsanteil des Al ist so ausgestaltet, dass er 15% oder mehr beträgt, um eine kürzere Spitzenwellenlänge um 380 nm herum zu erhalten. Die Dicke des Topfes so ausgestaltet, dass die von 50 Å bis 200 Å reicht. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Topfes nicht dünner als 50 Å ist, da sich Fremdatomzusätze in eine angrenzende Schicht ausbreiten oder dort eindiffundieren. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Topfes nicht mehr als 200 Å beträgt, da ein Quanteneffekt nicht erwartet werden kann. Die Dicke der Barrieren ist so ausgestaltet, dass sie im Bereich von 50 Å bis 200 Å liegt. Es ist bevorzugt, dass die Dicke der Barrieren nicht weniger als 50 Å beträgt, da die Effizienz der in dem Topf enthaltenen Träger sinkt. Es ist bevorzugt, dass die Dicke der Barriere nicht mehr als 200 Å beträgt, da ein Quanteneffekt nicht erwartet werden kann. Des Weiteren sind Barrieren von dicker als 200 Å nicht bevorzugt, da die Barriere einen großen spezifischen Widerstand aufweist, wenn sie nicht dotiert ist, und aufgrund von Versetzungen Risse aufweisen kann, wenn sie mit Fremdatomenzusätzen dotiert ist.
Die bevorzugte Fremdatomzusatzkonzentration des Akzeptorfremdatomzusatzes und des Donorfremdatomzusatzes, mit denen die QW-Emissionsschicht dotiert ist, liegt jeweils im Bereich von 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²⁰/cm³. Es ist bevorzugt, dass die Konzentration eines jeden Fremdatomzusatzes nicht kleiner als 1 × 10¹⁷/cm³ ist, da die Lichtausbeute aufgrund eines Fehlens von Lichtzentren abfällt. Es ist bevorzugt, dass ihre Konzentration eines jeden Fremdatomzusatzes nicht größer als 1 × 10²⁰/cm³ ist, da die Kristallinität schlecht wird und ein Auger-Effekt hervortritt.
Die Lichtausbeute wird verbessert, indem für die Emissionsschicht AlGaN eingesetzt wird, welches eine bessere Kristallinität als InGaN aufweist. Zudem wird die Emissionsschicht durch eine Überstruktur des Gitters der QW gebildet, was verhindert, dass sich eine nicht abgeglichene Gitterkonstante ausdehnt. Infolgedessen sind die Kristallinität des Topfes und die Lichtausbeute verbessert. Des Weiteren verbessert eine Emissionsschicht mit einem Donor-Akzeptor-Paar, welche durch Dotieren des Topfes oder sowohl des Topfes als auch der Barriere mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz gebildet ist, die Lichtausbeute.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine MQW-Emissionsschicht bereitgestellt, welche Sätze aus einem Al_x1Ga_y1In_1-x1-y1N-Topf und einer Al_x2Ga_y2In_1-x2-y2N-Barriere, deren verbotenes Band breiter als jenes des Topfes ist, umfasst. Der Topf oder sowohl der Topf als auch die Barriere sind mit sowohl einem Donorfremdatomzusatz als auch einem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert. Infolgedessen ist die Lichtausbeute stark verbessert. Des Weiteren sind das Zusammensetzungsverhältnis und die Fremdatomzusatzkonzentration des Indiums (In) optimiert, wobei ein Ausgleich zwischen beabsichtigter Spitzenwellenlänge und Lichtintensität erfolgt.
Andere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden bei einer Berücksichtigung der folgenden Beschreibung und der angefügten Ansprüche unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, die alle einen Teil der Anmeldung bzw. Spezifikation bilden, wobei in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen:
ist 1 ein Diagramm, welches die Struktur einer LED in Beispiel 1 (nachstehend beschrieben) zeigt;
ist die 2 eine erläuternde Ansicht, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 1 zeigt, welche nicht der Erfindung entspricht;
sind die 3A und 3B Diagramme, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 2 zeigen, welche nicht der Erfindung entspricht;
sind die 4A und 4B Diagramme, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 3 zeigen, welche nicht der Erfindung entspricht;
sind die 5A bis 5C Diagramme, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht gemäß der Erfindung in Beispiel 4 zeigen;
ist die 6 ein Diagramm, welches die Struktur einer LED zeigt;
ist die 7 ein Diagramm, welches die Struktur einer LED in Beispiel 5 zeigt;
ist die 8 eine erläuternde Ansicht, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 5 zeigt;
ist die 9 ein Diagramm, welches die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 6 zeigt;
ist die 10 ein Diagramm, welches die Struktur einer herkömmlichen LED zeigt;
ist die 11 ein Diagramm, welches die Struktur einer LED in Beispiel 7 zeigt;
sind die 12 bis 15 Schnittansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung einer LED veranschaulichen, wie es in Beispiel 7 beschrieben wird;
ist die 16 ein Diagramm, welches die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 8 zeigt;
ist die 17 ein Diagramm, welches die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 9 zeigt, welche nicht der Erfindung entspricht;
ist die 18 in Diagramm, welches die Struktur einer LED in Beispiel 11 zeigt, welche nicht der Erfindung entspricht; und
ist die 19 eine erläuternde Ansicht, welche die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht in Beispiel 11 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ZAHLREICHER BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele vollständiger verstanden.
Beispiel 1
Die 1 zeigt ein LED 100, welche in Beispiel 1 ausgeführt ist, und die 2 zeigt eine Schichtstruktur, welche der in 1 gezeigten LED 100 entspricht, und veranschaulicht detaillierter eine mehrschichtige Emissionsschicht 5. Sie weist ein Saphir(Al₂O₃)substrat 1 auf, auf welchem eine Pufferschicht 2 aus Aluminiumnitrid (AlN) in einer Dicke von 500 Å ausgebildet ist. Nachfolgend sind zwei n-artige Schichten auf der ADN-Pufferschicht 2 ausgebildet: mit Silicium (Si) dotiertes GaN in einer Dicke von etwa zwei 2,0 μm bildet eine n⁺-Schicht 3 mit einer hohen Trägerkonzentration mit einer Elektronenkonzentration von 2 × 10¹⁸/cm³; und mit Si dotiertes Al_x2Ga_1-x2N in einer Dicke von etwa 2,0 μm bildet eine n-artige Kaschierungsschicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 8 × 10¹⁷/cm³.
Auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ist eine Emissionsschicht 5 mit einer Dicke von etwa 0,52 μm und einer mehrschichtigen Struktur ausgebildet, wie in 2 gezeigt. Die Emissionsschicht 5 schließt 13 A-Schichten 511 und 13 D-Schichten 512 ein, welche aus mit Magnesium (Mg) und Zink (Zn) dotiertem Ga_yIn_1-yN, wobei 0 < y < 1 ist, bzw. 13 mit Mg und Si dotierten Ga_yIn_1-yN, wobei 0 < y < 1, bestehen. Jede von diesen zwei Arten von Schichten sind alternierend und wiederholt übereinander gestapelt. Eine der D-Schichten 512 ist die unterste Schicht, welche auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ausgebildet ist. Drei p-Schichten sind auf der Emissionsschicht 5 ausgebildet: mit Mg dotiertes Al_x1Ga_1-x1N in einer Dicke von etwa 1,0 μm bildet eine p-Schicht 61, welche als eine Kaschierungsschicht mit einer Lochkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³ und einer Mg-Konzentration von 1 × 10²⁰/cm³ fungiert, mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 0,2 μm bildet eine p-Schicht 62, welche als die zweite Kontaktschicht mit einer Lochkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³ und einer Mg-Konzentration von 1 × 10²/cm³ fungiert, und mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 500 Å bildet eine p-Schicht 63 als die erste Kontaktschicht mit einer Lochkonzentration von 2 × 10¹⁷/cm³ und einer Mg-Konzentration von 2 × 10²⁰/cm³. Nickelelektroden 7 und 8 sind jeweils mit der ersten Kontaktschicht 63 verbunden, und die Nickelelektrode 8 ist zudem mit der n⁺-Schicht 3 verbunden. Sie sind durch eine Rille 9 elektrisch voneinander isoliert.
Die LED 100 wird durch epitaxiales Gasphasenwachstum hergestellt, welches metallorganische Dampfphasenepitaxie genannt und hiernach als MOVPE bezeichnet wird.
Die bei diesem Verfahren eingesetzten Gase sind Ammoniak (NH₃), eine Trägergas (H₂ oder N₂), Trimethylgallium (Ga(CH₃)₃) (hiernach TMG), Trimethylaluminium (Al(CH₃)₃) (hiernach TMA), Trimethylindium (In(CH₃)₃) (hiernach TMI), Diethylzink (Zn(C₂H₂)₂) (hiernach DEZ), Silan (SiH₄), und Bicyclopentadienylmagnesium (Mg(C₅H₅)₂) (hiernach CP₂Mg).
Das einkristalline Saphirsubstrat 1, dessen Hauptoberfläche "a" mit einem organischen Waschlösungsmittel und einer Wärmebehandlung gereinigt war, wurde auf einen Suszeptor in einer Reaktionskammer für die MOVPE-Behandlung gegeben. Dann wurde das Saphirsubstrat 1 bei 1100°C geglüht, wobei H₂-Dampf mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 Liter/min unter Normaldruck über eine Zeitspanne von 30 Minuten in die Kammer eingeleitet wurde.
Eine AlN-Pufferschicht 2 wurde auf der Oberfläche "a" des geätzten Saphirsubstrats 1 in einer Dicke von 500 Å unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur in der Kammer auf 400°C verringert wurde, die Temperatur konstant gehalten wurde und gleichzeitig über einen Zeitraum von 90 Sekunden H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min und TMA mit 1,8 × 10^–5 mol/min eingeleitet wurden. Mit Si dotiertes GaN mit einer Dicke von etwa 2,0 μm, eine n⁺-Schicht 3 mit einer hohen Trägerkonzentration mit einer Elektronenkonzentration von etwa 2 × 10¹⁸/cm³, wurde auf der Pufferschicht 2 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1150°C gehalten wurde und gleichzeitig für 30 Minuten H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 Liter/min, NH₃ mit 8 Liter/min, TMG mit 1,7 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 5 × 10^–8 Liter/min eingeleitet wurden.
Durch Einsatz des folgenden Herstellungsverfahrens kann eine Emissionsschicht 5 mit einer mehrschichtigen Struktur zwischen einer n-artigen Kaschierungsschicht 4 und einer p-Schicht 61 ausgebildet werden, wobei die Emissionsschicht 5 als eine aktive Schicht dient und die n-artige Kaschierungsschicht 4 und die p-Schicht 61 als Kaschierungsschichten dienen; die LED 100 dieses Beispiels ist so ausgestaltet, dass sie im Lichtspektrum Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 500 nm emittiert und Lichtzentren aus Zn und Si aufweist.
Mit Si dotiertes Al_0,1Ga_0,9N mit einer Dicke von 2,0 μm, welches eine n-artige Kaschierungsschicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 8 × 10¹⁷/cm³ bildet, wurde auf einer n⁺-Schicht 3 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1000°C gehalten wurde und gleichzeitig für 20 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min, TMA mit 0,47 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 8 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden.
Mit Si dotiertes Ga_yIn_1-yN in einer Dicke von etwa 200 Å, die Schicht 512 (D-Schicht), wurde als die unterste Schicht der mehrfachen Emissionsschicht 5 auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 850°C gehalten wurde und gleichzeitig für 4 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1 × 10^–5 mol/min, TMI mit 1 × 10^–4 mol/min, CP₂Mg mit 2 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 5 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden. Dann wurde, durch Austausch des Silans durch DEZ mit 2 × 10^–6 mol/min, mit Zn dotiertes Ga_yIn_1-yN in einer Dicke von etwa 200 Å, die Schicht 511 (A-Schicht), auf der D-Schicht 512 unter den gleichen Bedingungen ausgebildet, welche zur Ausbildung der D-Schicht 512 verwendet wurden. Erneut wurde mit Si dotiertes Ga_yIn_1-yN 512 in einer Dicke von 200 Å auf der A-Schicht 511 ausgebildet. Auf dieses Weise wurden die D-Schicht 512 und die A-Schicht 511 wiederholt und alternierend ausgebildet, um eine mehrfache Emissionsschicht 5 mit einer Dicke von etwa 0,52 μm auszubilden, wie es in 2 gezeigt ist. An dieser Stelle zeigte die mehrfache Emissionsschicht 5 einen hohen spezifischen Widerstand. Die Fremdatomkonzentrationen des Mg, des Zn und des Si, mit denen die mehrfache Emissionsschicht 5 dotiert war, betrugen 1 × 10¹⁹/cm³, 5 × 10¹⁸/cm³ bzw. 5 × 10¹⁸/cm³.
Auf der mehrfachen Emissionsschicht 5 wurde eine p-Schicht 61 aus mit Mg dotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von etwa 1,0 μm unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1000°C gehalten wurde und gleichzeitig für 20 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min, TMA mit 0,47 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 2 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 61 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomkonzentration des Mg, welches in die p-Schicht 61 dotiert war, betrug 1 × 10²⁰/cm³.
Mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 0,2 μm, eine zweite Kontaktschicht 62, wurde auf der p-Schicht 61 unter den Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1000°C gehalten wurde und gleichzeitig für 10 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 1 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 62 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdkonzentration des Mg, das in die GaN-Schicht 62 dotiert war, betrug 1 × 10²⁰/cm³.
Mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 500 Å, eine erste Kontaktschicht 63, wurde auf der GaN-Schicht 62 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1000°C gehalten wurde und gleichzeitig für 2 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 4 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der ersten Kontaktschicht 63 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomzusatzkonzentration des Mg, welches in die GaN-Schicht 63 dotiert war, betrug 2 × 10²⁰/cm³.
Dann wurden Elektronenstrahlen gleichmäßig auf die erste Kontaktschicht 63, die zweite Kontaktschicht 62, die p-Schicht 61 und die mehrfache Emissionsschicht 5 unter Verwendung einer Beugungsvorrichtung mit reflektierendem Elektronenstrahl eingestrahlt. Die Einstrahlungsbedingungen waren auf 10 KV für die Beschleunigungsspannung, 1 μA für den Probenstrom, 0,2 mm/s für die Geschwindigkeit des abtastenden Strahls, 60 μm im Durchmesser für die Strahlblende und ein Vakuum von 5,0 × 10^–5 Torr eingestellt. Diese Bestrahlung wandelte die isolierende erste Kontaktschicht 63, die zweite Kontaktschicht 62, die p-Schicht 61 und die mehrfache Emissionsschicht 5 in einen p-artigen leitfähigen Halbleiter mit einer Lochkonzentration von 7 × 10¹⁷/cm³, 5 × 10¹⁷/cm³, 3 × 10¹⁷/cm³ bzw. 2 × 10¹⁷/cm³ und mit einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ω·cm, 0,8 Ω·cm, 1,5 Ω·cm bzw. 2 Ω·cm um. Im Ergebnis wurde ein Wafer mit einer mehrschichtigen Struktur erhalten, wie in 2 gezeigt.
Dieser Wafer, welcher eine große Anzahl von Elementen aufweist, kann durch herkömmliche Verfahren behandelt und in der Praxis und in Übereinstimmung mit der industriellen Gewohnheit in einzelne Vorrichtungen unterteilt oder geschnitten werden.
Es wurde gefunden, dass die erhaltene LED 100 im Lichtspektrum bei einem Antriebsstrom von 20 mA und einer Antriebsspannung von 4 V eine Lichtintensität von 2000 mcd und eine Spitzenwellenlänge von 480 nm aufwies. Die Lichtintensität der LED 100 war zweimal so stark wie jene der herkömmlichen LED, und die Spitzenwellenlänge lag näher an 500 nm, was für das Licht von Verkehrsampeln erforderlich ist.
Beispiel 2
Die 3A und 3B zeigen jeweils die Struktur einer Emissionsschicht 5 mit einer mehrschichtigen Struktur gemäß Beispiel 2. Die Emissionsschicht 5 der 3A weist 25 A-Schichten 521 aus mit Mg und Zn dotiertem InGaN sowie 25 D-Schichten 522 aus mit Mg und Si dotiertem GaN auf, und jene der 3B weist 34 A-Schichten 523 aus mit Mg und Zn dotiertem InGaN sowie 34 D-Schichten 524 aus mit Mg und Si dotiertem GaN auf. Die Unterschiede zwischen den Emissionsschichten 5 des Beispiels 2 und des Beispiels 1 bestehen in der Dicke ihrer Verbundschichten und der zur Ausbildung jener Schichten verwendeten Materialien.
Die Schichten, welche sich von dem Saphirsubstrat 1 bis zu der n-artigen Kaschierungsschicht 4 erstrecken, werden durch die vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Wie es in 3A gezeigt ist, wurde mit Mg und Si dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 100 Å, die Schicht 522 (D-Schicht), als die unterste Schicht der mehrfachen Emissionsschicht 5 auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 850°C gehalten wurde und gleichzeitig für 2 Minuten N₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1 × 10^–5 mol/min, CP₂Mg mit 2 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 5 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden. Durch Ersetzen des Silans durch DEZ mit 2 × 10^–6 mol/min und zusätzlichem Zuführen von TMI mit 1 × 10^–4 mol/min wurde mit Mg und Zn dotiertes In_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von etwa 100 Å, die Schicht 521 (A-Schicht), unter im Allgemeinen den gleichen Bedingungen, welche eingesetzt wurden, um die GaN-Schicht 522 auszubilden, auf der GaN-Schicht 522 (D-Schicht) ausgebildet. Auf diese Weise wurden die GaN-Schicht 522 und die InGaN-Schicht 521 wiederholt und alternierend laminiert, um eine vollständige mehrfache Emissionsschicht 5 mit einer Dicke von ungefähr 0,5 μm auszubilden. Die Anzahl der D-Schichten und der A-Schichten betrug jeweils 25, d. h. die Emissionsschicht weist insgesamt 50 Verbundschichten auf. Die Fremdatomzusatzkonzentrationen des Mg, des Zn und des Si, welche in die Emissionsschicht 5 dotiert waren, betrugen 1 × 10¹⁹/cm³, 1 × 10¹⁹/cm³ bzw. 8 × 10¹⁸/cm³.
Die 3B zeigt ein weitere Variation der mehrfachen Emissionsschicht 5. Die Verbundmaterialien der Emissionsschicht 5 der 3B waren die gleichen wie jene der 3A. Die Unterschiede bestanden darin, an welcher Stelle die Fremdatomzusätze einschließlich Mg, Zn und Si dotiert waren, sowie in der Dicke einer jeden Verbundschicht. Zn und Mg waren in die GaN-Schicht 524 (A-Schicht) dotiert, deren Dicke 50 Å betrugt, und Si und Mg waren in die In_0,15Ga_0,85N-Schicht 523 (D-Schicht) dotiert, deren Dicke 100 Å betrug. Die Anzahl der D-Schichten 523 und der A-Schichten 524 betrug jeweils 34, und die Emissionsschicht 5 wies eine Dicke von 0,51 μm und insgesamt 68 Verbundschichten auf. Die Fremdatomzusatzkonzentrationen des Mg, des Zn und des Si, welche in die Emissionsschicht 5 dotiert waren, betrugen 1 × 10¹⁹/cm³, 5 × 10¹⁸/cm³ bzw. 5 × 10¹⁸/cm³.
Die Verfahren, welche zur Ausbildung der anderen Schichten wie etwa der Kaschierungsschicht 61 eingesetzt wurden, waren die gleichen wie jene, welche vorstehend für die LED 100 in Beispiel 1 beschrieben wurden.
Es wurde gefunden, dass die erhaltenen LEDs mit jeweiligen mehrfachen Emissionsschichtstrukturen der 3A und 3B eine zufriedenstellende Lichtintensität und Spitzenwellenlänge aufwiesen, wobei die erstere eine Lichtintensität von 3000 mcd und eine Spitzenwellenlänge von 500 nm und die letztere eine Lichtintensität von 2500 mcd und eine Spitzenwellenlänge von 490 nm aufwies, jeweils bei einem Antriebsstrom von 20 mA und einer Antriebsspannung von 4 V.
Beispiel 3
Die 4A und 4B zeigen jeweils die Struktur einer mehrfachen Emissionsschicht 5 gemäß Beispiel 3. Die Emissionsschicht 5 der 4A weist 25 A-Schichten aus mit Zn dotierten In_0,08Ga_0,92N-Schichten 531 mit einer Zn-Konzentration von 5 × 10¹⁸/cm³ sowie 25 D-Schichten 532 aus mit Si dotiertem Al_0,1Ga_0,9N mit einer Si-Konzentration von 5 × 10¹⁸/cm³ auf, und jene der 4B weist 25 D-Schichten 533 aus mit Si dotiertem In_0,08Ga_0,92N mit einer Si-Konzentration von 2 × 10¹⁸/cm³ sowie 25 A-Schichten 534 aus mit Zn dotiertem Al_0,1Ga_0,9N mit einer Zn-Konzentration von 1 × 10¹⁸/cm³ auf. Die A-Schichten und die D-Schichten waren alternierend und wiederholt laminiert, jeweils in einer Dicke von 100 Å. Die D-Schicht 532 und die A-Schicht 534 sind die untersten Schichten. Die gesamte Emissionsschicht 5 weist eine Dicke von etwa 0,5 μm auf, und die Gesamtzahl ihrer Verbundschichten beträgt 50. Die anderen Teile der Vorrichtung wurden hergestellt, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist.
Für die jeweils erhaltenen LEDs mit der mehrfachen Emissionsschicht 5 der 4A und 4B wurde gefunden, dass sie bei einem Antriebsstrom von 20 mA und einer Antriebsspannung von 4 V eine Lichtintensität von 2500 bis 3000 mcd sowie eine Spitzenwellenlänge von 490 nm aufwiesen.
In den Beispielen 1 bis 3 beträgt bei einer jeden der Verbundschichten 511, 512, 521, 522, 523, 524, 531, 532, 533 und 534 der Emissionsschicht 5 die bevorzugte Dicke 50 Å bis 500 Å. Es ist bevorzugt, dass die Verbundschichten nicht dünner als 50 Å sind, da die Coulomb-Kraft im Wesentlichen nicht abgeschwächt werden könnte. Es ist ferner bevorzugt, dass die Verbundschichten nicht dicker als 500 Å sind, da bei solch einer Dicke eine Emission eines Donor-Akzeptor-Paares kaum auftritt.
Beispiel 4
Die 5A bis 5C zeigen strukturelle Variationen der mehrfachen Emissionsschicht 5. Wie es in 5A gezeigt ist, ist eine nicht dotierte Schicht 540 mit einer Dicke von etwa 50 Å zwischen einer donordotierten D-Schicht 541 und einer akzeptordotierten A-Schicht 542 ausgebildet. Wie es in 5B gezeigt ist, wurden eine dünne donordotierte D-Schicht 544 und eine dünne akzeptordotierte A-Schicht 545 alternierend und wiederholt in einer nicht dotierten Schicht 543, welche ein konstantes Zusammensetzungsverhältnis aufweist, ausgebildet. Wie es in 5C gezeigt ist, können eine dünne donordotierte D-Schicht 548 und eine dünne akzeptordotierte A-Schicht 549 in einer nicht dotierten Schicht 546 bzw. einer weiteren nicht dotierten Schicht 547, welche ein von jenem der nicht dotierten Schicht 546 abweichendes Zusammensetzungsverhältnis aufweist, unter Einsatz einer Modulationsdotierung wie etwa δ-Dotierung ausgebildet werden.
Alternativ können die Verbundschichten 540, 543, 546 und 547 mit Mg dotierte p-artige Halbleiterschichten sein. Die bevorzugte Dicke einer jeden nicht dotierten Schicht 540, oder der Abstand zwischen der D-Schicht 544 und der A-Schicht 545, beträgt 50 Å bis 500 Å. Es ist bevorzugt, dass jede der nicht dotierten Schichten 540 nicht dünner als 50 Å ist, da die Coulomb-Kraft nicht wesentlich abgeschwächt werden könnte. Es ist bevorzugt, dass jede der nicht dotierten Schichten 540 nicht dicker als 500 Å ist, da bei solch einer Dicke eine Emission eines Donor-Akzeptor-Paares kaum auftritt.
In Beispielen 1 bis 4 weist die LED 100 eine doppelte Heteroverbindungsstruktur einschließlich einer mehrfachen Emissionsschicht 5 auf, welche zwischen zwei angrenzenden Schichten, der p-Schicht 61 und der n-artigen Kaschierungsschicht 4, deren Bandlücken breiter als jene der mehrfachen Emissionsschicht 5 sind, sandwichartig angeordnet ist. Des Weiteren entsprechen die Gitterkonstanten der mehrfachen Emissionsschicht 5 nicht jenen der p-Schicht 61 und der n-artigen Kaschierungsschicht 4, da die erstere hauptsächlich aus einer InGaN-Verbindung besteht und die letztere AlGaN ist. Es mag mehr bevorzugt sein, jene drei Schichten aus Al_xIn_yGa_1-x-yN auszubilden und ihre Gitterkonstanzen gleich zu der Gitterkonstante der n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration auszugestalten.
Die bevorzugte Konzentration in den Beispielen 1 bis 4: für jedes von Zn und Si, welche in die Verbundschichten der mehrfachen Emissionsschicht 5 dotiert waren, wurde jeweils gefunden, dass sie von 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²⁰/cm³ reicht, um die Lichtintensität zu verbessern. Eine bevorzugte Konzentration eines jeden von Zn und Si liegt im Bereich von 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10¹⁹/cm³. Wenn die Fremdatomzusatzkonzentration niedriger als 1 × 10¹⁸/cm³ liegt, hat eine Dotierung mit Fremdatomzusätzen eine geringe Wirkung auf die Lichtintensität. Wenn die Fremdatomzusatzkonzentration höher als 1 × 10¹⁹/cm³ liegt, wird die Kristallinität der Emissionsschicht verschlechtert.
In den Beispielen 1 bis 4 wies die Kontaktschicht eine doppelschichtige Struktur mit einer ersten Kontaktschicht 63, welche stark mit Mg dotiert ist, und der zweiten Kontaktschicht 62 auf, welche relativ zu jener der ersten Kontaktschicht 63 mit einer geringeren Mg-Konzentration dotiert ist. Alternativ kann nur eine mit Mg dotierte Kontaktschicht, welche stärker dotiert ist als die mehrfache Emissionsschicht 5, unterhalb der Elektroden 7 und 8 ausgebildet sein. Die erwünschte Mg-Konzentration für die Kontaktschicht liegt im Bereich von 1 × 10¹⁹/cm³ bis 1 × 10²¹/cm³, um die Leitfähigkeit zu optimieren. Alternativ kann kein Mg in die Emissionsschicht 5 dotiert sein. Das heißt, der Leitfähigkeitstyp der Emissionsschicht kann beliebig sein.
Obwohl GaN als das Material der Kontaktschichten 62 und 63 verwendet wurde, können alternativ Materialmischungen oder Kristalle aus In_xGa_1-xN des p-Typs verwendet werden.
In den Beispielen 1 bis 4 wurden Mg und Zn als ein Akzeptorfremdatomzusatz verwendet, und Si wurde als ein Donorfremdatomzusatz verwendet. Alternativ können von den Elementen der Gruppe II Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) als ein Akzeptorfremdatomzusatz verwendet werden, und eines oder mehrere von Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb) von den Elementen der Gruppe IV können als ein Donorfremdatomzusatz verwendet werden. Alternativ kann eines oder mehrere der angegebenen Elemente der Gruppe IV als ein Akzeptorfremdatomzusatz verwendet werden, und eines oder mehrere von Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te) von den Elementen der Gruppe VI können als ein Donorfremdatomzusatz eingesetzt werden.
Als eine Alternative zu der Elektronenbestrahlung kann ein Glühen in der Hitze, eine Hitzebehandlung in einer N₂-Atmosphäre oder eine Laserbestrahlung vorgenommen werden, um eine p-artige Leitung zu erhalten.
Des Weiteren können die Emissionsschicht 5, die n-Schicht 4 und die p-Schichten 61, 62 und 63 aus Al_xGa_yIn_1-x-yN mit einem beliebigen Zusammensetzungsverhältnis bestehen.
Beispiel 5
Die 7 zeigt eine LED 200 mit einer Emissionsschicht oder aktiven Schicht 50 mit mehrfachem Quantentopf (MQW), und die 8 zeigt die Details dieser Schicht. Die MQW-Emissionsschicht 50, welche aufeinanderfolgend und alternierend durch 25 Töpfe 522 aus mit Zn und Si dotiertem Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N sowie 26 Barrieren 551 aus mit Mg dotiertem Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N besteht, ist zwischen zwei Kaschierungsschichten sandwichartig angeordnet: einer mit Si dotierten n-artigen Kasierungsschicht 4 aus Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N und einer p-artigen Schicht 61 aus Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N. Jeder der Töpfe 522 und jede der Barrieren 551 weist eine Dicke von 100 Å auf.
Verfahren, wie sie vorstehend beschrieben wurden, wurden eingesetzt, um die Schichten, welche sich von dem Saphirsubstrat 1 bis zur n-artigen Kaschierungsschicht 4 erstrecken, die dreifache p-Schichtstruktur 6 usw. auszubilden.
Mit Mg dotiertes Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N mit einer Dicke von etwa 100 Å, die Barriere 551, wurde als die unterste Schicht der MQW-Emissionsschicht 50 auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 850°C gehalten wurde und gleichzeitig für 2 Minuten N₂ oder H₂ mit 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1 × 10^–5 mol/min, TMI mit 1 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Dann wurde unter Veränderung dieser Bedingungen, indem das Cp₂Mg durch DEZ mit 2 × 10^–6 mol/min und durch mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 5 × 10^–9 mol/min ersetzt wurde, mit Zn und Si dotiertes Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N in einer Dicke von etwa 100 Å, der Topf 552, unter im Allgemeinen den gleichen Bedingungen wie die Barriere 551 ausgebildet. Die Barriere 551 und der Topf 552 wurden wiederholt und alternierend ausgebildet, um eine gesamte MQW-Emissionsschicht 50 mit einer Dicke von insgesamt etwa 0,51 μm auszubilden. An dieser Stelle zeigte die mehrfache Emissionsschicht 50 einen hohen spezifischen Widerstand. Die Fremdatomzusatzkonzentration des in die Barrieren 551 dotierten Mg betrug 1 × 10²⁰/cm³, und jene von Zn und Si, welche in die Töpfe 552 dotiert waren, betrugen 5 × 10¹⁸/cm³ bzw. 5 × 10¹⁸/cm³.
Dann wurden die verbleibenden Abschnitte der LED 200 unter Einsatz der vorstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet, beginnend mit einer dreifachen Kaschierungsschicht 6, einschließlich einer p-Schicht 61 aus Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N, einer mit Mg dotierten GaN-Schicht 62, welche als die zweite Kontaktschicht dient, und einer mit Mg dotierten GaN-Schicht 63 mit hoher Trägerkonzentration, welche als die erste Kontaktschicht dient. Dann wurde unter den gleichen Bedingungen wie den in Beispiel 1 beschriebenen eine Elektronenbestrahlung vorgenommen, um die isolierende erste Kontaktschicht 63, die zweite Kontaktschicht 62, die p-Schicht 61 und die MQW-Emissionsschicht 50 in p-artige leitfähige Halbleiter mit jeweiligen Lochkonzentrationen von 7 × 10¹⁷/cm³, 5 × 10¹⁷/cm³, 3 × 10¹⁷/cm³ und 2 × 10¹⁷/cm³ sowie jeweiligen Werten des spezifischen Widerstands von 0,5 Ω·cm, 0,8 Ω·cm, 1,5 Ω·cm und 2 Ω·cm umzuwandeln. Dadurch wurde ein Wafer mit einer mehrschichtigen Struktur erhalten, wie in 8 gezeigt. Dieser Wafer, welcher eine große Anzahl an Elementen aufweist, kann durch herkömmliche Verfahren behandelt und in einzelne Vorrichtungen unterteilt oder geschnitten werden.
Für die erhaltene LED 200 mit ihrer MQW-Emissionsschicht 50 wurde gefunden, dass sie eine Lichtintensität von 5000 mcd und eine Spitzenwellenlänge von 490 nm aufweist. Die Lichtintensität betrug das Dreifache jener der herkömmlichen LED, und ihre Spitzenwellenlänge lag zufriedenstellend nahe an der Spitzenwellenlänge von 500 nm, welche für das Licht einer Verkehrsampel erforderlich ist.
Die Spitzenwellenlänge im Lichtspektrum der LED 200 war verschoben (verlängert), da der Übergangsabstand zwischen den Energieniveaus eines Zn-Akzeptors und eines Si-Donors kürzer als jener des Grundmaterials der MQW-Emissionsschicht 50 war. Des Weiteren war die Lichtintensität der LED 200 stark verbessert, da es viele Träger von den angrenzenden Barrieren 551, welche aufgrund der Dotierung mit Mg eine p-artige Leitung aufweisen, gibt und sie in die Töpfe 552 einströmen, und da die Lichtintensität zwischen den Energieniveaus des Akzeptors und des Donors verbessert ist.
Beispiel 6
Die 9 zeigt eine Variation der MQW-Emissionsschicht 50 des Beispiel 6. Die Unterschiede zwischen den MQW-Emissionsschichten 50 in Beispiel 6 und Beispiel 5 bestehen darin, ob die Barrieren mit Mg dotiert sind oder nicht. Die gleichen Töpfe, welche im Beispiel 5 verwendet wurden, wurden im Beispiel 6 verwendet. Das heißt, die MQW-Emissionsschicht im Beispiel 6 schließt 25 Töpfe 562 aus mit Zn und Si dotiertem Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N sowie 26 Barrieren 561 aus nicht dotiertem Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N ein. Jede der Verbundschichten 562 und 561 weist eine Dicke von 100 Å auf und ist wiederholt und alternierend ausgebildet, um eine vollständige Emissionsschicht 50 auszubilden, welche etwa 0,51 μm dick ist. Eine der Barrieren 561 ist die unterste Schicht, welche auf der n-artigen Schicht 4 gebildet ist. Die Fremdatomzusatzkonzentrationen des Zn und des Si, welche in die Töpfe 562 dotiert waren, betrugen 5 × 10¹⁸/cm³ bzw. 5 × 10¹⁸/cm³.
Obwohl die Barrieren 561 keine p-artige Leitung aufwiesen, war die Wirkung die gleiche wie beim Beispiel 5. Für die erhaltene LED mit nicht dotierten Barrieren 561 und den mit Zn und Si dotierten Töpfen 562 wurde gefunden, dass sie bei einem Antriebsstrom von 20 mA und einer Antriebsspannung von 4 V eine Lichtintensität von 4000 mcd und eine Spitzenwellenlänge von 490 nm aufweist. Die Lichtintensität betrug mehr als das Zweifache jener der herkömmlichen LED, und die Spitzenwellenlänge war zufriedenstellend für die Spitzenwellenlänge von 500 nm im Lichtspektrum, welche für eine Verkehrsampel erforderlich ist.
Bei den Beispielen 5 und 6 wurde für die bevorzugten Konzentrationen des Zn und des Si, welche in die Töpfe 552 dotiert waren, jeweils gefunden, dass sie für eine verbesserte Lichtintensität von 1 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²⁰/cm³ reichen. Es wurde gefunden, dass spezieller bevorzugte Konzentrationen des Zn und des Si jeweils im Bereich von 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10¹⁹/cm³ liegen. Wenn die Fremdatomzusatzkonzentration niedriger als 1 × 10¹⁸/cm³ liegt, haben die dotierenden Fremdatomzusätze eine geringe Wirkung auf die Lichtintensität. Wenn die Fremdatomzusatzkonzentration höher als 1 × 10¹⁹/cm³ liegt, ist die Kristallinität der Emissionsschicht verschlechtert.
In den Beispielen 5 und 6 wurden zwischen der Kaschierungsschicht 4, den Barrieren, den Töpfen und der Kaschierungsschicht 6 zahlreiche Heteroverbindungsstrukturen ausgebildet. Die Zusammensetzungsanteile von Al, In und Ga der Schichten 4, 5 und 6 waren so eingeregelt, dass die Gitterkonstante der Schichten 4, 5 und 6 gleich zu der Gitterkonstante der n⁺-Schicht 3, der Schicht 4 bzw. der Schicht 5 ist.
In den Beispielen 5 und 6 wurden Zn als ein Akzeptorfremdatomzusatz und Si als ein Donorfremdatomzusatz verwendet. Alternativ können eines oder mehrere von Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) der Elemente der Gruppe II als ein Akzeptorfremdatomzusatz verwendet werden, und eines oder mehrere von Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb) der Elemente der Gruppe IV können als ein Donorfremdatomzusatz verwendet werden. Alternativ kann eines oder mehrere der angegebenen Elemente der Gruppe IV als ein Akzeptorfremdatomzusatz verwendet werden, und eines oder mehrere von Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te) der Elemente der Gruppe VI können als ein Donorfremdatomzusatz eingesetzt werden.
Als eine Alternative zur Elektronenbestrahlung kann ein Glühen in der Hitze, eine Hitzebehandlung in einer N₂-Atmosphäre oder eine Laserbestrahlung durchgeführt werden, um eine p-artige Leitung zu ereichen.
Des Weiteren liegen bei den Beispielen 5 und 6 die bevorzugten Dicken der Barrieren 551 und 561 sowie der Töpfe 552 und 562 im Bereich von 50 Å bis 200 Å, um eine Quantenwirkung zu erzielen. Anstelle von Mg können die Barrieren 551 und 561 als Alternative mit irgendeinem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert sein. Sowohl der Akzeptor- als auch der Donorfremdatomzusatz kann sowohl in die Barriere als auch den Topf dotiert sein. Die Anzahl der Sätze aus der Barriere und dem Topf ist größer als 1.
Beispiel 7
Die 11 zeigt eine LED 300-Ausführungsform, welche gemäß Beispiel 7 ausgebildet ist. Sie weist ein Saphirsubstrat 1 (Al₂O₃) auf, auf welchem eine Pufferschicht 2 aus Aluminiumnitrid (AlN) in einer Dicke von 500 Å ausgebildet ist. Nachfolgend sind zwei n-artige Schichten auf der Pufferschicht 2 aus AlN ausgebildet: mit Silicium (Si) dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 2,0 μm bildet eine n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration mit einer Elektronenkonzentration von 2 × 10¹⁸/cm³, und mit Si dotiertes Al_0,3Ga_0,7N in einer Dicke von etwa 1,0 μm bildet eine n-artige Kaschierungsschicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 1 × 17¹⁸/cm³. Auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ist in einer Dicke von etwa 0,11 μm eine MQW, eine Emissionsschicht 50, ausgebildet. Auf der MQW-Emissionsschicht 50 ist mit Mg dotiertes Al_0,3Ga_0,7N in einer Dicke von etwa 1,0 μm, eine p-Schicht 61, mit einer Lochkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³ und einer Mg-Konzentration von 1 × 10²⁰/cm³ ausgebildet. Mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 0,2 μm, eine p-Schicht 62, dient als eine auf der p-Schicht 61 ausgebildete Kontaktschicht und weist eine Lochkonzentration von 7 × 10¹⁷/cm³ sowie eine Mg-Konzentration von 2 × 10²⁰/cm³ auf. Nickelelektroden 7 und 8 sind auf der Kontaktschicht 62 bzw. einer freiliegenden Fläche oder einem freiliegenden Abschnitt der n⁺-Schicht 3 ausgebildet und damit verbunden.
Wie es in 12 gezeigt ist, wird die MQW-Emissionsschicht 50 durch fünf Al_0,2Ga_0,8N-Töpfe 572 und sechs Al_0,25Ga_0,75N-Barrieren 571 gebildet. Die Töpfe und die Barrieren weisen jeweils eine Dicke von etwa 100 Å auf und sind wiederholt und alternierend laminiert, um eine vollständige MQW-Emissionsschicht 50 auszubilden, welche etwa 0,11 μm dick ist. Die Konzentration eines jeden des Zn und des Si, welche in die Töpfe 572 dotiert sind, beträgt 5 × 10¹⁸/cm³. Die unterste Schicht war eine der Barrieren 571, welche auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ausgebildet sind.
Das Saphirsubstrat 1 bis hin zur n⁺-Schicht 3 wurden durch die gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Mit Si dotiertes Al_0,3Ga_0,7N, eine n-artige Kaschierungsschicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 8 × 10¹⁷/cm³, wurde in einer Dicke von etwa 1,0 μm auf der n⁺-Schicht 3 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 60 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min, TMA mit 0,47 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 10 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden.
Nicht dotiertes Al_0,25Ga_0,75N, eine Barriere 571, wurde in einer Dicke von etwa 100 Å auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 3 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1 × 10^–5 mol/min und TMA mit 0,39 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Dann wurde mit Zn und Si dotiertes Al_0,2Ga_0,8N, ein Topf 572, in einer Dicke von etwa 100 Å auf der Barriere 571 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass gleichzeitig für 3 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1 × 10^–5 mol/min, TMA mit 0,31 × 10^–4 mol/min, mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 10 × 10^–9 mol/min und DEZ mit 2 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Die Fremdatomzusatzkonzentration des Si und des Zn, welche in den Topf 572 dotiert waren, betrug 5 × 10^–18/cm³ bzw. 5 × 10^–18/cm³. Die Barriere 571 und der Topf 572 wurden wiederholt und alternierend ausgebildet, um eine vollständige MQW-Emissionsschicht 50 auszubilden, welche etwa 0,11 μm dick ist.
Mit Mg dotiertes Al_0,3Ga_0,7N, eine p-Schicht 61, wurde in einer Dicke von etwa 1,0 μm auf der MQW-Emissionsschicht 50 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 60 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min, TMA mit 0,47 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 2 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 61 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomzusatzkonzentration des in die p-Schicht 61 dotierten Mg betrug 1 × 10²⁰/cm³.
Mit Mg dotiertes GaN, eine Kontaktschicht 62, wurde in einer Dicke von etwa 0,2 μm auf der p-Schicht 61 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 4 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 4 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 62 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomzusatzkonzentration des in die GaN-Schicht 62 dotierten Mg betrug 2 × 10²⁰/cm³.
Dann wurde bei der Temperatur von 450°C für 45 Minuten eine Hitzebehandlung vorgenommen, welche die isolierende Kontaktschicht 62 und die Schicht 61 in p-artige leitfähige Halbleiter mit jeweiligen Lochkonzentrationen von 7 × 10¹⁷/cm³ und 5 × 10¹⁷/cm³ sowie jeweiligen Werten des spezifischen Widerstands von 2 Ω·cm und 0,8 Ω·cm umwandelte. Dadurch wurde ein Wafer mit einer mehrschichtigen Struktur erhalten, wie in 12 gezeigt.
Die 13 bis 15 zeigen Schnittansichten der Ausbildungen einer einzelnen Vorrichtung auf dem Wafer. In der Praxis und gemäß industrieller Gewohnheit wird ein Wafer mit einer großen Anzahl an Elementen darauf durch das folgende Verfahren behandelt und in einzelne Vorrichtungen unterteilt oder geschnitten.
Eine SiO₂-Schicht 11 wurde durch Sputtern in einer Dicke von etwa 2000 Å auf der Kontaktschicht 62 ausgebildet. Dann wurde die SiO₂-Schicht 11 mit einer Photolackschicht 12 beschichtet. Ein ausgewählter Teil oder Bereich der Photolackschicht 12, mit A' bezeichnet, wurde durch Photolithographie entfernt, wie es in 13 gezeigt ist. Ein Teil des Bereichs der SiO₂-Schicht 11, welcher nicht mit der Photolackschicht 12 bedeckt war, wurde dann durch eine Ätzflüssigkeit wie etwa Flusssäure weggeätzt, wie es in 14 gezeigt ist.
Dann wurde der freigelegte Teil der nachfolgenden Schichten von der Oberfläche der Vorrichtung, der Kontaktschicht 62, runter bis zur n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration durch Trockenätzen oder durch Anlegen einer Hochfrequenzenergiedichte von 0,44 W/cm² und BCl₃-Gas von 10 ml/min bei einem Vakuum von 0,04 Torr entfernt. Danach wurde die Vorrichtung mit Argon (Ar) trockengeätzt. Infolgedessen wurde ein Teil A der n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration ausgebildet, welcher eine Elektrode bildet, wie es in 15 gezeigt ist.
Dann wurde die verbleibende SiO₂-Schicht 11 auf der p-Schicht 62 aus GaN mit Flusssäure entfernt, auf der gesamten Oberfläche der Vorrichtung wurde durch Dampfabscheidung eine Nickel(Ni)-Schicht auflaminiert und darauf wurde ein Photolack abgeschieden. Der Photolack wurde dann selektiv durch Photolithographie weggeätzt, wobei Muster für die Ausgestaltung der auszubildenden Elektroden, verbunden mit der n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration bzw. der p-Schicht 62, zurückblieben. Unter Verwendung des Photolacks als einer Maske wurde der von dem Photolack freie Teil oder Bereich der Ni-Schicht durch eine Ätzflüssigkeit wie etwa Salpetersäure weggeätzt. Dann wurde die Photolackschicht mit einer Photolack entfernenden Flüssigkeit wie etwa Aceton entfernt. Im Anschluss wurde eine Ni-Elektrode 8 auf der n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration ausgebildet, und die Elektrode 7 wurde auf der p-Schicht 62 ausgebildet.
Ein durch das vorstehend erwähnte Verfahren behandelter Wafer wurde unterteilt oder geschnitten, um separate Chips oder Elemente einschließlich einer LED 300 aus einer Galliumnitridverbindung, wie in 11 gezeigt, auszubilden.
Es wurde gefunden, dass die erhaltene LED 300 eine Lichtintensität von 2 mW und eine Spitzenwellenlänge im Lichtspektrum von 380 nm aufwies, bei einem Antriebsstrom von 20 mA. Die Lichtausbeute betrug 3%, was das Zehnfache der herkömmlichen LED ist.
Beispiel 8
Die 16 zeigt eine MQW-Emissionsschicht 50 gemäß Beispiel 8. Der Unterschied zwischen den Beispielen 7 und 8 besteht darin, ob sowohl Zn und Si in jeden der Töpfe dotiert war oder nicht. Im Beispiel 7 waren sowohl Zn als auch Si in jeden der fünf Töpfe 572 dotiert, aber im Beispiel 8 ist entweder Zn oder Si selektiv in jeden der fünf Töpfe dotiert. Das heißt, im Beispiel 8 ist jeder der zwei mit Zn dotierten Töpfe 582 und der drei mit Si dotierten Töpfe 583 alternierend zwischen zwei angrenzenden von sechs nicht dotierten Barrieren 581 ausgebildet, um eine 0,11 μm dicke MQW-Emissionsschicht auszubilden. Eine der sechs Barrieren 581 ist die unterste Schicht, welche auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ausgebildet ist. Die anderen Bedingungen und anderen Schichten sind die gleichen wie jene, welche in Beispiel 7 zur Ausbildung der LED 300 verwendet wurden.
Die Struktur der MQW-Emissionsschicht 50 in dieser Ausführungsform realisierte eine Lichtemission zwischen Akzeptor- und Donorenergieniveaus und verbesserte die Ultraviolettlichtausbeute.
Es wurde gefunden, dass die erhaltene LED mit der MQW-Struktur dieser Ausführungsform eine Lichtintensität von 5 mW und eine Spitzenwellenlänge von 380 nm im Lichtspektrum aufwies, bei einem Antriebsstrom von 20 mA. Die Lichtausbeute betrug 7%, was das 25-fache der herkömmlichen LED ist.
Beispiel 9
Wie es in 17, welche nicht der Erfindung entspricht, gezeigt ist, weist die MQW-Emissionsschicht 50 in dieser Ausführungsform sechs mit Si dotierte Barrieren 591 und fünf mit Zn dotierte Töpfe 592 auf, welche alternierend ausgebildet sind. Eine der sechs Barriereschichten war die unterste Schicht, welche auf der n-artigen Kaschierungsschicht 4 ausgebildet war. Die Dicke des Topfes und der Barriere und die anderen Bedingungen sind die gleichen wie jene der LED in Beispiel 7.
Diese Struktur realisierte ebenfalls eine Lichtemission zwischen Akzeptor- und Donorenergieniveaus sowie eine verbesserte Ultraviolettlichtausbeute. In einer Alternative kann Si in die Töpfe 592 dotiert sein und kann Zn in die Barrieren 591 dotiert sein.
Es wurde gefunden, dass die in diesem Bespiel erhaltene LED mit der MQW-Struktur eine Lichtintensität von 5 mW und eine Spitzenwellenlänge von 370 nm im Lichtspektrum aufweist, bei einem Antriebsstrom von 20 mA. Die Lichtausbeute betrug 7%, was das 25-fache der herkömmlichen LED ist.
Beispiel 10
Dieses Beispiel umfasst eine andere MQW-Emissionsschicht 50 gemäß der Erfindung, welche erhalten wird, indem in jede der Barrieren 571 des Beispiels 7 zusätzlich Mg dotiert wird und sie durch Hitzebehandlung bearbeitet werden, um eine p-artige Leitung zu erhalten.
Es wurde gefunden, dass die in dieser Ausführungsform erhaltene LED mit der MQW-Emissionsschicht 50 eine Lichtintensität von 10 mW und eine Spitzenwellenlänge von 380 nm im Lichtspektrum aufweist, bei einem Antriebsstrom von 20 mA. Ihre Lichtausbeute betrug 15%, was das 50-fache der herkömmlichen LED ist.
Beispiel 11
Die 18 zeigt eine im Beispiel 11, welches nicht der Erfindung entspricht, ausgeführte LED 400. Sie weist ein Saphirsubstrat 1 (Al₂O₃) auf, auf welchem eine Pufferschicht 2 aus Aluminiumnitrid (AlN) in einer Dicke von 500 Å ausgebildet war. Nachfolgend sind zwei n-artige Schichten auf der AlN-Pufferschicht 2 ausgebildet: mit Silicium (Si) dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 5,0 μm, welches eine n⁺-Schicht 3 mit hoher Trägerkonzentration mit einer Elektronenkonzentration von 5 × 10¹⁸/cm³ bildet, sowie mit Si dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 0,5 μm, welches eine n-Schicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³ bildet. Eine MQW, eine Emissionsschicht 50, ist in einer Dicke von etwa 0,41 μm auf der n-Schicht 4 ausgebildet. Mit Mg dotiertes Al_0,08Ga_0,92N ist einer Dicke von etwa 0,5 μm auf der MQW-Emissionsschicht 50 ausgebildet, um eine p-Schicht 61 mit einer Lochkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³ und einer Mg-Konzentration von 5 × 10²⁰/cm³ auszubilden. Mit Mg dotiertes GaN, eine Kontaktschicht 62, ist in einer Dicke von etwa 1 μm auf der p-Schicht 61 ausgebildet und weist eine Lochkonzentration von 7 × 10¹⁸/cm³ sowie eine Mg-Konzentration von 5 × 10²¹/cm³ auf. Nickelelektroden 7 und 8 sind auf der Kontaktschicht 62 bzw. einem freiliegenden Bereich oder Abschnitt der n⁺-Schicht 3 ausgebildet und damit verbunden.
Wie es in 19 gezeigt ist, wird die MQW-Emissionsschicht 50 durch 21 Barrieren 5111 aus GaN und 20 Töpfe 5112 aus mit Si dotiertem In_0,07Ga_0,93N gebildet. Eine der 21 Barrieren 5111 ist die unterste Schicht, welche auf der n-artigen Schicht 4 ausgebildet ist. Die Barrieren 5111 und die Töpfe 5112 weisen jeweils eine Dicke von etwa 100 Å auf und sind wiederholt und alternierend laminiert, um eine vollständige MQW-Schicht 50 zu bilden, welche 0,41 μm dick ist. Die Konzentration des in die Töpfe 5112 dotierten Si beträgt 5 × 10¹⁸/cm³.
Das Saphirsubstrat 1 und die Pufferschicht 2 wurden durch die gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Auf der Pufferschicht 2 wurde mit Si dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 5,0 μm, eine n⁺-Schicht 3 mit einer hohen Trägerkonzentration mit einer Elektronenkonzentration von 5 × 10¹⁸/cm³, auf der Pufferschicht 2 unter den eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1150°C gehalten wurde und gleichzeitig für 70 Minuten H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,7 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 200 ml/min eingeleitet wurden.
Mit Si dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 0,5 μm, eine n-Schicht 4 mit einer Elektronenkonzentration von 5 × 10¹⁷/cm³, wurde auf der n⁺-Schicht 3 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 30 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 10 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden.
Nicht dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 100 Å, eine Barriere 5111, wurde auf der n-artigen Schicht 4 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 850°C gehalten wurde und gleichzeitig für 3 Minuten H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min und TMG mit 1,7 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Dann wurde mit Si dotiertes In_0,07Ga_0,93N in einer Dicke von etwa 100 Å, ein Topf 5112, mit einer Si-Konzentration von 5 × 10¹⁸/cm³ auf der Barriere 5111 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass gleichzeitig für 3 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 2,1 × 10^–4 mol/min, TMI mit 0,02 × 10^–4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit 3 × 10^–9 mol/min eingeleitet wurden. Die Barriere 5111 und der Topf 5112 wurden wiederholt und alternierend ausgebildet, um eine vollständige MQW-Emissionsschicht 50 auszubilden, welche etwa 0,41 μm dick war.
Mit Mg dotiertes Al_0,08Ga_0,92N in einer Dicke von etwa 0,5 μm, eine p-Schicht 61, wurde auf der MQW-Emissionsschicht 50 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 30 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min, TMA mit 0,47 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 2 × 10^–4 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 61 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomzusatzkonzentration des in die p-Schicht 61 dotierten Mg betrug 5 × 10²⁰/cm³.
Mit Mg dotiertes GaN in einer Dicke von etwa 1,0 μm, eine Kontaktschicht 62, wurde auf der p-Schicht 61 unter den so eingeregelten Bedingungen ausgebildet, dass die Temperatur des Saphirsubstrats 1 bei 1100°C gehalten wurde und gleichzeitig für 4 Minuten N₂ oder H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 Liter/min, NH₃ mit 10 Liter/min, TMG mit 1,12 × 10^–4 mol/min und CP₂Mg mit 4 × 10^–3 mol/min eingeleitet wurden. Der spezifische Widerstand der p-Schicht 62 betrug 10⁸ Ω·cm oder mehr, was isolierende Eigenschaften anzeigt. Die Fremdatomzusatzkonzentration des in die GaN-Schicht 62 dotierten Mg betrug 5 × 10²¹/cm³.
Dann wurden eine Hitzbehandlung und andere Verfahren zur Ausbildung von Elektroden durch die gleichen Verfahren wie jene durchgeführt, die in Beispiel 7 beschrieben wurden.
Da die Töpfe 5112 mit einem Donor- oder einem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert waren, deren Aktivierungsenergie gering ist, nahm die Anzahl an Lichtzentren zu, was die Lichtausbeute verbesserte.
Es wurde gefunden, dass die erhaltene LED 400 eine Lichtintensität von 2 mW und eine Spitzenwellenlänge von 380 nm im Lichtspektrum aufweist, bei einem Antriebsstrom von 20 mA. Die Lichtausbeute war auf 3% verbessert, was das 10-fache der herkömmlichen LED ist.
Im Beispiel 11 liegt die bevorzugte Konzentration des in die Töpfe dotierten Si im Bereich von 1 × 10¹⁷/cm³ bis 5 × 10¹⁸/cm³. Wenn die Si-Konzentration niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³ liegt, ist die Lichtausbeute verringert. Wenn die Si-Konzentration höher als 5 × 10¹⁸/cm³ liegt, wird die Kristallinität der Töpfe schlecht.
Obwohl In_0,07Ga_0,93N, oder eine ternäre Verbindung, als das Material der Töpfe 5112 verwendet wurde, kann anstelle dessen eine Verbindung aus vier Elementen wie etwa Al_0,03Ga_0,89In_0,08N verwendet werden. Des Weiteren wurde für die Barrieren 5111 im Beispiel 11 GaN verwendet. Alternativ können Halbleiter wie etwa Al_x2Ga_y2In_1-x2-y2N, welche eine breitere Bandlücke als jene der Töpfe 5112 aufweisen, verwendet werden. Die Anzahl der Sätze aus dem Topf und der Barriere kann von 1 bis 20 variiert werden. Es ist bevorzugt, die Zusammensetzungsverhältnisse der Barrieren 5111 und der Töpfe 5112 so auszuwählen, dass ihre Gitterkonstanten grob angeglichen werden.
In den Beispielen 7 bis 11 waren die MQW-Emissionsschichten 50 zwischen zwei angrenzenden Schichten, der p-Schicht 61 und der n-Schicht 4, deren Bandlücken breiter als jene der Barrieren der MQW-Emissionsschicht 50 sind, sandwichartig angeordnet, so dass eine doppelte Heteroverbindungsstruktur ausgebildet wurde. Alternativ kann eine einzelne Heteroverbindungsstruktur verwendet werden, und die Anzahl der Paare aus dem Topf und der Barriere ist größer als 1. Gemäß der Erfindung können der Akzeptorfremdatomzusatz und der Donorfremdatomzusatz in sowohl den Topf als auch die Barriere dotiert sein.
Des Weiteren wurde in den Beispielen 7 bis 11 ein Glühen mit Hitze eingesetzt, um eine p-artige Leitung zu erhalten. Alternativ kann eine Elektronenbestrahlung eingesetzt werden, um das gleiche zu erzielen.
In den Beispielen 7 bis 11 wurden Zn als ein Akzeptorfremdatomzusatz und Si als ein Donorfremdatomzusatz eingesetzt. Alternativ kann eines oder mehrere von Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) der Elemente der Gruppe II als ein Akzeptorfremdatomzusatz eingesetzt werden, und eines oder mehrere von Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb) der Elemente der Gruppe IV kann als ein Donorfremdatomzusatz eingesetzt werden. Des Weiteren kann alternativ eines oder mehrere der angegebenen Elemente der Gruppe-IV-Elemente als ein Akzeptorfremdatomzusatz eingesetzt werden, und eines oder mehrere von Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te) der Elemente der Gruppe VI können als ein Donorfremdatomzusatz eingesetzt werden.
Obwohl die Beispiele 7 bis 11 LEDs angeben, können sie zudem für eine Laserdiode angewendet werden.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischsten und am meisten bevorzugten Ausführungsformen angesehen wird, ist es so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Modifizierungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, welche in den Umfang der angefügten Ansprüche eingeschlossen sind.
Eine Emissionsschicht (5) für eine Lichtquellenvorrichtung ist so ausgebildet, dass sie eine mehrschichtige Struktur hat, welche mit einem Akzeptor- und einem Donorfremdatomzusatz dotiert ist. Die mehrschichtige Struktur kann eine mehrfache Quantentopfstruktur (MQW) (50) einschließen. Mit solch einer Struktur kann die Spitzenwellenlänge der Lichtquelle gesteuert werden, da die Abstände zwischen Atomen des Akzeptor- und des Donorfremdatomzusatzes aufgeweitet werden. Verschiedene Anordnungen können ausgeführt werden, z. B. durch Verändern der Dicke einer jeden Verbundschicht der mehrschichtigen Struktur, durch Verändern ihres Zusammensetzungsverhältnis, durch Ausbilden einer nicht dotierten Schicht zwischen den mit Fremdatomzusätzen dotierten Schichten usw. Des Weiteren kann die Lichtintensität der ultravioletten Farbe verbessert werden, da die Dotierung mit dem Donerfremdatomzusatz und dem Akzeptorfremdatomzusatz einen Doner-Akzeptor-Emissionsmechanismus sowie zahlreiche Träger realisiert. Verschiedene Anordnungen können ausgeführt werden, z. B. durch Optimieren der Materialien der Verbundschichten, durch Optimieren ihrer Zusammensetzungsverhältnisse, durch Optimieren ihrer Gitterkonstanten usw., um die Lichtintensität der Lichtquelle weiter zu vergrößern.

Claims

Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, welche umfasst: eine Emissionsschicht (5), welche sowohl mit einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert ist, wobei die Emissionsschicht (5) eine mehrschichtige Struktur mit mehreren Schichten (542; 545; 549; 582), welche mit dem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert sind, und mehreren Schichten (541; 544; 548; 583), die mit dem Donorfremdatomzusatz dotiert sind, umfasst, wobei die Schichten (542; 545; 549; 582), die mit dem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert sind, und die Schichten (541; 544; 548; 583), welche mit dem Donorfremdatomzusatz dotiert sind, alternierend übereinander ausgebildet sind und wobei nicht dotierte Schichten (540; 543; 546; 547; 581) fortlaufend zwischen diesen ausgebildet sind.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsschicht (5) ein Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid umfasst, welches die Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN, einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0, erfüllt.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der nicht dotierten Schichten eine Dicke von 50 Å bis 500 Å aufweist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Akzeptorfremdatomzusatz und der Donorfremdatomzusatz in der Emissionsschicht (5) durch eine von Modulationsdotierung und δ-Dotierung verteilt sind.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Akzeptorfremdatomzusatz dotierten Schichten (542; 545; 549; 582) und die mit dem Donorfremdatomzusatz dotierten Schichten (541; 544; 548; 583) jeweils eine Dicke von 50 Å bis 500 Å aufweisen.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mit dem Akzeptorfremdatomzusatz dotierten Schichten (542; 545; 549; 582) ein Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid umfasst, welches die Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN, einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0, erfüllt, und dadurch gekennzeichnet, dass jede der mit dem Donorfremdatomzusatz dotierten Schichten (541; 544; 548; 583) ein Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid mit einem variierten Zusammensetzungsverhältnis dieser Formel umfasst.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, welche umfasst: eine Emissionsschicht mit einer Struktur (50) mit mehrfachen Quantentöpfen (multi quantum well, MQW), die eine Vielzahl alternierend gestapelter Topfschichten (552; 562; 572) und Barriereschichten (551; 561; 571) aufweist, wobei jede der Topfschichten (552; 562; 572) mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Topfschichten (552; 562; 572) und jede der Barriereschichten (551; 561; 571) der Emissionsschicht (50) mit sowohl einem Akzeptorfremdatomzusatz als auch einem Donorfremdatomzusatz dotiert sind.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Barriereschichten (551; 561; 571) der Emissionsschicht (50) nicht mit irgendeinem Fremdatomzusatz dotiert ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Barriereschichten (551; 561; 571) der Emissionsschicht (50) mit einem Akzeptorfremdatomzusatz dotiert ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mit mehrfachen Quantentöpfen (MQW) alternierend Al_x2Ga_1-x2N-Barriereschichten (551; 561; 571) und Al_x1Ga_1-x1N-Topfschichten (552; 562; 572) umfasst, wobei 0 ≤ x 1 ≤ 1, 0 ≤ x 2 ≤ 1 und x1 ≤ x2 ist.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtung aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mit mehrfachen Quantentöpfen (MQW) einen Al_x1Ga_y1In_1-x1-y1N-Topf (552; 562; 572) und eine Al_x2Ga_y2In_1-x2-y2N-Barriere (551; 561; 571) aufweist, wobei eine Bandlücke der Barriere (551; 561; 571) breiter ist als eine Bandlücke des Topfes (552; 562; 572).