WO2004057680A1 - Strahlungsemittierender halbleiterkörper und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2004057680A1
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quantum
semiconductor body
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radiation
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Andreas Hangleiter
Frank Hitzel
Sandra Lahmann
Uwe Rossow
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Technische Universität Braunschweig
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Definitions

  • the invention relates to a radiation-emitting semiconductor body according to the preamble of claim 1, a manufacturing method according to the preamble of claim 8 and a radiation-emitting semiconductor component.
  • Generic semiconductor bodies often have a so-called heterolayer structure made of different, generally related semiconductor materials. Epitaxial processes are preferably used to produce such semiconductor bodies, in which the individual layers of the semiconductor body are grown successively on a suitable substrate. In view of the high crystalline quality of the semiconductor layers, it is essential here that the crystal lattice of the substrate is matched as well as possible to the crystal lattice of the semiconductor layers to be grown or the so-called lattice mismatch is kept as low as possible. This can be achieved, for example, by using a semiconductor bulk crystal made of the material of the layer to be grown thereon as the substrate.
  • nitride compound semiconductors such as GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN or AlInGaN, which are grown on SiC or sapphire substrates, have a high number of defects.
  • the invention is based on the idea of a
  • Form semiconductor body with at least one quantum film the surface to which the quantum film is applied is structured depending on the defects in the crystal structure in such a way that the quantum film has a higher effective band gap in the vicinity of defects than in a defect-free environment. This can be achieved by setting the process parameters for epitaxy.
  • the charge carriers injected into the semiconductor body increasingly accumulate in the minima of the band gap and thus in defect-free areas, so that radiation generation in the immediate vicinity of defects which, as non-radiative recombination centers, can reduce the internal quantum efficiency, is advantageously avoided. Overall, the internal quantum efficiency is significantly increased.
  • a radiation-emitting semiconductor body which contains a buffer layer with a main extension plane.
  • the surface of the buffer layer is in the lateral direction in
  • Normal areas and defect areas are divided, with the underlying crystal structure having defects in the defect areas.
  • the surface of the buffer layer is formed parallel to the main extension plane, while in the defect areas it has facets which are arranged obliquely to the main extension plane.
  • At least one quantum film is applied to the surface of the buffer layer, the band gap or band gap thereof being greater in the defect regions than in the normal regions of the
  • the associated defect area is in particular that of oblique facets marked surface of the buffer layer.
  • the quantum films are preferably designed such that they have a smaller thickness in the defect regions than in the normal regions. With decreasing thickness, the effective band gap increases in the quantum films, so that the effective band gap in the defect areas is increased compared to the normal areas.
  • the buffer layer is composed of two or more individual layers.
  • a planar base layer is preferably provided with main surfaces which are essentially parallel to the main extension plane, to which the further part of the buffer layer with the described surface divided into normal and defect areas is connected.
  • the planar base layer is first used to form a surface that is as uniform, flat and defined as possible for the deposition of further layers.
  • the invention is particularly suitable for semiconductor bodies based on nitride compound semiconductors.
  • a significant increase in internal quantum efficiency was achieved for GalnN / GaN quantum film structures.
  • the semiconductor body can of course also have further layers, such as, for example, a p-type and an n-type layer to form a pn junction, in which the quantum films are embedded, waveguide layers, cladding layers, contact layers and / or further buffer layers ,
  • the invention provides in a first step to provide a growth substrate on which the buffer layer is grown epitaxially in a second step becomes.
  • the process parameters such as pressure, temperature, mixing ratio of the
  • Starting materials, carrier gas composition and flow rate as well as total flow rate are selected so that defects in the crystal structure lead to the formation of the facets and the buffer layer otherwise grows with a planar surface.
  • the quantum films are grown, in which step the process parameters such as pressure, temperature, mixing ratio of the starting materials, carrier gas composition and flow rate and total flow rate are selected so that the effective band gap of the quantum films in the defect areas is larger than in the normal areas ,
  • Nitride compound semiconductors for example SiC or sapphire substrates.
  • substrates can also be used within the scope of the invention, which can optionally be formed in multiple layers and / or in turn have epitaxial layers.
  • silicon substrates or GaN substrates for example in the form of so-called “GaN templates” with a reduced defect density, can also be used as the growth substrate.
  • one is preferably first
  • Base layer grew up.
  • a planar layer, the main surfaces of which are arranged parallel to the main extension plane of the buffer layer, can thus advantageously be formed, which serves as a well-defined basis for the further epitaxy process.
  • the temperature is reduced in the defect areas after the base layer has been grown to form the facets.
  • a lowering of the temperature is usually easily possible, so that the Training the facets in this way does not involve any special technical effort.
  • the quantum films should be formed in such a way that their thickness is smaller on the facets arranged obliquely to the main extension plane than on the surface areas parallel to the main extension plane.
  • the ratio of the growth rate perpendicular to the surface to the growth rate parallel to the surface is preferably increased until the quantum films grow with the different thicknesses described. In general, this growth rate ratio increases as the growth temperature falls.
  • the quantum films are therefore grown at a similar or also the same reduced temperature as the buffer layer after the base layer has been formed.
  • Radiation-emitting semiconductor components with at least one semiconductor body according to the invention are also provided within the scope of the invention.
  • Such semiconductor components can be designed in particular as a light emission diode, for example as a light-emitting diode or laser diode.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first exemplary embodiment of a semiconductor body according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the first exemplary embodiment of a semiconductor body according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic perspective top view of a second exemplary embodiment of a semiconductor body according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic graphic representation of the internal quantum efficiency as a function of the temperature in a third exemplary embodiment of a semiconductor body according to the invention.
  • FIG. 6 shows a representation corresponding to FIG. 5 for a semiconductor body according to the prior art.
  • the first exemplary embodiment of a semiconductor body according to the invention shown in section in FIG. 1 has a buffer layer 1 which is parallel to the layer plane
  • Main extension level 2 is assigned.
  • the buffer layer is divided into normal areas N and defect areas D in the lateral direction.
  • surface 3 of buffer layer 1 is parallel to
  • Main extension level 2 is formed.
  • the surface 3 of the buffer layer is divided into several Facets 4 divided, which are each arranged obliquely to the main extension plane 2.
  • the formation of the facets 4 is caused by defects 12 such as dislocation lines in the crystal structure which run in the growth direction and which can arise in particular when growing onto a substrate (not shown) with high lattice mismatch.
  • Such structuring of the buffer layer is preferably brought about by a corresponding choice of the growth rates in the production of the semiconductor body.
  • the growth rates for epitaxial growth depend on the process parameters. In the case of gas phase epitaxy, pressure, temperature, flow rates and quantitative ratio of the process gases, type and flow rate of the carrier gas and the total flow rate are decisive for this.
  • vertical growth also referred to as "three-dimensional”
  • two-dimensional in the direction of the surface normal or lateral growth
  • Defects in the crystal structure such as dislocations, in particular in the case of three-dimensional growth at the location at which the defects penetrate the surface, lead to a reduced accumulation of atoms in the layer to be deposited
  • a plurality of quantum films are applied to the buffer layer, which serve to generate radiation during operation.
  • the quantum films are formed in such a way that their effective band gap is larger in the area of the defect areas than in the normal areas.
  • the quantum films are preferably shaped such that their thickness is less in the defect areas than in the normal areas. Due to the quantization of the energy states in the quantum films, the effective band gap increases with decreasing thickness of the quantum films.
  • a further possibility for modifying the effective band gap consists, for example, in varying the composition of the quantum films in the lateral direction according to the belonging to normal or defect areas.
  • the effective band gap can be influenced by tension in the quantum films.
  • tensions arise, among other things, during the epitaxial growth of layers with different lattice constants. Due to the piezoelectric effect, such tensions can lead to electrical fields that increase the effective band gap change.
  • the different growth conditions in the normal areas and in the defect areas can cause different tensions, which consequently bring about a smaller effective band gap of the quantum films in the normal areas compared to the defect areas. It is not absolutely necessary that the thickness or composition of the quantum films in the normal ranges also differ from the thickness or composition in the defect regions.
  • the normal areas represent potential minima for the charge carriers injected into the semiconductor body during operation, in which the charge carriers preferentially collect. This reduces radiation generation in the vicinity of defects that act as non-radiative recombination centers and can thus reduce the internal quantum efficiency, and consequently increases the internal quantum efficiency overall.
  • FIG. 2 shows a top view of the semiconductor body of the first exemplary embodiment.
  • the facets 4 which abut one another in the defect regions D form pyramid-shaped depressions.
  • hexagonal depressions (pits) generally result, as shown.
  • the associated defects are also referred to as "V defects" due to the V-shape of the depressions on average (cf. FIG. 1).
  • the quantum films within these depressions have a higher effective band gap than in the adjacent planar regions, preferably due to a reduced thickness of the quantum films.
  • the charge carriers injected during operation preferably collect in areas of lower energy outside the depressions or the defect areas.
  • FIG. 3 shows a schematic three-dimensional view of the buffer layer, which was generated by means of an atomic force microscope. The representation is not to scale and is greatly exaggerated, particularly in the z direction for clarification.
  • the surface not only has individual hexagonal depressions, but also furrow-like structures which are assigned to the defects and their course.
  • V-shaped incisions 10 corresponding to the sectional view in FIG. 1 can be seen on the xz cut surface 8 and the yz cut surface 9.
  • a production method according to the invention is shown schematically in FIG. 4 using three intermediate steps.
  • a planar base layer 6 is grown on a growth substrate (not shown), FIG. 4a.
  • the main surfaces 7a, 7b of the base layer 6 are parallel to an assigned main extension plane 2.
  • Defects 12, in particular dislocations, can arise in the form of dislocation lines along the growth direction of the
  • the process parameters are modified such that the surface 3 of the buffer layer 1 in the vicinity of the defects, that is to say the defect areas D, obliquely to
  • Main extension plane 2 forms facets 4.
  • the growth rate for three-dimensional growth is preferably increased compared to the growth rate for two-dimensional growth. This can be done, for example, by reducing the temperature.
  • a surface characterized by oblique facets 4 is formed.
  • the quantum films 5 are subsequently grown on this corrugated buffer layer 1 in such a way that the effective band gap, as already described, is smaller in the normal areas N than in the defect areas D, FIG. 4c.
  • the latter can be achieved, for example, by growing the quantum films at a reduced temperature similar to that of the buffer layer in the second step.
  • FIG. 5 schematically shows the temperature dependence of the internal quantum efficiency in an exemplary embodiment.
  • the internal quantum efficiency q is plotted as a function of the temperature T of the semiconductor body for various optical pump powers.
  • the measurements were carried out on a semiconductor body with a plurality of GalnN and GaN quantum films in the form of a GalnN / GaN structure MQW structure (Multiple Quantum Well Structure).
  • the emission wavelength was 410 nm.
  • the lower curve 11a was measured at an optical pump power of 1 mW, the middle curve 11b at 5mW and the upper curve 11c at 17 mW pump power.
  • the upper curve 11c shows, in the exemplary embodiment according to the invention the internal quantum efficiency at room temperature is 46%.
  • FIG Semiconductor body shown according to the prior art.
  • the structure of the quantum films corresponds to the exemplary embodiment on which FIG. 5 is based, the power consumption and other measurement parameters are the same.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper, der eine Pufferschicht (1) mit einer Haupterstreckungsebene (2) und einer Oberfläche (3), die in lateraler Richtung in Normalbereiche (N) und Defektbereiche (D) unterteilt ist, wobei in den Defektbereichen (D) das darunterliegenden Kristallgefüge (12) Defekte aufweist, enthält. Die Oberfläche (3) der Pufferschicht (1) ist in den Normalbereichen (N) parallel zur Haupterstreckungsebene (2) ausgebildet und in den Defektbereichen (D) in schräg zur Haupterstreckungsebene (2) angeordnete Facetten (4a,4b) unterteilt. Auf die Oberfläche (3) der Pufferschicht ist mindestens ein Quantenfilm (5) mit einer Bandlücke, die in den Defektbereichen (D) größer ist als in den Normalbereichen (N) aufgebracht. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für einen entsprechenden Halbleiterkörper.

Description

Strahlungsemittierender Halbleiterkorper und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkorper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 sowie ein Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement.
Gattungsgemäße Halbleiterkorper weisen oftmals eine sogenannte Heteroschichtstruktur aus unterschiedlichen, in der Regel verwandten Halbleitermaterialien auf. Zur Herstellung derartiger Halbleiterkorper dienen bevorzugt Epitaxieverfahren, bei denen die einzelnen Schichten des Halbleiterkörpers auf ein geeignetes Substrat nacheinander aufgewachsen werden. Im Hinblick auf eine hohe kristalline Qualität der Halbleiterschichten ist es hierbei wesentlich, daß das Kristallgitter des Substrats an das Kristallgitter der aufzuwachsenden Halbleiterschichten möglichst gut angepaßt ist bzw. die sogenannte Gitterfehlanpassung so gering wie möglich gehalten wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß als Substrat ein Halbleitervolumenkristall aus dem Material der darauf aufzuwachsenden Schicht verwendet wird.
Allerdings stehen bei gewissen Halbleitermaterialsystemen derartige Halbleitervolumenkristalle derzeit nicht zur Verfügung oder sind nur mit großem technischem Aufwand herstellbar, so daß sogenannte Fremdsubstrate aus einem anderen Halbleitermaterial herangezogen werden.
Bei manchen Halbleitermaterialsystemen, insbesondere Nitridverbindungshalbleitern, weisen die verwendbaren
Fremdsubstrate eine vergleichsweise große Gitterfehlanpassung auf. Dies führt bei den hierauf aufgewachsenen Halbleiterschichten zu einer relativ großen Zahl von Defekten in Form von Fehlanpassungs-Versetzungen. Diese Defekte können als nichtstrahlende Rekombinationszentren wirken, an denen Ladungsträger strahlungslos rekombinieren. Bei Strahlungserzeugenden Halbleiterkörpern führt dies zu einer unerwünschten Minderung der interne Quanteneffizienz.
Insbesondere Nitridverbindungshalbleiter wie GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN, die auf SiC- oder Saphirsubstrate aufgewachsen werden, weisen eine hohe Zahl von Defekten auf.
Zwar ist bekannt, daß experimentell mit InGaN-basierenden Quantenfilmen eine interne Quanteneffizienz von bis zu 50% erreicht wurde. Die Herstellung solcher Quantenfilme erfordert jedoch oftmals einen hohen apparativen Aufwand sowie eine speziell angepaßte Prozeßführung, die in der Regel nur empirisch aufgefunden werden kann. Hinzu kommt, daß bei Indium-freien Halbleiterkörpern auf der Basis von GaN bzw. AlGaN nur eine erheblich geringere Quantenausbeute bis zu etwa 1% erreicht wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen strahlungse ittierenden Halbleiterkorper der genannten Art, insbesondere auf der Basis von Nitridverbindungshalbleitern, mit einer möglichst hohen internen Quanteneffizienz zu schaffen. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren hierfür angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterkorper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen
Halbleiterkorper mit mindestens einem Quantenfilm zu bilden, wobei die Oberfläche, auf die der Quantenfilm aufgebracht ist, in Abhängigkeit der Defekte im Kristallgefüge derart strukturiert ist, daß der Quantenfilm in der Umgebung von Defekten eine höhere effektive Bandlücke aufweist als in einer defektfreien Umgebung. Dies kann gezielt durch die Einstellung der Prozeßparameter bei der Epitaxie erreicht werden .
Im Betrieb sammeln sich die in den Halbleiterkorper injizierten Ladungsträger vermehrt in den Minima der Bandlücke und damit in defektfreien Bereichen, so daß vorteilhafterweise eine Strahlungserzeugung in der unmittelbaren Nähe von Defekten, die als nichtstrahlende Rekombinationszentren die interne Quanteneffizienz mindern können, vermieden wird. Insgesamt wird damit die interne Quanteneffizienz deutlich erhöht.
Erfindungsgemäß ist ein strahlungsemittierender Halbleiterkorper 'vorgesehen, der eine Pufferschicht mit einer Haupterstreckungsebene enthält . Die Oberfläche der Pufferschicht ist dabei in lateraler Richtung in
Normalbereiche und Defektbereiche unterteilt, wobei in den Defektbereichen das darunterliegenden Kristallgefüge Defekte aufweist. In den Normalbereichen ist die Oberfläche der Pufferschicht parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildet, während sie in den Defektbereichen Facetten aufweist, die schräg zur Haupterstreckungsebene angeordnet sind. Auf die Oberfläche der Pufferschicht ist mindestens ein Quantenfilm, vorzugsweise eine Mehrzahl von Quantenfilmen aufgebracht, dessen bzw. deren Bandlücke in den Defektbereichen größer ist als in den Normalbereichen der
Oberfläche. Hierdurch wird vorteilhafterweise- eine deutliche Erhöhung der internen Quanteneffizienz erreicht.
Unter Defekten sind bei der Erfindung vor allem Versetzungslinien zu verstehen, die entlang der
Wachstumsrichtung der jeweiligen Schicht verlaufen. Den zugehörigen Defektbereich stellt insbesondere die durch die schrägstehenden Facetten gekennzeichnete Oberfläche der Pufferschicht dar.
Bevorzugt sind die Quantenfilme so ausgebildet, daß sie in den Defektbereichen eine geringere Dicke als in den Normalbereichen aufweisen. Mit abnehmender Dicke steigt in den Quantenfilmen die effektive Bandlücke, so daß damit die effektive Bandlücke in den Defektbereichen gegenüber den Normalbereichen erhöht wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Pufferschicht aus zwei oder mehr Einzelschichten zusammengesetzt. Vorzugsweise ist eine planare Basisschicht mit Hauptflächen, die im wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene sind, vorgesehen, an die sich der weitere Teil der Pufferschicht mit der beschriebenen, in Normal- und Defektbereiche unterteilten Oberfläche anschließt. Mittels der planaren Basisschicht wird zunächst eine möglichst gleichmäßige, ebene und definierte Oberfläche für die Abscheidung weiterer Schichten ausgebildet.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Halbleiterkorper auf der Basis von Nitridverbindungshalbleitern. So wurde insbesondere für GalnN/GaN-Quantenfilmstrukturen eine deutliche Steigerung der internen Quanteneffizienz erreicht.
Im Rahmen der Erfindung kann der Halbleiterkorper selbstverständlich auch noch weitere Schichten, wie beispielsweise eine p-leitende und eine n-leitende Schicht zur Bildung eines pn-Übergangs, in den die Quantenfilme eingebettet sind, Wellenleiterschichten, Mantelschichten, Kontaktschichten und/oder weitere Pufferschichten aufweisen.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, in einem ersten Schritt ein Aufwachssubstrat bereitzustellen, auf das in einem zweiten Schritt die Pufferschicht epitaktisch aufgewachsen wird. Dabei werden die Prozeßparameter wie beispielsweise Druck, Temperatur, Mischungsverhältnis der
Ausgangsmaterialien, TrägergasZusammensetzung und -flußrate sowie Gesamtflußrate so gewählt, daß Defekte im Kristallgefüge zur Ausbildung der Facetten führen und die Pufferschicht ansonsten mit einer planaren Oberfläche aufwächst . In einem dritten Schritt werden die Quantenfilme aufgewachsen, wobei in diesem Schritt die Prozeßparameter wie beispielsweise Druck, Temperatur, Mischungsverhältnis der Ausgangsmaterialien, TrägergasZusammensetzung und -flußrate sowie Gesamtflußrate so gewählt werden, daß die effektive Bandlücke der Quantenfilme in den Defektbereichen größer als in den Normalbereichen ist.
Als Aufwachssubstrate eignen sich bei
Nitridverbindungshalbleitern beispielsweise SiC- oder Saphirsubstrate. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Substrate verwendet werden, die gegebenenfalls mehrschichtig gebildet sein können und/oder ihrerseits wiederum Epitaxieschichten aufweisen. Zum Beispiel können auch Siliziumsubstrate oder GaN-Substrate, etwa in Form sogenannter "GaN-Templates" mit reduzierter Defektdichte, als Aufwachssubstrat verwendet werden.
Vorzugsweise wird in dem zweiten Schritt zunächst eine
Basisschicht aufgewachsen. Damit kann vorteilhafterweise eine planare Schicht, deren Hauptflächen parallel zur Haupterstreckungsebene der Pufferschicht angeordnet sind, ausgebildet werden, die als wohldefinierte Grundlage für das weitere Epitaxieverfahren dient.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird nach dem Aufwachsen der Basisschicht zur Ausbildung der Facetten in den Defektbereichen die Temperatur reduziert. Eine Absenkung der Temperatur ist in der Regel ohne weiteres möglich, so daß die Ausbildung der Facetten auf diese Art und Weise keinen besonderen technischen Aufwand mit sich bringt .
Wie bereits beschrieben ist es bei der Erfindung vorteilhaft, die Quantenfilme so aufzuwachsen, daß deren Dicke in den Defektbereichen kleiner als in den Normalbereichen ist. Insbesondere sollen die Quantenfilme so gebildet werden, daß ihre Dicke auf den schräg zur Haupterstreckungsebene angeordneten Facetten kleiner ist als auf den zur Haupterstreckungsebene parallelen Oberflächenbereichen.
Vorzugsweise wird hierzu das Verhältnis der Wachstumsrate senkrecht zur Oberfläche zur Wachstumsrate parallel zur Oberfläche erhöht, bis die Quantenfilme mit den beschriebenen unterschiedlichen Dicken aufwachsen. Im allgemeinen wird dieses Wachstumsratenverhältnis mit sinkender Aufwachstemperatur größer.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden daher die Quantenfilme bei einer ähnlichen oder auch derselben reduzierten Temperatur wie die Pufferschicht nach Ausbildung der Basisschicht aufgewachsen.
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente mit mindestens einem erfindungsgemäßen Halbleiterkorper vorgesehen. Derartige Halbleiterbauelemente können insbesondere als Lichtemissiondiode, beispielsweise als Leuchtdiode oder Laserdiode, ausgebildet sein.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 5.
Es zeigen Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers ,
Figur 2 eine schematische Aufsicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkδrpers ,
Figur 3 eine schematische perspektivische Aufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers ,
Figur 4a,b,c eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand von drei Zwischenschritten,
Figur 5 eine schematische graphische Darstellung der internen Quanteneffizienz in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers und
Figur 6 eine Figur 5 entsprechende Darstellung für einen Halbleiterkorper nach dem Stand der Technik.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das in Figur 1 im Schnitt gezeigte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers weist eine Pufferschicht 1 auf, der eine zur Schichtebene parallele
Haupterstreckungsebene 2 zugeordnet ist.
Die Pufferschicht ist in lateraler Richtung in Normalbereiche N und Defektbereiche D unterteilt. In den Normalbereichen N ist die Oberfläche 3 der Pufferschicht 1 parallel zur
Haupterstreckungsebene 2 ausgebildet. In den Defektbereichen D hingegen ist die Oberfläche 3 der Pufferschicht in mehrere Facetten 4 aufgeteilt, die jeweils schräg zu der Haupterstreckungsebene 2 angeordnet sind. Die Ausbildung der Facetten 4 ist dabei durch Defekte 12 wie beispielsweise in Wachstumsrichtung verlaufende Versetzungslinien im Kristallgefüge, die insbesondere beim Aufwachsen auf ein Substrat (nicht dargestellt) mit hoher Gitterfehlanpassung entstehen können, verursacht.
Eine derartige Strukturierung der Pufferschicht wird vorzugsweise durch eine entsprechende Wahl der Aufwachsraten bei der Herstellung des Halbleiterkörpers bewirkt . Grundsätzlich hängen beim epitaktischen Wachstum die Aufwachsraten von den Prozeßparametern ab. Bei der Gasphasenepitaxie sind hierfür beispielsweise Druck, Temperatur, Flußraten und Mengenverhältnis der Prozeßgase, Art und Flußrate des Trägergases sowie die Gesamtflußrate maßgeblich. Je nach Einstellung dieser Parameter tritt verstärkt vertikales, auch als "dreidimensional" bezeichnetes Wachstum in Richtung der Oberflächennormale oder laterales, auch als "zweidimensional" bezeichnetes Wachstum auf.
Entsprechend der Art des Wachstums bilden sich Flächen mit der jeweils geringsten Wachstumsrate, wobei vertikales Wachstum zu Oberflächen mit schrägen Facetten und laterales Wachstum zu geschlossenen, ebenen Oberflächen führt.
Defekte im Kristallgefüge wie beispielsweise Versetzungen führen insbesondere bei dreidimensionalem Wachstum an dem Ort, an dem die Defekte die Oberfläche durchstoßen, zu einer verringerten Anlagerung von Atomen des abzuscheidenden
Materials, so daß sich dadurch in der Umgebung der Defekte eine durch schräge Facetten gekennzeichnete Oberfläche herausbildet .
Auf diese Weise wird eine Oberfläche mit schräg zur
Haupterstreckungsrichtung angeordneten Facetten in den Defektbereichen mit Defekten im darunterliegenden Kristallgefüge ausgebildet, während die defektärmeren oder defektfreien Normalbereiche eine ebene Oberfläche parallel zur Haupterstreckungsebene aufweisen.
Auf die Pufferschicht ist eine Mehrzahl von Quantenfilmen aufgebracht, die im Betrieb der Strahlungserzeugung dienen. Die Quantenfilme sind so gebildet, daß ihre effektive Bandlücke im Bereich der Defektbereiche größer ist als in den Normalbereichen .
Vorzugsweise sind dazu die Quantenfilme so geformt, daß ihre Dicke in den Defektbereichen geringer ist als in den Normalbereichen. Aufgrund der Quantisierung der Energiezustände in den Quantenfilmen wächst die effektive Bandlücke mit abnehmender Dicke der Quantenfilme.
Eine weitere Möglichkeit zu Modifizierung der effektiven Bandlücke besteht beispielsweise darin, die Zusammensetzung der Quantenfilme in lateraler Richtung entsprechend der Zugehörigkeit zu Normal- oder Defektbereichen zu variieren.
Dies kann durch unterschiedliche Aufwachsraten für die verwendeten Materialien auf die ebenen Oberflächen in den Normalbereichen einerseits und die schrägstehenden Facetten in den Defektbereichen andererseits erreicht werden. Bei Nitridverbindungshalbleitern auf InAlGaN-Basis können so in den Normalbereichen Indium-reichere und in den Defektbereichen Indium-ärmere Regionen der Quantenschichten entstehen. Dies resultiert ebenfalls in einer Erhöhung der effektiven Bandlücke in den Defektbereichen gegenüber den Normalbereichen.
Weiterhin kann die effektive Bandlücke durch Verspannungen in den Quantenfilmen beeinflußt werden. Derartige Verspannungen entstehen unter anderem beim epitaktischen Aufwachsen von Schichten mit unterschiedlicher Gitterkonstante. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts können solche Verspannungen zu elektrischen Feldern führen, die die effektive Bandlücke verändern. Entsprechend können die verschiedenen Aufwachsbedingungen in den Normalbereichen und in den Defektbereichen unterschiedliche Verspannungen hervorrufen, die in der Folge eine geringere effektive Bandlücke der Quantenfilme in den Normalbereichen gegenüber den Defektbereichen bewirken. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, daß sich zugleich Dicke oder Zusammensetzung der Quantenfilme in den Normalbereichen von der Dicke oder Zusammensetzung in den Defektbereichen unterscheiden.
Durch die Verringerung der effektiven Bandlücke in den Normalbereichen gegenüber den Defektbereichen stellen die Normalbereiche für die im Betrieb in den Halbleiterkorper injizierten Ladungsträger Potentialminima dar, in denen sich die Ladungsträger bevorzugt sammeln. Dadurch wird eine Strahlungserzeugung in der Nähe von Defekten, die als nichtstrahlende Rekombinationszentren wirken und so die interne Quanteneffizienz reduzieren können, verringert und in der Folge die interne Quanteneffizienz insgesamt erhöht.
In Figur 2 ist eine Aufsicht auf den Halbleiterkorper des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Die in den Defektbereichen D aneinanderstoßenden Facetten 4 bilden pyramidenförmige Vertiefungen. Bei Halbleiterkörpern auf der Basis von Nitridverbindungshalbleitern entstehen dabei wie dargestellt in der Regel hexagonale Vertiefungen (Pits) . Die zugehörigen Defekte werden aufgrund der V-Form der Vertiefungen im Schnitt (vgl. Figur 1) auch als "V-Defekte" bezeichnet .
Bei der Erfindung weisen die Quantenfilme innerhalb dieser Vertiefungen - vorzugsweise aufgrund einer reduzierten Dicke der Quantenfilme - eine höhere effektive Bandlücke als in den angrenzenden planaren Bereichen auf . Die im Betrieb injizierten Ladungsträger sammeln sich bevorzugt in Bereichen niedrigerer Energie außerhalb der Vertiefungen bzw. der Defektbereiche . In Figur 3 ist eine schematische dreidimensionale Ansicht der Pufferschicht dargestellt, die mittels eines Rasterkraftmikroskops erzeugt wurde. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu und insbesondere in z-Richtung zur Verdeutlichung stark übertrieben.
Aufgrund einer höheren Zahl an Defekten im Vergleich zu dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Oberfläche nicht nur einzelne hexagonale Vertiefungen, sondern auch furchenartig verlaufende Strukturen auf, die den Defekten und ihrem Verlauf zugeordnet sind. An der xz- Schnittflache 8 und der yz-Schnittflache 9 sind V-förmige Einschnitte 10 entsprechend der Schnittansicht in Figur 1 zu erkennen.
In Figur 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren anhand von drei Zwischenschritten gezeigt. Zunächst wird als Teil der Pufferschicht 1 eine planare Basisschicht 6 auf ein Aufwachssubstrat (nicht dargestellt) aufgewachsen, Figur 4a. Die Hauptflächen 7a, 7b der Basisschicht 6 sind parallel zu einer zugeordneten Haupterstreckungsebene 2. Dabei können Defekte 12, insbesondere Versetzungen, entstehen, die in Form von Versetzungslinien entlang der Wachstumsrichtung der
Basisschicht verlaufen.
In nächsten Schritt, Figur 4b, werden die Prozeßparameter so modifiziert, daß die Oberfläche 3 der Pufferschicht 1 in der Umgebung der Defekte, also den Defektbereichen D, schräg zur
Haupterstreckungsebene 2 angeordnete Facetten 4 bildet. Dazu wird vorzugsweise die Wachstumsrate für dreidimensionales Wachstum gegenüber der Wachstumsrate für zweidimensionales Wachstum erhöht. Dies kann zum Beispiel durch eine Reduzierung der Temperatur erfolgen. Unmittelbar am Ort der durchstoßenden Versetzungen 12 kommt es zu einer verringerten Anlagerung von Atomen des abzuscheidenden Materials für die Pufferschicht, so daß sich in der Umgebung dieser Versetzungen 12, den Defektbereichen, eine durch schräge Facetten 4 gekennzeichnete Oberfläche herausbildet.
Nachfolgend werden auf diese korrugierte Pufferschicht 1 die Quantenfilme 5 derart aufgewachsen, daß die effektive Bandlücke wie bereits beschrieben in den Normalbereichen N geringer als in den Defektbereichen D ist, Figur 4c. Letzteres kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Quantenfilme bei einer ähnlichen reduzierten Temperatur wie die Pufferschicht im zweiten Schritt aufgewachsen werden.
In Figur 5 ist schematisch die Temperaturabhängigkeit der interne Quanteneffizienz bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt. Aufgetragen ist die interne Quanteneffizienz q in Abhängigkeit der Temperatur T des Halbleiterkörpers für verschiedene optische Pumpleistungen.
Die Messungen wurden an einem Halbleiterkorper mit einer Mehrzahl von GalnN- und GaN-Quantenfilmen in Form einer GalnN/GaN-Struktur-MQW-Struktur (Multiple Quantum Well Structure) durchgeführt. Die Emissionswellenlänge betrug 410 nm.
Aus dem Verlauf der Temperaturabhängigkeit kann für tiefe
Temperaturen ein asymptotischer Maximalwert bestimmt werden, der einer Quanteneffizienz von 100% entspricht. Dies ermöglicht eine Normierung der Abszisse.
Die untere Kurve 11a wurde bei einer optischen Pumpleistung von 1 mW, die mittlere Kurve 11b bei 5mW und die obere Kurve 11c bei 17 mW Pumpleistung gemessen. Wie die oberen Kurve 11c zeigt, beträgt bei dem erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel die interne Quanteneffizienz bei Raumtemperatur 46%.
In Figur 6 ist zum Vergleich ein entsprechender Temperaturverlauf der Quanteneffizienz q bei einem Halbleiterkorper nach dem Stand der Technik dargestellt . Die Struktur der Quantenfilme entspricht dem Figur 5 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel, die Leistungsaufnahmen und sonstigen Meßparameter sind gleich.
Gegenüber dem in Figur 5 gezeigten Temperaturverlauf ist bei dem Halbleiterkorper nach dem Stand der Technik mit steigender Temperatur eine wesentlich stärkere Abnahme der internen Quanteneffizienz zu erkennen. Bei Raumtemperatur beträgt die interne Quanteneffizienz maximal 4,8%. Die
Erfindung ermöglicht somit eine deutliche Steigerung der internen Quanteneffizienz um nahezu eine Größenordnung.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele und Figuren ist nicht als Beschränkung der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, zu verstehen. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, insbesondere jede Kombination der in den Patentansprüchen genannten Merkmale, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist .

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper, enthaltend eine Pufferschicht (1) mit einer Haupterstreckungsebene (2) und einer Oberfläche (3) , die in lateraler Richtung in Normalbereiche (N) und Defektbereiche (D) unterteilt ist, wobei in den Defektbereichen (D) das darunterliegenden Kristallgefüge (12) Defekte aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche (3) in den Normalbereichen (N) parallel zur Haupterstreckungsebene (2) ausgebildet und in den Defektbereichen (D) in schräg zur Haupterstreckungsebene (2) angeordnete Facetten (4a, 4b) unterteilt ist, und auf die Oberfläche (3) der Pufferschicht mindestens ein Quantenfilm (5) aufgebracht ist mit einer Bandlücke, die in den Defektbereichen (D) größer ist als in den Normalbereichen (N) der Oberfläche (3) .
2. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die Pufferschicht eine Mehrzahl von Quantenfilmen (5) aufgebracht ist, deren Bandlücke jeweils in den Defektbereichen (D) größer ist als in den Normalbereichen (N) der Oberfläche (3) .
3. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke des Quantenfilms (5) bzw. der Quantenfilme (5) in den Defektbereichen (D) , insbesondere auf den Facetten (4) , geringer als in den Normalbereichen (N) ist.
4. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pufferschicht (1) eine Basisschicht (6) mit Hauptflächen (7a, 7b), die parallel zur Haupterstreckungsebene (2) sind, enthält .
5. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach einem der
Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pufferschicht (1) und/oder der Quantenfilm (5) bzw. die
Quantenfilme (5) einen Nitridverbindungshalbleiter enthalten.
6. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Nitridverbindungshalbleiter Nitridverbindungen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe, insbesondere GaN, InN, A1N, AlGaN, InGaN oder AlInGaN enthält.
7. Strahlungsemittierender Halbleiterkorper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterkorper eine p-leitende und ein n-leitende Schicht aufweist und der Quantenfilm (5) bzw. die Quantenfilme (5) zwischen der n-leitenden und der p-leitenden Schicht angeordnet sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Halbleiterkorper, enthaltend eine Pufferschicht (1) mit einer
Haupterstreckungsebene (2) und einer Oberfläche (3) , die in lateraler Richtung in Normalbereiche (N) und Defektbereiche (D) unterteilt ist, wobei in den Defektbereichen (D) das darunterliegende Kristallgefüge Defekte (12) aufweist, und die Oberfläche (3) in den Normalbereichen (N) parallel zur Haupterstreckungsebene (2) ausgebildet und in den Defektbereichen (D) in schräg zur Haupterstreckungsebene (2) angeordnete Facetten (4a, 4b) unterteilt ist, und wobei auf die Oberfläche (3) der Pufferschicht (4a, b) ein Quantenfilm (5) oder mehrere Quantenfilme (5) aufgebracht sind, hergestellt wird mit den Schritten a) Bereitstellen eines Aufwachssubstrats b) Epitaktisches Aufwachsen der Pufferschicht (1) , wobei die Prozeßparameter, insbesondere Druck, Temperatur, Mischungsverhältnis der Ausgangsmaterialien,
Trägergaszusammensetzung und -flußrate und/oder die Gesamtflußrate so gewählt werden, daß Defekte (12) im Kristallgefüge zur Ausbildung der Facetten (4a, 4b) führen, c) Epitaktisches Aufwachsen des Quantenfilms (5) bzw. der Quantenfilme (5) , wobei die Prozeßparameter, insbesondere
Druck, Temperatur, Mischungsverhältnis der
Ausgangsmaterialien, TrägergasZusammensetzung und -flußrate und/oder die Gesamtflußrate so gewählt sind, daß die effekive Bandlücke des Quantenfilms (5) bzw. der Quantenfilme (5) in den Defektbereichen (D) größer ist als in den Normalbereichen
(N) .
9. Verfahren nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt b) zunächst eine Basisschicht (6) und nachfolgend ein weiterer Teil der Pufferschicht (1) aufgewachsen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Aufwachsen der Basissschicht (2) zur Ausbildung der
Facetten (4) in der Oberfläche (3) der Pufferschicht (1) die Temperatur reduziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt c) der Quantenfilm (5) bzw. die Quantenfilme (5) bei einer gegenüber der Aufwachstemperatur der Basisschicht (6) reduzierten Temperatur aufgewachsen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß daß in Schritt c) das Verhältnis der Wachstumsrate senkrecht zur Haupterstreckungsebene zur Wachstumsrate parallel zur Haupterstreckungsebene so weit erhöht wird, daß die Dicke des Quantenfilms (5) bzw. der Quantenfilme (5) in den
Defektbereichen (D) geringer ist als in den Normalbereichen (N) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pufferschicht (1) und/oder der Quantenfilm bzw. die Quantenfilme (5a, 5b, 5c) einen Nitridverbindungshalbleiter enthalten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Nitridverbindungshalbleiter Nitridverbindungen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe, insbesondere GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Auf achssubstrat ein SiC-Substrat , ein Saphirsubstrat, ein Siliziumsubstrat oder ein GaN-Substrat , beispielsweise ein GaN-Template, ist.
16. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es einen strahlungsemittierenden Halbleiterkorper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einen nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellten Halbleiterkorper enthält.
17. Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es eine Lichtemissionsdiode, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist .
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