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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Licht emittierenden Vorrichtung.
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Licht
emittierenden Vorrichtungen wie etwa Licht emittierende Dioden und
Halbleiter-Laservorrichtungen,
die aus einem Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V wie etwa
GaN, AlGaN, InGaN und InAlGaN gebildet sind, wird große Aufmerksamkeit
geschenkt, da sie mittels direkter Übertragung Licht im gelben
bis ultravioletten Bereich, insbesondere dabei im blauen Bereich,
mit großer
Lichtstärke
emittieren können.
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8 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Licht emittierenden
Diode, die aus einem Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V besteht.
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In 8 sind
nacheinander auf einem Saphirsubstrat 101 eine GaN-Pufferschicht 102,
eine GaN-Kontaktschicht vom n-Typ, die auch als Mantelschicht vom
n-Typ dient, eine aktive InGaN-Schicht 104, eine AlGaN-Mantelschicht
vom p-Typ 105 sowie eine GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 106 ausgebildet.
Es ist eine p Elektrode 107 auf der GaN-Kontaktschicht
vom p-Typ 106 ausgebildet, und eine n Elektrode 108 ist
auf der GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 103 ausgebildet.
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Die
einzelnen Schichten dieser Licht emittierenden Diode werden z.B.
mittels organischer chemischer Dampfauftragung (MOCVD) bei einer
in Tabelle 1 dargestellten Züchtungstemperatur
gezüchtet.
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Bei
der Herstellung dieser Licht emittierenden Diode wird die AlGaN-Mantelschicht
vom p-Typ 105 auf der InGaN-Aktivschicht 104 bei
einer höheren
Züchtungstemperatur
als jene der InGaN-Aktivschicht 104 ausgebildet, um eine
gute Kristallinität
zu erreichen. Die Züchtung
der AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 105 bei einer so hohen
Temperatur bewirkt die Entfernung von Bestandteilen wie In aus der
InGaN-Aktivschicht 104. Die Kristallinität der InGaN-Aktivschicht 104 wird
somit verschlechtert, wenn die AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 105 kristallgezüchtet wird.
Dies führt
zu Schwierigkeiten bei der Erzielung größerer Lichtstärken mit
der Licht emittierenden Diode.
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JP 07249795 beschreibt
die Verwendung einer GaN-Deckschicht zur Verhinderung der Entfernung von
In aus einer InGaN-Pufferschicht.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Schritte des Ausbildens einer aktiven Schicht,
die aus einem Verbundhalbleiter besteht, der Indium enthält, durch
ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung
und des Ausbildens einer Deckschicht, die aus einem Verbundhalbleiter
besteht, auf der aktiven Schicht durch ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung bei einer
Temperatur, die in etwa gleich hoch wie oder niedriger als eine
Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht ist.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren
der Erfindung unterdrückt
die Ausbildung der Deckschicht auf der aktiven Schicht bei einer
Züchtungstemperatur,
die in etwa gleich groß wie
oder niedriger als die Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht ist, die Entfernung von Bestandteilen wie Indium
aus der aktiven Schicht. Dies sichert eine höhere Lichtstärke.
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Das
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung umfasst weiters
den Schritt des Ausbildens einer Mantelschicht, die aus einem Verbundhalbleiter
besteht, auf der Deckschicht durch ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung bei
einer Züchtungstemperatur,
die höher
als die Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht ist.
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Die
Deckschicht besteht aus AluGa1-uN,
die Mantelschicht besteht aus Al2Ga1-2N eines Leitfähigkeitstyps, und vorzugsweise
ist der Zusammensetzungsanteil u von Al in der Deckschicht kleiner
als der Zusammensetzungsanteil z von Al in der Mantelschicht.
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Insbesondere
wird bevorzugt, dass der Zusammensetzungsanteil u von Al in der
Deckschicht etwa 0,1 oder weniger beträgt. Noch mehr wird bevorzugt,
dass die Deckschicht aus GaN besteht. In diesem Fall wird, da die
Deckschicht aus einer GaN-Schicht gebildet ist, die Entfernung von
Indium aus der aktiven Schicht unterdrückt, wodurch eine beträchtlich
höhere
Lichtstärke
bereitgestellt wird.
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Insbesondere
wird bevorzugt, dass die Deckschicht eine undotierte Schicht ist.
In diesem Fall ist eine Diffusion von unerwünschten Verunreinigungen von
der Deckschichtseite zur Seite der aktiven Schicht beinahe unmöglich. Dies
unterdrückt
die Verschlechterung der Lichtstärke
aufgrund unerwünschter
Diffusion von Verunreinigungen in beträchtlichem Ausmaß.
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Vorzugsweise
weist die Deckschicht eine Dicke von etwa nicht weniger als 20 nm
(200 Å)
und etwa nicht mehr als 40 nm (400 Å) auf. Dies ermöglicht eine
bemerkenswerte Verbesserung der Lichtstärke.
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Die
Deckschicht wird bei einer Züchtungstemperatur
gebildet, die etwa gleich wie jene der aktiven Schicht ist. Dies
ermöglicht,
dass die Deckschicht kontinuierlich ohne zeitlichen Abstand nach
der Ausbildung der aktiven Schicht ausgebildet werden kann, wodurch
die Entfernung von Indium aus der aktiven Schicht beträchtlich
verhindert werden kann.
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Die
aktive Schicht wird vorzugsweise bei einer Züchtungstemperatur von nicht
weniger als 700°C
und nicht mehr als 950°C
ausgebildet. Die Deckschicht wird vorzugsweise bei einer Züchtungstemperatur
von nicht weniger als 700°C
und nicht mehr als 950°C
ausgebildet. Die Ausbildung der Deckschicht auf der aktiven Schicht bei
einer niedrigen Züchtungstemperatur
unterdrückt
die Entfernung von Indium aus der aktiven Schicht.
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Die
aktive Schicht weist eine Quantentopfstruktur auf, die eine InGaN-Quantentopfschicht
und eine GaN-Quantensperrschicht umfasst, und die GaN-Quantensperrschicht
wird durch ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung bei einer Züchtungstemperatur
von nicht weniger als 700°C
und nicht mehr als 950°C
ausgebildet. In diesem Fall wird die Entfernung von Indium aus der
InGaN-Quantentopfschicht unterdrückt,
wodurch eine größere Lichtstärke ermöglicht wird.
Eine InGaN-Quantensperrschicht mit einem Zusammensetzungsanteil,
der geringer als jener der Quantentopfschicht ist, kann ebenfalls
verwendet werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst weiters den Schritt des Ausbildens einer ersten
Mantelschicht, die aus einem Verbundhalbleiter mit einer Leitfähigkeit
eines ersten Typs besteht, durch ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung,
bevor die aktive Schicht, die aus InGaN besteht, durch ein Verfahren
der Dampfphasenzüchtung
auf der ersten Mantelschicht ausgebildet wird, wobei die AlGaN-Deckschicht
auf der aktiven Schicht durch ein Verfahren der Dampfphasenzüchtung bei
einer Züchtungstemperatur
ausgebildet wird, die etwa gleich groß wie oder niedriger als die
Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht ist, und wobei die zweite Mantelschicht, die
aus AlGaN mit einer Leitfähigkeit
eines zweiten Typs besteht, auf der Deckschicht durch ein Verfahren
der Dampfphasenzüchtung bei
einer höheren
Züchtungstemperatur
als jener der aktiven Schicht ausgebildet wird.
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Die
erste Mantelschicht wird aus einem Halbleitersystem aus Nitriden
der Gruppe III–V
mit einer Leitfähigkeit
des ersten Typs gebildet.
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Vorzugsweise
wird eine Pufferschicht, die aus einem Halbleitersystem aus Nitriden
der Gruppe III–V von
Nicht-Einkristallen und einer Einkristall-Unterschicht, die aus
einem undotierten Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V besteht,
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat ausgebildet, wonach eine
Kristallzüchtung
für die erste
Mantelschicht, die aktive Schicht, die Deckschicht und die zweite
Mantelschicht durchgeführt
wird. Vorzugsweise ist die Pufferschicht aus AlGaN gebildet. Die
Pufferschicht kann aus AlN ausgebildet sein. Die Unterschicht ist
vorzugsweise aus GaN gebildet, und die Unterschicht kann aus AlGaN
gebildet sein.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser
ersichtlich.
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1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Licht emittierenden
Diode gemäß einem Verfahren
zur Herstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Licht emittierenden
Diode gemäß einem Verfahren
zur Herstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung
gemäß einem Verfahren
zur Herstellung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung
gemäß einem Verfahren
zur Herstellung einer fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung
gemäß einem Verfahren
zur Herstellung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung
eines Beispiels einer Struktur, die nicht Teil der Erfindung ist.
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7 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung
eines weiteren Beispiels einer Struktur, die nicht Teil der Erfindung
ist.
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8 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen
Licht emittierenden Diode.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode, die aus
einem Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V besteht,
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist nunmehr im Detail mit Bezug auf die 1 beschrieben.
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In 1 sind
in dieser Reihenfolge auf einem Saphir-Isoliersubstrat 1 eine
11 nm (110 Å)
dicke undotierte AlxGa1-xN
(x = 0,5) Pufferschicht 2, eine 0,2 μm dicke undotierte GaN-Unterschicht 3,
eine 4 μm
dicke Si-dotierte GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 4, die auch als Mantelschicht
vom n-Typ dient, und eine 0,2 μm
dicke Zn- und Si-dotierte InqGa1-qN
(q = 0,05) aktive Schicht 5 ausgebildet. In dieser Reihenfolge
sind auf der aktiven InGaN-Schicht 5 eine 20 nm (200 Å) dicke
undotierte GaN-Deckschicht 6 zur
Verhinderung der Kristallverschlechterung auf der aktiven Schicht 5,
eine 0,15 μm
dicke Mg-dotierte Al2Ga1-2N
(z = 0,2) Mantelschicht vom p-Typ 7 und eine 0,3 μm dicke Mg-dotierte
GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 8 ausgebildet.
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Es
wird der Teil von der GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 8 bis
zu einer gewissen Stelle in der GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 4 entfernt,
so dass die Kontaktschicht vom n-Typ 4 freiliegt. Eine
p Elektrode 9, die aus Au besteht, ist auf der Oberseite
der GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 8 ausgebildet, und eine
n Elektrode 10, die aus Al besteht, ist auf dem n-Elektrodenausbildungsbereich
ausgebildet, in welchem die GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 4 freiliegt.
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Das
Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Licht emittierenden
Diode wird nunmehr erklärt.
In dieser Ausführungsform
werden die einzelnen Schichten mittels einer organisch-chemischen
Metalldampfauftragung (MOCVD) ausgebildet.
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Zuerst
wird das Substrat 1 in einer Vorrichtung zur organisch-chemischen
Metalldampfauftragung eingesetzt. Danach wird, wobei das Substrat 1 auf
einer Nicht-Einkristall-Züchtungstemperatur,
z.B. einer Züchtungstemperatur
(einer Substrattemperatur) von 600°C, gehalten wird, die undotierte
Nicht-Einkristall-AlGaN-Pufferschicht 2 auf dem Substrat 1 gezüchtet, wobei
H2 und N2 als Trägergas und
Ammo niak, Trimethylgallium (TMG) und Trimethylaluminium (TMA) als
Materialgas verwendet werden.
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Im
Anschluss daran wird, wobei das Substrat 1 auf einer Einkristall-Züchtungstemperatur
oder einer Züchtungstemperatur
von vorzugsweise 1.000–1.200°C, so z.B.
1.150°C,
gehalten wird, die undotierte Einkristall-GaN-Unterschicht 3 auf
der Pufferschicht 2 gezüchtet,
wobei H2 und N2 als
Trägergas
und Ammoniak und Trimethylgallium (TMG) als Materialgas verwendet
werden.
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Danach
wird, wobei das Substrat 1 auf einer Einkristall-Züchtungstemperatur
oder einer Züchtungstemperatur
von 1.000–1.200°C, so z.B.
1.150°C,
gehalten wird, die Si-dotierte Einkristall-GaN-Kontaktschicht vom
n-Typ 4 auf der Unterschicht 3 gezüchtet, wobei
H2 und N2 als Trägergas,
Ammoniak und Trimethylgallium (TMG) als Materialgas und SiH4 als Dotiergas verwendet werden.
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Als
nächster
Schritt wird, während
das Substrat 1 bei einer Einkristall-Züchtungstemperatur oder vorzugsweise
bei einer Züchtungstemperatur
von 700–950°C, z.B. bei
860°C, gehalten
wird, die Si- und Zn-dotierte Einkristall-InGaN-Aktivschicht 5 auf
der Kontaktschicht vom n-Typ 4 gezüchtet, wobei H2 und
N2 als Trägergas, Ammoniak, Triethylgallium
(TEG) und Trimethylindium (TMI) als Materialgas und SiH4 und
Diethylzink (DEZ) als Dotiergas verwendet werden.
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Im
Anschluss daran wird, während
das Substrat 1 auf einer Temperatur, die gleich hoch wie
oder niedriger als die Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht 5 ist, oder in dieser Ausführungsform
bei 860°C,
gehalten wird, die undotierte Einkristall-GaN-Deckschicht 6 auf der InGaN-Aktivschicht 5 kontinuierlich
nach Züchtung
der aktiven Schicht 5 gezüchtet, wobei H2 und
N2 als Trägergas und Ammoniak und Trimethylgallium (TMG)
als Materialgas verwendet werden. Triethylgallium (TEG) kann anstelle
von Trimethylgallium (TMG) verwendet werden.
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Danach
wird, während
das Substrat 1 auf einer Einkristall-Züchtungstemperatur, d.h. vorzugsweise
bei einer Züchtungstemperatur
von 1.000–1.200°C, z. B.
1.150°C, gehalten
wird, die Mg-dotierte Einkristall-AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 7 auf
der GaN-Deckschicht 6 gezüchtet, wobei H2 und
N2 als Trägergas, Ammoniak, Trimethylgallium
(TMG) und Trimethylaluminium (TMA) als Materialgas und Cp2Mg (Cyclopentadienylmagnesium) als Dotiergas
verwendet werden.
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Im
nächsten
Schritt wird, während
das Substrat 1 bei einer Einkristall-Züchtungstemperatur, d.h. vorzugsweise
bei einer Züchtungstemperatur
von 1.000–1.200°C, z.B. 1.150°C, gehalten
wird, die Mg-dotierte Einkristall-GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 8 auf
der Mantelschicht vom p-Typ 7 gezüchtet, wobei H2 und
N2 als Trägergas, Ammoniak und Trimethylgallium
(TMG) als Materialgas und Cp2Mg (Cyclopentadienylmagnesium) als
Dotiergas verwendet werden.
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Nach
der Kristallzüchtung
wird das Substrat 1 aus der Vorrichtung entnommen, und
es wird der Teil von der Kontaktschicht vom p-Typ 8 bis
zur Hälfte
der Kontaktschicht vom n-Typ 4 mittels reaktiver Ionenstrahlätzung (RIE)
entfernt, um den n Elektrodenausbildungsbereich auszubilden, in
welchem die Kontaktschicht vom n-Typ 4 freiliegt.
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Danach
wird 30–60
Minuten lang in einer Stickstoffatmosphäre eine Wärmebehandlung durchgeführt, um
die Dotiermittel in der Kontaktschicht vom p-Typ 8 und
der Mantelschicht vom p-Typ 7 zu aktivieren, um auf diese
Weise eine hohe Trägerkonzentration
zu erhalten und die Kristallverschlechterung in der Kontaktschicht vom
n-Typ 4,
die durch das Ätzen
ausgelöst
wird, zu korrigieren.
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Danach
wird die p Elektrode 9, die aus Au besteht, mittels Verdampfung
oder dergleichen auf der Kontaktschicht vom p-Typ 8 ausgebildet,
und es wird die n Elektrode 10, die aus Al besteht, mittels
Verdampfung oder dergleichen auf dem n Elektrodenausbildungsbereich
der Kontaktschicht vom n-Typ 4 ausgebildet. Es wird daraufhin
eine Wärmebehandlung
bei 500°C
durchgeführt,
um zu bewirken, dass die p Elektrode 9 und die n Elektrode 10 mit
der Kontaktschicht vom p-Typ 8 bzw. der Kontaktschicht
vom n-Typ in ohmschen Kontakt kommen, um dadurch die in 1 dargestellte
Licht emittierende Diode auszubilden.
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Diese
Licht emittierende Diode, die eine undotierte GaN-Deckschicht 6 in
engem Kontakt mit der InGaN-Aktivschicht 5 aufweist, verhindert
das Entfernen von Bestandteilen wie In aus der InGaN-Aktivschicht 5 bei
oder nach der Ausbildung der aktiven Schicht 5. Dies verringert
die Anzahl von Kristalldefekten in der aktiven Schicht 5,
wodurch die Verschlechterung der Kristallinität unterdrückt wird.
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Weiters
ist man der Meinung, dass eine unerwünschte Diffusion von Verunreinigungen
in die aktive Schicht 5 unterdrückt wird, da es eine kleinere
Anzahl von Kristalldefekten gibt.
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Darüber hinaus
wird, da die GaN-Deckschicht 6 dieser Ausführungsform
eine sogenannte undotierte Schicht ist, die ohne absichtliche Verwendung
von Dotiermitteln ausgebildet wird, eine unerwünschte Diffusion von Verunreinigungen
in die InGaN-Aktivschicht 5 ausreichend
unterdrückt.
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Wie
bereits oben ausgeführt
wurde, unterdrücken
in dieser Ausführungsform
der Effekt des Unterdrückens
von Diffusion von Verunreinigungen in die aktive Schicht 5,
was darauf zurück
geht, dass die Anzahl von Kristalldefekten in der aktiven Schicht 5 durch
Unterdrückung
des Entfernens von Bestandteilen aus der aktiven Schicht reduziert
ist, und der Effekt des Unterdrückens
von Diffusion von Verunreinigungen in die aktive Schicht 5,
was darauf zurückgeht,
dass die Deckschicht 6 eine undotierte Schicht ist, in
beträchtlicher
Weise eine unerwünschte
Diffusion von Verunreinigungen in die aktive Schicht 5.
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Demgemäß erreicht,
während
die Licht emittierenden Dioden mit derselben Struktur wie jener
dieser Ausführungsform – mit Ausnahme
derer, die keine Deckschicht 6 aufweisen – große Variationen
bei der Wellenlänge
der Lichtemission, keine Lichtemission oder geringe Lichtemission
zeigen, die Licht emittierende Diode dieser Ausführungsform geringe Variationen
bei der Wellenlänge
der Lichtemission und somit beträchtlich gesteigerte
Lichtstärke.
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Insbesondere
bei der Herstellung der Licht emittierenden Diode dieser Ausführungsform
wird die undotierte GaN-Deckschicht 6 direkt auf der gesamten
Oberfläche
der InGaN-Aktivschicht 5 bei einer Temperatur gezüchtet, die
nicht höher
als die Züchtungstemperatur
der InGaN-Aktivschicht 5 ist. Dies verhindert nicht nur die
Entfernung von Indium aus der InGaN-Aktivschicht 5, wenn
die Deckschicht 6 ausgebildet wird, sondern es wird auch
die Entfernung von Indium aus der InGaN-Aktivschicht 5 nach
der Ausbildung der Deckschicht 6 verhindert. Demgemäß ist das
Verfahren zur Herstellung dieser Ausführungsform erwünscht.
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Insbesondere
in dieser Ausführungsform
unterdrückt
das kontinuierliche Züchten
der InGaN-Aktivschicht 5 und der GaN-Deckschicht 6 bei
etwa gleich hohen Züchtungstemperaturen
in ausreichender Weise die Entfernung von Indium aus der InGaN-Aktivschicht 5,
und es wird die Produzierbarkeit in Massen verbessert.
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Mit
der oben erwähnten
Struktur betrug die Lichtstärke
mit einer 20 nm (200 Å)
dicken GaN-Deckschicht 6 340 (beliebige Einheit). Mit einer
10 nm (100 Å)
dicken GaN-Deckschicht 6 betrug die Lichtstärke 36 (beliebige
Einheit). Diese ist größer als
jene einer Struktur ohne Deckschicht 6, sie beträgt aber
etwa 1/10 jener der 20 nm (200 Å)
dicken Deckschicht 6. Mit einer 30 nm (300 Å) dicken
GaN-Deckschicht 6 betrug die Lichtstärke das 1,4fache jener der
20 nm (200 Å)
dicken Schicht, und mit einer 40 nm (400 Å) dicken GaN-Deckschicht 6 betrug
sie das 0,8fache jener der 20 nm (200 Å) dicken Schicht.
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Dies
lässt vermuten,
dass ein bevorzugter Effekt erhalten wird, wenn die GaN-Deckschicht 6 eine
Dicke zwischen 20–40
nm (200–400 Å) aufweist,
oder dass bevorzugt wird, dass die GaN-Deckschicht 6 eine Dicke
aufweist, die groß genug
ist, um beinahe keine Quantenwirkung zu erzielen.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Nicht-Einkristall-AlGaN-Pufferschicht 2 auf dem
Substrat 1 ausgebildet, und danach wird die undotierte
GaN-Einkristall-Unterschicht 3 unter Einkristall-Züchtungsbedingungen ausgebildet.
Dies erzeugt problemlos die Unterschicht 3 mit beträchtlich
verbesserten Oberflächenbedingungen,
wodurch das Auslecken von Strom aus der Vorrichtung unterdrückt und
eine Herstellungsausbeute der Vorrichtungen gesteigert wird.
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Wird
eine GaN-Schicht als Nicht-Einkristall-Pufferschicht 2 verwendet,
so erleidet diese wahrscheinlich Löcher in der Oberfläche, was
zu Durchgangsdefekten führen
kann. Es ist somit in Hinblick auf die Herstellungsausbeute unerwünscht, eine
GaN-Schicht als
Pufferschicht 2 zu verwenden. Als eine Nicht-Einkristall-Pufferschicht 2,
die in Kombination mit der undotierten Einkristall-Unterschicht 3 verwendet
wird, wird die Verwendung einer AlN-Schicht in Hinblick auf die
Herstellungsausbeute bevorzugt, und die Verwendung einer AlGaN-Schicht
wird dabei am meisten bevorzugt.
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Die
Oberflächenbedingungen
und die Halbwertsbreite (FWHM) des Röntgenstrahlen-Brechungsspektrums
wurden mit AlGaN-Schichten gemessen, die über unterschiedliche Zusammensetzungsanteile
von Al verfügten.
Die nachfolgende Tabelle 2 veranschaulicht die Messungen.
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Die
Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, dass es erwünscht ist, dass die AlGaN-Schicht
einen Zusammensetzungsanteil von Al von 0,4 oder mehr und kleiner
als 1 und noch mehr bevorzugt von nicht kleiner als 0,4 und nicht
größer als
0,6 aufweist.
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Als
undotierte Einkristall-Unterschicht 3 kann eine AlGaN-Schicht
anstelle der GaN-Schicht
verwendet werden, aber eine AlN-Schicht wird nicht bevorzugt, da
sie auf der Oberfläche
wahrscheinlich Risse ausbildet.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode,
die aus einem Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V gebildet
ist, in einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insofern, als sie
eine 20 nm (200 Å)
dicke undotierte AluGa1-uN-Schicht
als Deckschicht 6 anstelle der undotierten GaN-Schicht
verwendet. Der Wert von u beträgt
etwa 0,1 und 0,2. Diese AluGa1-uN-Schicht
wird ebenfalls mittels MOCVD bei derselben Temperatur wie der Züchtungstemperatur
der aktiven Schicht 5 ausgebildet, in dieser Ausführungsform handelt
es sich dabei um 860°C.
H2 und N2 werden
als Trägergas
verwendet, und Ammoniak, Trimethylgallium (TMG) und Trimethylaluminium
(TMA) werden als Materialgas verwendet. Triethylgallium (TEG) kann
anstelle von Trimethylgallium (TMG) verwendet werden.
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Es
wurde beobachtet, dass die Licht emittierende Diode dieser Ausführungsform
auch eine beträchtlich
größere Lichtstärke bereitstellt,
als dies mit einer Licht emittierenden Diode ohne Deckschicht 6 der
Fall ist.
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Darüber hinaus
stellte im Vergleich zur 20 nm (200 Å) dicken undotierten GaN-Deckschicht 6 in
der ersten Ausführungsform,
für die
gilt, dass sie eine Lichtstärke
von 450 (beliebige Einheit) bereitstellte, eine undotierte AluGa1-uN-Deckschicht 6 mit
einem Zusammensetzungsanteil u von Al von etwa 0,1 in der zweiten
Ausführungsform
eine Lichtstärke
bereit, die kleiner als die Hälfte
davon war, d.h. 190 (beliebige Einheit).
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Mit
einer undotierten AluGa1-uN-Deckschicht 6 mit
einem Zusammensetzungsanteil u von Al von etwa 0,2 betrug die Lichtstärke ein
Drittel jener für
den Zusammensetzungsanteil u von Al von 0,1.
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Dies
zeigt, dass es am meisten bevorzugt ist, eine GaN-Schicht als Deckschicht 6 zu
verwenden, und dass bei der Verwendung einer AluGa1-uN-Schicht ein kleiner Zusammensetzungsanteil
u von Al von 0,1 bevorzugt wird. Je größer der Al-Zusammensetzungsanteil ist, desto größer ist
auch die Bandlücke
einer AlGaN. Der Al-Zusammensetzungsanteil der Mantelschicht vom
p-Typ 7 beträgt,
wie in der ersten Ausführungsform
beschrieben, 0,2. Beträgt
der Al-Zusammensetzungsanteil der Deckschicht 6 0,1, so
ist die Bandlücke
der Deckschicht 6 kleiner als jene der Mantelschicht vom
p-Typ 7. Daraus ist zu verstehen, dass die Deckschicht 6 vorzugsweise
eine Bandlücke
zwischen jener der aktiven Schicht 5 und jener der Mantelschicht
vom p-Typ 7 aufweist.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode,
die aus einem Halbleitersystem aus Nitriden der Gruppe III–V besteht,
in einer dritten Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die 2 beschrieben.
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Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insofern, als sie
keine GaN-Unterschicht 3 verwendet, wobei das Herstellungsverfahren
dasselbe wie jenes in der ersten Ausführungsform ist, nur dass der
Herstellungsschritt des Ausbildens der GaN-Unterschicht 3 weggelassen
wird.
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Während das
Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode dieser
Ausführungsform
eine geringere Ausbeute als die Licht emittierende Diode der ersten
Ausführungsform
bereitstellt, erreicht diese Diode eine größere Lichtstärke als
eine Licht emittierende Diode ohne Deckschicht 6.
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In
den Licht emittierenden Dioden der oben beschriebenen Ausführungsformen
ist eine AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ zwischen der Kontaktschicht
vom n-Typ 4 und der aktiven Schicht 5 bereitgestellt.
Es kann auch eine InGaN-Schicht vom n-Typ zwischen der Kontaktschicht
vom n-Typ 4 und der aktiven Schicht 5 bereitgestellt
werden.
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Die
zuvor angesprochenen Ausführungsformen
verwenden eine aktive Schicht mit einer multiplen Quantentopfstruktur,
die aus einer Quantentopfschicht aus InsGa1-sN (1 > s > 0) und einer Quantensperrschicht aus
InrGa1-rN (1 > s > r ≥ 0)
gebildet ist.
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Wird
eine aus einer Quantentopfschicht aus InsGa1-sN (1 > s > 0) und einer Quantensperrschicht
aus GaN gebildete multiple Quantentopfstruktur verwendet, so wird
vorzugsweise die GaN-Quantensperrschicht bei einer Züchtungstemperatur
von nicht weniger als 700°C
und nicht mehr als 950°C
ausgebildet, und vorzugsweise werden die Quantentopfschicht und
die Quantensperrschicht bei etwa gleich hohen Züchtungstemperaturen gezüchtet.
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Obwohl
die Licht emittierenden Dioden der Ausführungsformen eine Si- und Zn-dotierte aktive Schicht 5 verwenden,
kann auch eine undotierte aktive Schicht verwendet werden.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Index-geführten Halbleiter-Laservorrichtung
in einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 3 beschrieben.
Diese Halbleiter-Laservorrichtung ist eine sich selbst ausrichtende
Halbleiter-Laservorrichtung.
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In 3 sind
in dieser Reihenfolge auf einer Saphir-Isolierschicht 11 eine
undotierte AlGaN-Pufferschicht 12 mit einer Dicke von etwa
10–20
nm (100–200 Å), eine
undotierte GaN-Unterschicht 13 mit einer Dicke von 0,4 μm, eine GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 14 mit einer Dicke von 4 μm sowie eine AlGaN-Mantelschicht
vom n-Typ 15 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ausgebildet. In dieser Reihenfolge
sind auf der AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 15 eine InGaN-Aktivschicht 16,
eine undotierte GaN-Deckschicht 17 mit
einer Dicke von 20–40
nm (200–400 Å) und eine
AlGaN-Mantelschicht
vom p-Typ 18 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ausgebildet.
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Eine
GaN-Stromsperrschicht vom n-Typ oder eine AlGaN-Stromsperrschicht
vom n-Typ 19 mit
einer Dicke von 0,2–0,3 μm, die über eine
streifenförmige Öffnung im
Mittelteil verfügt,
ist auf der AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 18 ausgebildet.
Die GaN- Kontaktschicht
vom p-Typ 20 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ist auf der Oberseite und
in der streifenförmigen Öffnung der
Stromsperrschicht vom n-Typ 19 ausgebildet.
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Eine
p Elektrode 21 ist auf der GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 20 ausgebildet,
und eine n Elektrode 22 ist auf der GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 14 ausgebildet.
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Als
aktive Schicht 16 wird eine multiple Quantentopfschicht
verwendet. Die Dicke der Quantentopfschicht ist mit 1–5 nm (10–50 Å) festgelegt,
und die Dicke der Quantensperrschicht ist mit etwa 1–10 nm (10–100 Å) festgelegt.
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Diese
Halbleiter-Laservorrichtung wird hergestellt, indem einmal unter
Verwendung von chemischer Dampfauftragung, so etwa MOCVD, eine Kristallzüchtung durchgeführt wird.
Bei der Herstellung wird die undotierte AlGaN-Pufferschicht 12 bei
einer Züchtungstemperatur
von 600°C
ausgebildet, und die undotierte GaN-Unterschicht 13, die
GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 14 und die AlGaN-Mantelschicht
vom n-Typ 15 werden bei einer Züchtungstemperatur von 1150°C ausgebildet,
während
die InGaN-Aktivschicht 16 und die GaN-Deckschicht 17 bei
einer Züchtungstemperatur
von 700–950°C ausgebildet
werden, und die AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ, die Stromsperrschicht
vom n-Typ 19 und die GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 20 bei
einer Züchtungstemperatur
von 1150°C
ausgebildet werden.
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Die
Halbleiter-Laservorrichtung dieser Ausführungsform stellt auch eine
größere Lichtstärke als
eine Halbleiter-Laservorrichtung ohne Deckschicht 17 bereit.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Index-geführten Halbleiter-Laservorrichtung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die 4 beschrieben.
Diese Halbleiter-Laservorrichtung ist eine in einer Rille versenkte
Halbleiter-Laservorrichtung.
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In 4 sind
in dieser Reihenfolge auf einem Saphir-Isoliersubstrat 31 eine
undotierte AlGaN-Pufferschicht 32 mit einer Dicke von 10–20 nm (100–200 Å), eine
undotierte GaN-Unterschicht 33 mit einer Dicke von 0,4 μm, eine GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 34 mit
einer Dicke von 4 μm
sowie eine AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 35 mit einer Dicke
von 0,1–0,5 μm ausgebildet.
In dieser Reihenfolge sind auf der AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 35 eine
InGaN-Aktivschicht 36, eine undotierte GaN-Deckschicht 37 mit
einer Dicke von 20–40
nm (200–400 Å) und eine
AlGaN-Mantelschicht
vom p-Typ 38 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ausgebildet. Die InGaN-Aktivschicht 36 weist
dieselbe Struktur und Dicke wie die InGaN-Aktivschicht in der vierten
Ausführungsform
auf.
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Die
AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 38 weist einen flachen Bereich
und einen in der Mitte des flachen Bereichs ausgebildeten Rillenbereich
auf. Eine GaN-Deckschicht vom p-Typ 39 mit einer Dicke
von 0,1 μm
ist auf dem Rillenbereich der AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 38 ausgebildet.
Eine GaN-Stromsperrschicht vom n-Typ oder eine AlGaN-Stromsperrschicht
vom n-Typ 40 mit einer Dicke von 0,2–0,3 μm ist auf der Oberseite des
flachen Bereichs und den Seitenflächen des Rillenbereichs der
AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 38 und auf den Seitenflächen der
Deckschicht vom p-Typ 39 ausgebildet. Eine GaN-Kontaktschicht
vom p-Typ 41 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ist auf der Deckschicht vom
p-Typ 39 und der Stromsperrschicht vom n-Typ 40 ausgebildet.
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Eine
p Elektrode 42 ist auf der GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 41 ausgebildet,
und eine n Elektrode 43 ist auf der GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 34 ausgebildet.
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Diese
Halbleiter-Laservorrichtung wird hergestellt, indem drei Mal unter
Verwendung von chemischer Dampfauftragung wie MOCVD eine Kristallzüchtung durchgeführt wird.
Bei der Herstellung wird die undotierte AlGaN-Pufferschicht 32 bei
einer Züchtungstemperatur
von 600°C
ausgebildet, die undotierte GaN-Unterschicht 33, die GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 34 und die AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 35 werden
bei einer Züchtungstemperatur
von 1150°C
ausgebildet, die InGaN-Aktivschicht 36 und die undotierte
GaN-Deckschicht 37 werden bei einer Züchtungstemperatur von 700–950°C ausgebildet,
und die AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 38, die Deckschicht
vom p-Typ 39, die Stromsperrschicht vom n-Typ 40 und
die GaN- Kontaktschicht
vom p-Typ 41 werden bei einer Züchtungstemperatur von 1150°C ausgebildet.
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Die
Halbleiter-Laservorrichtung dieser Ausführungsform stellt auch eine
größere Lichtstärke als
eine Halbleiter-Laservorrichtung ohne Deckschicht 37 bereit.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die 5 beschrieben.
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In 5 sind
in dieser Reihenfolge auf einem Saphir-Isoliersubstrat 51 eine
undotierte AlGaN-Pufferschicht 52 mit einer Dicke von 10–20 nm (100–200 Å), eine
undotierte GaN-Unterschicht 53 mit einer Dicke von 0,4 μm, eine GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 54 mit
einer Dicke von 4 μm
und eine AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 55 mit einer Dicke
von 0,1–0,5 μm ausgebildet.
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In
dieser Reihenfolge sind auf der AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 55 eine
InGaN-Aktivschicht 56, eine
undotierte GaN-Deckschicht 37 mit einer Dicke von 20–40 nm (200–400 Å), eine
AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 58 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm und eine
GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 59 mit einer Dicke von 0,1–0,5 μm ausgebildet.
Die InGaN-Aktivschicht 56 weist dieselbe Struktur und Dicke
wie die InGaN-Aktivschicht 16 in
der vierten Ausführungsform
auf.
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Es
ist eine GaN-Stromsperrschicht aus SiO2,
SiN oder vom n-Typ 60 mit einer streifenförmigen Öffnung in
der Mitte auf der GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 59 ausgebildet.
Es ist eine p Elektrode 61 auf der GaN-Kontaktschicht vom
p-Typ 59 ausgebildet, und eine n Elektrode 62 ist
auf der GaN-Kontaktschicht vom n-Typ 54 ausgebildet.
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Die
Halbleiter-Laservorrichtung dieser Ausführungsform wird ausgebildet,
indem einmal unter Verwendung chemischer Dampfauftragung wie MOCVD
eine Kristallzüchtung
durchgeführt
wird. Bei der Herstellung wird die undotierte AlGaN- Pufferschicht 52 bei
einer Züchtungstemperatur
von 600°C
ausgebildet, die undotierte GaN-Unterschicht 53, die GaN-Kontaktschicht
vom n-Typ 54 und die AlGaN-Mantelschicht vom n-Typ 55 werden
bei einer Züchtungstemperatur
von 1150°C
ausgebildet, während
die InGaN-Aktivschicht 56 und die undotierte GaN-Deckschicht 57 bei
einer Züchtungstemperatur
von 700–950°C ausgebildet
werden, und die AlGaN-Mantelschicht vom p-Typ 58 und die
GaN-Kontaktschicht vom p-Typ 59 werden bei einer Züchtungstemperatur
von 1150°C
ausgebildet.
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Die
Halbleiter-Laservorrichtung dieser Ausführungsform stellt ebenfalls
eine größere Lichtstärke als eine
Halbleiter-Laservorrichtung ohne Deckschicht 57 bereit.
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Obwohl
die ersten bis sechsten Ausführungsformen
Licht emittierende Vorrichtungen mit Halbleiterschichten auf einem
Isoliersubstrat gezeigt haben, kann die vorliegende Erfindung ähnlich auch
auf ein Verfahren zur Herstellung von Licht emittierenden Vorrichtungen
mit Halbleiterschichten auf einem leitfähigen Substrat wie einem SiC-Substrat sowie einer
Elektrode auf der Oberseite der obersten Schicht der Halbleiterschichten
und auf der Unterseite des Substrats angewendet werden.
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Obwohl
eine aktive Schicht, eine Deckschicht und eine Mantelschicht vom
p-Typ in dieser Reihenfolge auf einer Mantelschicht vom n-Typ in
den oben erklärten
Strukturen ausgebildet sind, können
eine aktive Schicht, eine Deckschicht und eine Mantelschicht vom
n-Typ in dieser Reihenfolge auf einer Mantelschicht vom p-Typ ausgebildet
sein, d.h. die einzelnen Schichten in der ersten bis sechsten Ausführungsform
können entgegengesetzte
Typen aufweisen.
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Die
Ausführungsformen
eins bis sechs erklärten
die Anwendungsmöglichkeiten
dieser Erfindung auf Licht emittierende Vorrichtungen wie etwa Licht
emittierende Dioden und Halbleiter-Laservorrichtungen. Halbleitervorrichtungen
mit einer Verbund-Halbleiterstruktur,
die In enthält,
so etwa Feldeffekttransistoren, sind in den 6 und 7 dargestellt,
die nicht Bestandteil dieser Erfindung sind.
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Mit
der in 6 dargestellten Struktur sind z.B. eine AlGaN-Schicht
vom n-Typ 72 und eine InGaN-Schicht 73 in dieser
Reihenfolge auf einer GaN-Schicht vom n-Typ 71 ausgebildet,
und es ist eine SiC-Schicht vom p-Typ 75 oberhalb der InGan-Schicht 73 mit
einer undotierten GaN-Deckschicht 74 dazwischen ausgebildet.
In diesem Fall werden die InGaN-Schicht 73 und die GaN-Deckschicht 74 bei
einer Züchtungstemperatur
von 700–950°C ausgebildet,
und die SiC-Schicht vom p-Typ 75 wird bei einer Züchtungstemperatur
von 1300–1500°C ausgebildet.
Die Ausbildung der undotierten GaN-Deckschicht 74 auf der
InGaN-Schicht 73 unterdrückt die Entfernung von In aus
der InGaN-Schicht 73.
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In
der Struktur der 7 ist eine InGaN-Schicht 82 auf
einer SiC-Schicht vom n-Typ 81 ausgebildet, und eine SiC-Schicht
vom p-Typ 84 ist oberhalb der InGaN-Schicht 82 mit
einer undotierten GaN-Deckschicht 83 dazwischen ausgebildet.
Die InGaN-Schicht 82 und
die undotierte GaN-Deckschicht 83 werden bei einer Züchtungstemperatur
von 700–950°C ausgebildet,
während
die SiC-Schicht vom p-Typ 83 bei einer Züchtungstemperatur
von 1300–1500°C ausgebildet
wird. Die Ausbildung der undotierten GaN-Deckschicht 83 auf der
InGaN-Schicht 82 unterdrückt die Entfernung von In aus
der InGaN-Schicht 82.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Licht emittierenden Dioden der ersten
bis dritten Ausführungsform kann
auf die Herstellung von Lichtquellen zur Verwendung in optischen
Faserkommunikationssystemen, Lichtquellen zur Verwendung in Lichtkupplern,
monochromatischen oder polychromatischen Kontrolllampen, Lichtquellen
zur Verwendung in Anzeigevorrichtungen wie digitalen Anzeigen, Pegelmessern
und Anzeigen, Lichtquellen zur Verwendung in Fax-Vorrichtungen,
Druckerköpfen,
Signalleuchten, Lampen zur Verwendung in Fahrzeugen, so z.B. Fernlichtleuchten,
Rücklichtquellen
zur Verwendung in Flüssigkristallanzeigen,
Spielautomatenanzeigen etc. angewendet werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Laservorrichtungen der
vierten bis sechsten Ausführungsform
kann auf die Herstellung von chirurgischen Lasermessern, Lichtquellen
zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen, Licht quellen
zur Verwendung in optischen Aufnahmevorrichtungen in Disk-Systemen
für DVD
(Digital Video Disk) und dergleichen, Lichtquellen zur Verwendung
in Farb-Laserstrahldruckern,
Lichtquellen zur Verwendung in Laserverarbeitungsvorrichtungen,
Lichtquellen für
Laser-Holographien, Lichtquellen für Laseranzeigen, Lichtquellen
für Spielautomatenanzeigen
etc. angewendet werden.