DE112005000296T5 - Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur und Herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Abstract

Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, umfassend ein Substrat sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, worin eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt geschichtet sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, wobei die Topfschicht einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich umfasst, und wobei die Barriereschicht ein Dotierungsmittel enthält.

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldung
  • Diese Anmeldung ist eine nach 35 USC §111(a) eingereichte Anmeldung, die gemäß 35 USC §119(e)(1) das Anmeldedatum der Provisional Application Nr. 60/549,440, eingereicht am 3. März 2004 gemäß 35 USC §111(b), beansprucht.
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, die zur Herstellung einer Hochleistungslichtemissionsvorrichtung geeignet ist, welche ultraviolettes bis blaues Licht oder grünes Licht emittiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • Hintergrundtechnik
  • In den letzten Jahren sind Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter als Materialien zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, welche Licht kurzer Wellenlänge emittiert, zu Interesse gelangt. Allgemein wird ein Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter auf einem Substrat aus einem Oxidkristall, wie zum Beispiel einem Saphir-Einkristall, einem Siliciumcarbid-Einkristall oder einem Gruppe III-V-Verbindungs-Einkristall, mittels eines Verfahrens wie der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), der Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder der Hydridgasphasenepitaxie (HVPE) gezüchtet.
  • Gegenwärtig beinhaltet das in der Industrie am meisten eingesetzte Kristallzüchtungsverfahren das Züchten eines Halbleiterkristalls auf einem Substrat, wie zum Beispiel Saphir, SiC, GaN oder AlN, mittels der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD).
  • Spezifisch werden eine n-Typ-Schicht, eine lichtemittierende Schicht und eine p-Typ-Schicht auf dem vorgenannten, in einem Reaktorrohr befindlichen Substrat unter Verwendung einer organometallischen Verbindung der Gruppe III und eines Quellgases der Gruppe V bei etwa 700°C bis etwa 1200°C gezüchtet.
  • Nach Züchten der obigen Schichten wird eine negative Elektrode auf dem Substrat oder der n-Typ-Schicht gebildet, und eine positive Elektrode wird auf der p-Typ-Schicht gebildet, wodurch eine lichtemittierende Vorrichtung hergestellt wird.
  • Herkömmlicherweise wird eine solche lichtemittierende Schicht aus InGaN gebildet, dessen Zusammensetzung so gesteuert wird, dass die Lichtemissionswellenlänge moduliert wird. Die aktive Schicht befindet sich zwischen Schichten mit einer größeren Bandlücke als der von InGaN, wodurch eine Doppelheterostruktur gebildet wird, oder ist in eine Mehrfachquantentopfstruktur, die auf dem Quantentopfeffekt beruht, einbezogen. In einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit einer lichtemittierenden Schicht einer Mehrfachquantentopfstruktur wird, wenn die Dicke einer Topfschicht auf 2 bis 3 nm eingestellt wird, eine zufriedenstellende Ausgabeleistung erreicht, es wird jedoch eine problematisch hohe Betriebsspannung benötigt. Im Gegensatz dazu vermindert sich die Betriebsspannung, wenn die Dicke der Topfschicht 2 nm oder weniger beträgt, die Ausgabeleistung ist aber minderwertig.
  • Es ist auch eine Quantenpunktstruktur vorgeschlagen worden, worin eine lichtemittierende Schicht in Form eines Punktmusters, wie unten beschrieben, gebildet wird.
  • Zum Beispiel offenbaren die offen gelegten Japanischen Patentanmeldungen (Kokai) Nrn. 10-79501 und 11-354839 lichtemittierende Vorrichtungen mit einer lichtemittierenden Schicht einer Quantenpunktstruktur. Die Quantenpunktstruktur wird mittels eines Anti-Surfactant-Effekts gebildet. Die oben vorgeschlagene Quantenpunktstruktur weist jedoch ein Problem auf. Da nämlich die gesamte Fläche von Punkten (lichtemittierenden Punkten) bezüglich der Fläche, wo Strom fließt, sehr klein ist, vermindert sich die Gesamtemissionsausgabeleistung in Bezug auf den Eingangsstrom, selbst wenn die Emissionseffizienz jedes lichtemittierenden Punkts verstärkt ist. Diese Patentdokumente geben nicht die mit Punkten bedeckte Fläche an. Die nicht durch Punkte bedeckte Fläche ist jedoch beträchtlich größer als die mit Punkten bedeckte Fläche, wie man anhand der Punktgröße und der bevorzugten Punktdichte, die in dieser Beschreibung beschrieben ist, berechnen kann.
  • Weiterhin ist eine Quantenboxstruktur vorgeschlagen worden, die eine lichtemittierende Box mit einer größeren Fläche als der eines lichtemittierenden Punkts beinhaltet.
  • Zum Beispiel offenbart die offengelegte Japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2001-68733 eine In-enthaltende Quantenboxstruktur, die durch Tempern einer gebildeten Quantentopfstruktur in Wasserstoff zur Sublimierung der Topfschicht gebildet wird. Die Dimensionen jeder lichtemittierenden Box sind bevorzugt wie folgt: 0,5 nm ≤ Höhe ≤ 50 nm und 0,5 nm ≤ Breite ≤ 200 nm, und eine lichtemittierende Box (Höhe: 6 nm, Breite: 40 nm) wird in einem Ausführungsbeispiel hergestellt. Obwohl die Dichte der lichtemittierenden Box nicht angegeben ist, ist der nicht durch lichtemittierende Boxen bedeckte Bereich größer oder gleich dem durch lichtemittierende Boxen bedeckten Bereich, wie in einer anliegenden Zeichnung gezeigt ist.
  • Kurz gesagt enthält jede der auf den vorgenannten Techniken beruhenden Strukturen keine Quantenpunkte oder Quantenboxen in dem Bereich, wo Quantenpunkte oder -boxen nicht vorgesehen sind. Weiterhin ist die Fläche, welcher durch Quantenboxen oder -punkte bedeckt wird, sehr klein, und im Gegensatz dazu ist die nicht durch Quantenboxen oder -punkte bedeckte Fläche groß.
  • In einer solchen Struktur, in welcher die mit lichtemittierenden Boxen oder Punkten bedeckte Fläche sehr klein ist und keine lichtemittierenden Elemente in dem Bereich vorgesehen sind, welcher nicht mit Quantenboxen oder -punkten bedeckt ist, kann die Betriebsspannung vermindert werden, die Emissionsausgabeleistung wird aber problematischerweise vermindert. Eine solche Struktur kann daher in der Praxis nicht verwendet werden.
  • Die offengelegte Japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2001-68733 offenbart auch, dass eine Quantenboxstruktur durch Bilden einer herkömmlichen Quantentopfstruktur und Tempern der Struktur in Wasserstoff hergestellt wird, wodurch ein auf Durchgangsloch-Versetzungen vorgesehener InGaN-Kristall zersetzt wird. Das Tempern einer Quantentopfstruktur in Wasserstoff induziert jedoch eine Freisetzung von In aus einem Bereich, der als Quantenboxstruktur dienen soll, wodurch eine Blauverschiebung der Emissionswellenlänge geschieht, was nicht bevorzugt ist.
  • Weiterhin ist in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. US2003/0160229A1 eine Mehrfachquantentopfstruktur offenbart, in welcher eine Topfschicht eine sich periodisch ändernde Dicke aufweist. Im Hinblick auf eine konkrete Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung wird jedoch nur eine Struktur offenbart, in welcher eine lichtemittierende Schicht mit einer undotierten Mehrfachquantentopfstruktur zwischen einer Si-dotierten n-Typ-Schicht und einer Mg-dotierten p-Typ-Schicht befindlich ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur bereit zustellen, die zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung geeignet ist, welche bei niedriger Spannung betrieben wird, während eine zufriedenstellende Lichtemissionsausgabelaistung beibehalten wird.
  • Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bildung einer lichtemittierenden Schicht bereitzustellen, wobei eine Blauverschiebung des emittierten Lichts verhindert wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird Folgendes bereitgestellt.
    • (1) Eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, umfassend ein Substrat, sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, worin eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt gestapelt bzw. geschichtet sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, wobei die Topfschicht einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich umfasst, und wobei die Barriereschicht ein Dotierungsmittel enthält.
    • (2) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach (1) oben, wobei die Topfschicht In enthält.
    • (3) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach (2) oben, wobei die obere Oberfläche der Topfschicht mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, die nicht In enthält.
    • (4) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (3) oben, wobei das Dotierungsmittel mindestens ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Ra besteht.
    • (5) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (4) oben, wobei das Dotierungsmittel in einer Konzentration von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 enthalten ist.
    • (6) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (5) oben, wobei der dicke Bereich eine Dicke von 1,5 nm bis 5 nm aufweist.
    • (7) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (6) oben, wobei der dicke Bereich eine arithmetische mittlere Breite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, von 10 nm oder mehr aufweist.
    • (8) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (7) oben, wobei der dünne Bereich eine Dicke von weniger als 1,5 nm aufweist.
    • (9) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (8) oben, wobei der dünne Bereich eine arithmetische mittlere Breite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, von 100 nm oder weniger aufweist.
    • (10) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (9) oben, wobei die Differenz der Dicke zwischen dem dicken Bereich und dem dünnen Bereich in einen Bereich von 1 nm bis 3 nm fällt.
    • (11) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (10) oben, wobei der dicke Bereich eine Gesamtbreite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, aufweist, die 30% oder mehr der gesamten Breite der Topfschicht ausmacht.
    • (12) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (11) oben, wobei die Mehrfach quantentopfstruktur 3- bis 10-mal wiederholt gestapelt bzw. geschichtet ist.
    • (13) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (12) oben, wobei die Barriereschicht aus einem Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter gebildet ist, ausgewählt aus GaN, AlGaN und InGaN, welches einen niedrigeren In-Gehalt als das die Topfschicht bildende InGaN aufweist.
    • (14) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (13) oben, wobei die Barriereschicht aus GaN gebildet ist.
    • (15) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (14) oben, wobei die Barriereschicht eine Dicke von 7 nm bis 50 nm aufweist.
    • (16) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (15) oben, wobei die Barriereschicht eine Dicke von 14 nm oder mehr aufweist.
    • (17) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, wobei die Vorrichtung eine negative und eine positive Elektrode aufweist, wobei die negative Elektrode und die positive Elektrode auf der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (16) oben vorgesehen sind.
    • (18) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Punkt (17) oben, welcher eine Vorrichtungsstruktur vom Flip-Chip-Typ aufweist.
    • (19) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Punkt (18) oben, wobei die positive Elektrode eine Reflexionstypstruktur aufweist.
    • (20) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Punkte (17) bis (19) oben, wobei eine Betriebsspannung in einen Bereich von 2,9 V bis 3,2 V bei einem Strom von 20 mA fällt.
    • (21) Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Punkte (17) bis (19) oben, wobei die Startspannung (take-off voltage) in einen Bereich von 2,5 V bis 3,2 V fällt.
    • (22) Lampe, welche eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Punkte (17) bis (21) oben umfasst.
    • (23) Lampe, welche ein fluoreszierendes Material und eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Punkte (17) bis (21) oben umfasst.
    • (24) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, umfassend ein Substrat, sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, worin eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt geschichtet sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, und wobei das Verfahren die Ausbildung eines dicken Bereichs und eines dünnen Bereichs in der Topfschicht durch Dotieren der Barriereschicht mit einem Dotierungsmittel umfasst.
    • (25) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (24) oben, wobei das Dotierungsmittel in einer Konzentration von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 enthalten ist.
    • (26) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (1) bis (16) oben, wobei das Verfahren einen Schritt des Bildens der Topfschicht umfasst, wobei dieser Schritt einen Schritt des Züchtens eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters und einen Schritt des Zersetzens oder Sublimierens eines Teils bzw. Bereichs des Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters umfasst.
    • (27) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (26) oben, wobei der Züchtungsschritt bei einer Substrattemperatur von T1 und der Zersetzungs- oder Sublimierschritt bei einer Substrattemperatur von T2 durchgeführt wird, wobei T1 und T2 die Beziehung erfüllen: T1 ≤ T2.
    • (28) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (27) oben, wobei T1 in einen Bereich von 650 bis 900°C fällt.
    • (29) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (28) oben, wobei T2 in einen Bereich von 700 bis 1000°C fällt.
    • (30) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (27) bis (29) oben, wobei der Schritt des Zersetzens oder Sublimierens durchgeführt wird, während die Substrattemperatur T1 auf T2 erhöht wird.
    • (31) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (30) oben, wobei die Substrattemperatur T1 mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 1°C/min bis 100°C/min auf T2 erhöht wird.
    • (32) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (31) oben, wobei die Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit 5°C/min bis 50°C/min beträgt.
    • (33) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (30) bis (32) oben, wobei die Substrattemperatur T1 über 30 Sekunden bis 10 Minuten auf T2 erhöht wird.
    • (34) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (33) oben, wobei die Substrattemperatur T1 über eine Minute bis fünf Minuten auf T2 erhöht wird.
    • (35) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (27) bis (34) oben, wobei die Barriereschicht bei T2 gezüchtet wird.
    • (36) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (35) oben, wobei die Barriereschicht bei T2 gezüchtet bzw. wachsen gelassen wird, gefolgt von einer Absenkung der Substrattemperatur auf T3, bei welcher ein weiteres Züchten durchgeführt wird.
    • (37) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Punkt (36) oben, wobei T3 gleich T1 ist.
    • (38) Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach einem der Punkte (26) bis (37) oben, wobei der Schritt des Züchtens in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die eine Stickstoffquelle und eine Quelle für ein Metall der Gruppe III enthält, und der Schritt des Zersetzens oder Sublimierens in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die eine Stickstoffquelle enthält, jedoch keine Quelle für ein Metall der Gruppe III enthält.
  • Gemäß dem wesentlichen Punkt der vorliegenden Erfindung enthält die in der Mehrfachquantentopfstruktur zur Bildung der lichtemittierenden Schicht enthaltene Barriereschicht ein Dotierungsmittel, und die Topfschicht wird aus einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich gebildet. Auf diese Weise kann eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung hergestellt werden, welche eine zufriedenstellende Ausgabeleistung beibehält und eine verminderte Betriebsspannung aufweist.
  • Durch Bildung des dicken Bereichs und des dünnen Bereichs in der Topfschicht durch Dotieren der Barriereschicht mit einem Dotierungsmittel kann eine Blauverschiebung des von der Topfschicht emittierten Lichts verhindert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine beispielhafte fotografische TEM-Aufnahme im Querschnitt der in Beispiel 1 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • 2 ist eine andere beispielhafte fotografische TEM-Aufnahme im Querschnitt der in Beispiel 1 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts der in den Beispielen 1~3 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • 4 ist eine schematische Ansicht einer Elektrodenkonfiguration der in den Beispielen 1~3 hergestellten lichtemittierenden Diode.
  • 5 ist eine beispielhafte fotografische TEM-Aufnahme im Querschnitt der in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • 6 ist eine andere beispielhafte fotografische TEM-Aufnahme im Querschnitt der in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur.
  • Beste Ausführungsformen der Erfindung
  • Es ist weithin bekannt, dass die n-Typ-Schicht, die lichtemittierende Schicht und die p-Typ-Schicht einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung aus einer Anzahl von Galliumnitrid-Verbindungshalbleitern gebildet werden, die durch die Formel dargestellt werden: AlxInyGa1-x-yN (0 ≤ x < 1; 0 ≤ y < 1; 0 ≤ x + y < 1). In der vorliegenden Erfindung besteht keine besondere Einschränkung bezüglich des Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters zur Bildung der n-Typ-Schicht, lichtemittierenden Schicht und p-Typ-Schicht, und es kann ebenfalls eine Anzahl von Galliumnitrid-Verbindungshalbleitern der Formel: AlxInyGa1-x-yN (0 ≤ x < 1; 0 ≤ y < 1; 0 ≤ x + y < 1) eingesetzt werden.
  • Auf den Substrattyp wird keine besondere Einschränkung auferlegt, und es können herkömmlicherweise bekannte Substratarten wie Saphir, SiC, GaP, GaAs, Si, ZnO und GaN verwendet werden.
  • Um einen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter auf einem der obigen Substrate (ausgenommen einem GaN-Substrat) zu bilden, die theoretisch bezüglich des Gitters nicht mit der Galliumnitridverbindung übereinstimmen, kann ein Niedrigtemperaturpufferverfahren (zum Beispiel offenbart in dem Japanischen Patent 3026087 und der offengelegten Japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 4-297023) und ein epitaxiales Kristallzüchtungsverfahren bei Gitterfehlanpassung ("latticemismatch crystal epitaxial growth technique") (zum Beispiel offenbart in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2003-243302), welches als "Impfverfahren (SP)" bezeichnet wird, eingesetzt werden. Unter diesen Verfahren ist vom Gesichtspunkt der Produktivität und anderer Faktoren das SP-Verfahren ein besonders vorteilhaftes epitaxiales Kristallzüchtungsverfahren bei Gitterfehlanpassung, mit dem ein AlN-Kristallfilm bei so hohen Temperaturen erzeugt werden kann, dass eine Bildung von GaN-Kristallen ermöglicht wird.
  • Wenn ein epitaxiales Gitterfehlanpassungs-Kristallzüchtungsverfahren, wie zum Beispiel ein Niedrigtemperaturpufferverfahren oder ein SP-Verfahren, eingesetzt wird, ist der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter, der auf der Pufferschicht als Unterlageschicht gebildet wird, bevorzugt undotiertes oder schwach dotiertes GaN (Dotierungsmittelkonzentration beträgt etwa 5 × 1017 cm–3). Die Unterlagenschicht weist bevorzugt eine Dicke von 1 bis 20 μm auf, bevorzugter 5 bis 15 μm.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die in der Mehrfachquantentopfstruktur zur Bildung der lichtemittierenden Schicht enthaltene Topfschicht aus einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich gebildet. Es ist bevorzugt, dass die obere Oberfläche und die untere Oberfläche Vertiefungen und Vorsprünge aufweist. In der Verwendung hier bezieht sich der Begriff "dicker Bereich" auf einen Bereich mit einer Dicke nicht unterhalb einer durchschnittlichen Dicke der Topfschicht, und der Begriff "dünner Bereich" bezieht sich auf einen Bereich mit einer geringeren Dicke als der durchschnittlichen Dicke der Topfschicht. Der Begriff "durchschnittliche Dicke" ist das arithmetische Mittel der größten Dicke und der kleinsten Dicke. Wenn der dünne Bereich einen Bereich beinhaltet, der nicht mit einer Topfschicht bedeckt ist oder eine sehr dünne Topfschicht aufweist, bezieht sich der dicke Bereich auf einen Bereich mit einer Dicke von nicht weniger als 1/2 der größten Dicke der Topfschicht, und der dünne Bereich bezieht sich auf einen Bereich mit einer Dicke von weniger als 1/2 der größten Dicke der Topfschicht.
  • Der dicke Bereich und der dünne Bereich können visuell und quantitativ anhand einer TEM-Querschnittsfotografie eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters bestimmt werden. Beispielsweise kann die Dicke und Breite des dicken Bereichs oder dünnen Bereichs anhand einer TEM-Querschnittsfotografie des Verbindungshalbleiters bei einer Vergrößerung von 500 000 bis 2 000 000 bestimmt werden. 1 zeigt eine TEM-Querschnittsfotografie einer in Beispiel 1 hergestellten Halbleiterprobe bei einer Vergrößerung von 2 000 000. In 1 bezeichnet Bezugsziffer 1 eine Topfschicht, und A, B und C bezeichnen jeweils einen dünnen Bereich. Die Bezugsziffern 2, 3 und 4 bezeichnen jeweils eine Barriereschicht, n-Typ-Mantelschicht und p-Typ-Mantelschicht. Die Breite und Dicke eines dicken Bereichs oder eines dünnen Bereichs können unter Verwendung der Vergrößerung berechnet werden. 2 zeigt eine fotografische TEM-Aufnahme im Querschnitt der gleichen Probe 1 bei einer Vergrößerung von 500 000. In 2 bezeichnet Bezugsziffer 1 eine Topfschicht, und D, E, F und G bezeichnen jeweils einen dünnen Bereich. Die Bezugsziffern 2, 3 und 4 bezeichnen jeweils eine Barriereschicht, eine n-Typ-Mantelschicht und eine p-Typ-Mantelschicht. Die Breite und Dicke eines dicken Bereichs oder eines dünnen Bereichs können unter Verwendung der Vergrößerung berechnet werden.
  • Die Dicke oder die Breite eines dicken Bereichs oder eines dünnen Bereichs ist ein arithmetisch gemittelter Wert, der in einer Mehrzahl von Sichtfeldern zur Messung in einer TEM-Querschnittsfotografie erhalten wird (z.B. beobachtet in 10 Feldern, wobei benachbarte Felder einen Abstand von 10 μm voneinander aufweisen).
  • Der dicke Bereich weist bevorzugt eine Dicke von etwa 1,5 nm bis etwa 5 nm auf. Wenn die Dicke des dicken Bereichs außerhalb dieses Bereichs fällt, sinkt die Emissionsausgabeleistung ab. Bevorzugter beträgt die Dicke 1,5 nm bis 3,0 nm. Die Breite des dicken Bereichs ist bevorzugt 10 bis 5000 nm, bevorzugter 100 bis 1000 nm.
  • Die Fläche des dicken Bereichs macht bevorzugt 30 bis 90% der gesamten Fläche der Topfschicht aus. Wenn die Fläche innerhalb dieses Bereichs fällt, kann eine Absenkung der Betriebs spannung und eine Beibehaltung der Ausgabeleistung erzielt werden. Bevorzugter ist die Fläche, welche mit dem dicken Bereich bedeckt ist, größer als die Fläche, die mit dem dünnen Bereich bedeckt ist (d.h. sie macht 50% oder mehr der gesamten aktiven Schicht aus). Das Flächenverhältnis von dem dicken Bereich zu dem dünnen Bereich kann aus der anhand einer TEM-Querschnittsfotografie gemessenen Breite berechnet werden.
  • Der dünne Bereich weist eine Breite von 1 bis 100 nm auf, bevorzugter 5 bis 50 nm.
  • Die Differenz der Dicke zwischen dem dicken Bereich und dem dünnen Bereich fällt bevorzugt in einen Bereich von etwa 1 bis 3 nm. Die Dicke des dünnen Bereichs ist bevorzugt weniger als 1,5 nm.
  • Die Topfschicht kann einen dünnen Bereich mit einer Dicke von 0 beinhalten. Mit anderen Worten kann die Topfschicht einen Bereich beinhalten, der nicht mit einer Topfschicht bedeckt ist. Ein solcher Bereich ist jedoch bevorzugt eng, um eine Verminderung der Emissionsausgabeleistung zu vermeiden. Die Fläche macht daher bevorzugt 30% oder weniger der Gesamtfläche der Topfschicht aus, bevorzugter 20% oder weniger, besonders bevorzugt 10% oder weniger. Das Flächenverhältnis kann aus der anhand einer Querschnitts-TEM-Fotografie gemessenen Breite berechnet werden.
  • Der dicke Bereich und der dünne Bereich in der Topfschicht werden bevorzugt mittels Dotieren der Barriereschicht mit einem Dotierungsmittel gebildet. Beispiele des Dotierungsmittelelements sind C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Ra. Hierunter sind Si und Ge bevorzugt, wobei Si am meisten bevorzugt ist.
  • Die Dotierungsmittelkonzentration beträgt bevorzugt 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3. Wenn die Konzentration weniger als 1 × 1017 cm–3 beträgt, weist die gebildete Topfschicht eine gleichförmige Dicke auf, was zu einer Schwierigkeit bei der Bildung eines dicken Bereichs und eines dünnen Bereichs führt, wohingegen bei einer Konzentration oberhalb von 1 × 1019 cm–3 die Topfschicht kein Licht emittieren kann. Bevorzugter ist die Konzentration 2 × 1017 cm–3 bis 5 × 1018 cm–3. Wenn die Konzentration innerhalb des bevorzugteren Bereichs fällt, wird die Schichtdickenverteilung der Topfschicht geeigneterweise reguliert, und der elektrische Widerstand der Topfschicht bezüglich des Gleichstroms kann vermindert werden. Eine in einen Bereich von 3 × 1017 cm–3 bis 2 × 1018 cm–3 fallende Dotierungsmittelkonzentration ist besonders bevorzugt.
  • Die Barriereschicht kann eine Struktur aufweisen, in welcher eine Mehrzahl von Barrieresubschichten gestapelt sind. In diesem Fall enthält die Barrieresubschicht, die in Kontakt mit der Topfschicht ist, bevorzugt ein Dotierungsmittel. Die Schicht weist bevorzugt eine Dicke von 2,5 nm oder mehr auf, bevorzugter 5 nm oder mehr, besonders bevorzugt 7,5 nm oder mehr. Wenn die Dicke der Dotierungsmittel-enthaltenden Barriereschicht, die in Kontakt mit der Topfschicht ist, weniger als 5 Å beträgt, ist die Bildung eines dicken Bereichs und eines dünnen Bereichs in der Topfschicht schwierig.
  • Wenn die Barriereschicht unter den vorgenannten Bedingungen gebildet wird, bilden die obere Oberfläche und die untere Oberfläche der Topfschicht Vertiefungen und Überstände. Durch Einsatz einer solchen Struktur in Kombination mit der dotierten Barriereschicht kann eine hohe Emissionsintensität erreicht werden, und die Betriebsspannung kann weiter abgesenkt werden. Weiterhin kann ein Abbau aufgrund einer Alterung vermieden werden.
  • Die Barriereschicht weist bevorzugt eine Dicke von 7 nm oder mehr auf, bevorzugter 14 nm oder mehr. Wenn die Barriereschicht übermäßig dünn ist, ist die Bildung eines dicken Bereichs und eines dünnen Bereichs in der Topfschicht gehemmt, was zu einer Absenkung der Emissionseffizienz und einer Verschlechterung der Eigenschaften aufgrund eines Alterns führt, wohingegen bei einer übermäßigen Dicke der Barriereschicht die Betriebsspannung zunimmt und die Emission schwach wird. Die Barriereschicht weist daher bevorzugt eine Dicke von 50 nm oder weniger auf.
  • Die Wiederholung der Stapelung in der Mehrfachquantentopfstruktur ist bevorzugt etwa 3- bis etwa 10-fach, bevorzugter etwa 3- bis etwa 6-fach. Nicht alle in der Mehrfachquantentopfstruktur enthaltenen Topfschichten haben notwendigerweise einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich, und die Dimensionen und der Flächenanteil der dicken Bereiche und der dünnen Bereiche kann von Schicht zu Schicht variieren.
  • Die Topfschicht ist bevorzugt aus einem Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter gebildet, der In enthält, da der Inenthaltende Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter ein derartiges Kristallsystem aufweist, dass leicht eine Struktur mit einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich erzielbar ist. Weiterhin kann der In-enthaltende Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter hochintensives Licht in einem Wellenlängenbereich blauen Lichts emittieren.
  • Wenn die Topfschicht aus einem In-enthaltenden Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter gebildet ist, ist die obere Oberfläche der Topfschicht bevorzugt mit einer dünnen Schicht bedeckt, die kein In enthält. Aufgrund dieser dünnen Schicht kann eine Zersetzung/Sublimation von in der Topfschicht enthaltenem In unterdrückt werden, wodurch die Emissionswellenlänge konsistent reguliert werden kann, was bevorzugt ist.
  • Die Barriereschicht kann aus GaN, AlGaN und InGaN, welches einen niedrigeren In-Gehalt als derjenige des die Topfschicht bildenden InGaN aufweist, gebildet werden. Hierunter ist GaN bevorzugt.
  • Die n-Typ-Schicht weist allgemein eine Dicke von etwa 1 bis etwa 10 μm auf, bevorzugt etwa 2 bis etwa 5 μm. Die n-Typ-Schicht wird aus einer n-Typ-Kontaktschicht zur Bildung einer negativen Elektrode und einer n-Typ-Mantelschicht gebildet, welche eine größere Bandlücke als die einer lichtemittierenden Schicht aufweist und welche mit der lichtemittierenden Schicht in Kontakt ist. Die n-Typ-Kontaktschicht kann auch als die n-Typ-Mantelschicht dienen. Die n-Typ-Kontaktschicht ist bevorzugt mit Si oder Ge mit hoher Konzentration dotiert. Die so dotierte n-Typ-Schicht weist bevorzugt eine Ladungsträgerkonzentration auf, die auf etwa 5 × 1018 cm–3 bis etwa 2 × 1019 cm–3 reguliert ist.
  • Die n-Typ-Mantelschicht kann aus einem Halbleiter wie AlGaN, GaN oder InGaN gebildet sein. Wenn InGaN verwendet wird weist das InGaN selbstverständlich eine solche Zusammensetzung auf, dass es eine größere Bandlücke hat als die des die lichtemittierende Schicht bildenden InGaN. Die Ladungsträgerkonzentration der n-Typ-Schicht kann gleich oder größer oder kleiner als die der n-Typ-Kontaktschicht sein. Die n-Typ-Mantelschicht weist bevorzugt eine Oberfläche mit hoher Ebenheit auf, indem die Züchtungsbedingungen einschließlich der Züchtungsrate, Züchtungstemperatur, der Züchtungsdruck und die Dotierungsmittelkonzentration reguliert werden, um eine hohe Kristallinität der darauf gebildeten lichtemittierenden Schicht zu erzielen.
  • Die n-Typ-Mantelschicht kann durch abwechselndes, wiederholtes Stapeln bzw. Schichten gebildet sein, wobei jede Schicht eine spezifische Zusammensetzung und Gitterkonstanten aufweist. In diesem Fall kann zusätzlich zur Zusammensetzung die Menge des Dotierungsmittels, die Filmdicke etc. der gestapelten Schicht modifiziert werden.
  • Die p-Typ-Schicht weist im Allgemeinen eine Dicke von 0,01 bis 1 μm auf und wird aus einer p-Typ-Mantelschicht gebildet, die in Kontakt mit der lichtemittierenden Schicht und einer p-Typ-Kontaktschicht zur Bildung einer positiven Elektrode ist. Die p-Typ-Kontaktschicht kann auch als p-Typ-Mantelschicht dienen. Die p-Typ-Mantelschicht wird aus einem Halbleiter wie GaN oder AlGaN gebildet und mit Mg als p-Typ-Dotierungsmittel dotiert. Um ein Überlaufen von Elektronen zu vermeiden, ist die p-Typ-Mantelschicht bevorzugt aus einem Material mit einer größeren Bandlücke als derjenigen des Materials zur Bildung der lichtemittierenden Schicht gebildet. Weiterhin weist die p-Typ-Mantelschicht bevorzugt eine hohe Ladungsträgerkonzentration auf, um Ladungsträger effektiv in die lichtemittierende Schicht zu injizieren.
  • Ähnlich der n-Typ-Mantelschicht kann die p-Typ-Mantelschicht durch abwechselndes, wiederholtes Stapeln von Schichten gebildet sein, wobei jede Schicht eine spezifische Zusammensetzung und Gitterkonstanten aufweist. Dabei kann zusätzlich zur Zusammensetzung die Dotierungsmittelmenge, die Filmdicke, etc. der gestapelten Schicht modifiziert werden.
  • Die p-Typ-Kontaktschicht kann aus einem Halbleiter wie GaN, AlGaN oder InGaN gebildet sein und ist mit Mg als Verunreinigungselement dotiert. Nach Entfernung aus einem Reaktor weist der so entfernte Mg-dotierte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter im Allgemeinen einen hohen elektrischen Widerstand auf. Der Mg-dotierte Verbindungshalbleiter weist jedoch durch Aktivierung, wie beispielsweise Tempern, Elektronenstrahlbestrahlung oder Mikrowellenbestrahlung, eine p-Typ-Leitfähigkeit auf.
  • Die p-Typ-Kontaktschicht kann aus Borphosphid gebildet sein, welches mit einem p-Typ-Verunreinigungselement dotiert ist, welches p-Typ-Leitfähigkeit aufweist, selbst wenn die zuvor genannte Behandlung zur Erzielung einer p-Typ-Leitfähigkeit nicht durchgeführt wird.
  • Bezüglich des Verfahrens zum Züchten des Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters zur Bildung der vorgenannten n-Typ-Schicht, lichtemittierenden Schicht und p-Typ-Schicht wird keine besondere Einschränkung auferlegt, und ein beliebiges weithin bekanntes Verfahren wie MBE, MOCVD und HVPE kann unter weithin bekannten Bedingungen eingesetzt werden. Hierunter ist MOCVD bevorzugt.
  • Bezüglich der Quellen zur Bildung des Halbleiters können Ammoniak, Hydrazin, ein Azid oder eine ähnliche Verbindung als Stickstoffquelle verwendet werden. Beispiele der in der Erfindung einsetzbaren organometallischen Quelle für Gruppe III sind Trimethylgallium (TMGa), Triethylgallium (TEGa), Trimethylindium (TMIn) und Trimethylaluminium (TMAl). Beispiele einsetzbarer Dotierungsmittelquellen sind Silan, Disilan, German, organische Germaniumquellen, Biscyclopentadienylmagnesium (Cp2Mg), andere organometallische Verbindungen und Hydride. Stickstoff und Wasserstoff können als Trägergas eingesetzt werden.
  • Die In-enthaltende Topfschicht wird bevorzugt bei einer Substrattemperatur von 650 bis 900°C gezüchtet. Wenn die Substrattemperatur 650°C oder niedriger ist, kann eine Topfschicht mit hoher Kristallinität nicht gebildet werden, wohingegen bei einer Substrattemperatur von 900°C oder höher die in die Topfschicht einbezogene In-Menge abnimmt, wodurch die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, welche Licht mit einer beabsichtigten Wellenlänge emittiert, nicht möglich ist.
  • Wie oben beschrieben ist, wird eine kein In enthaltende dünne Schicht bevorzugt auf der Oberfläche der Topfschicht gebildet, wenn die Topfschicht In enthält. In diesem Fall wird nach Beendigung des Wachstums eines In-enthaltenden Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters ein Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter bei der gleichen Substrattemperatur gezüchtet, während die Zufuhr der In-Quelle gestoppt wird.
  • Wie zuvor erwähnt, werden der dicke Bereich und der dünne Bereich in der Topfschicht bevorzugt durch Dotieren der Barriereschicht mit einem Dotierungsmittel gebildet. Der dicke Bereich und der dünne Bereich in der Topfschicht werden jedoch auch durch Züchten eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters bis auf eine vorbestimmte Dicke und Zersetzen oder Sublimieren eines Teils bzw. Bereichs des gezüchteten Halbleiters gebildet.
  • Das heißt, nachdem der In-enthaltende Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter durch kontinuierliche Zufuhr einer Quelle für ein Metall der Gruppe III (enthaltend In) und einer Stickstoffquelle bis auf eine vorbestimmte Dicke gezüchtet wurde, wird die Zufuhr der Quelle für das Metall der Gruppe III gestoppt. Die Substrattemperatur wird bei den obigen Bedingungen gehalten oder erhöht, wodurch ein Teil des Verbindungshalbleiters zersetzt wird oder sublimiert. Das Trägergas ist bevorzugt Stickstoff. Eine Zersetzung oder Sublimierung wird bevorzugt durchgeführt, wenn die Substrattemperatur von oberhalb der Züchtungstemperatur auf 700 bis 1 000°C erhöht wurde, oder während die Substrattemperatur erhöht wird.
  • Die Barriereschicht wird bevorzugt bei einer höheren Substrattemperatur gezüchtet, als diejenige, die zum Züchten der Topfschicht eingesetzt wird. Die Substrattemperatur beträgt bevorzugt etwa 700 bis etwa 1000°C. Wenn die Temperatur, bei welcher die Topfschicht gezüchtet wird, durch T1 angegeben wird, und die Temperatur, bei welcher die Barriereschicht gezüchtet wird, durch T2 angegeben wird, erfüllen T1 und T2 die Beziehung: T1 ≤ T2. Während der Temperaturerhöhung nach Züchten der Topfschicht von T1 auf T2 wird die Zufuhr der Quelle für Gruppe III gestoppt, während die Stickstoffquelle und ein Stickstoff-enthaltendes Trägergas kontinuierlich zugeführt werden, wodurch ein dicker Bereich und ein dünner Bereich effektiv in der Topfschicht gebildet werden. Während des Verlauf des obigen Verfahrens ist eine Änderung des Trägergases nicht erforderlich. Wenn das Trägergas zu Wasserstoff verändert wird, verschiebt sich die Wellenlänge des emittierten Lichts nach Blau. Da eine solche Änderung der Wellenlänge schwierig zuverlässig zu steuern ist, vermindert diese Änderung die Vorrichtungsproduktivität.
  • Die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T1 auf T2 beträgt bevorzugt etwa 1 bis etwa 100°C/min, bevorzugter etwa 5 bis etwa 50°C/min. Die für die Temperaturerhöhung von T1 auf T2 benötigte Zeit ist bevorzugt etwa 30 sec bis etwa min, bevorzugter etwa 1 min bis etwa 5 min.
  • Das Züchten der Barriereschicht kann eine Mehrzahl von Schritten beinhalten, die bei verschiedenen Züchtungs- bzw. Wachstumstemperaturen durchgeführt werden. Zum Beispiel wird eine Barriereschicht mit einer vorbestimmten Dicke bei T2 auf einer Topfschicht mit einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich gebildet, gefolgt von dem Bilden einer anderen Barriereschicht bei einer Züchtungstemperatur T3 darauf. Wenn T3 kleiner als T2 ist, kann eine Verschlechterung von Eigenschaften aufgrund eines Alterns vermieden werden, was bevorzugt ist. T3 kann gleich T1 sein.
  • Negative Elektroden einer Vielzahl von Zusammensetzungen und Strukturen sind weithin bekannt, und auf die negative Elektrode, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wird keine besondere Einschränkung auferlegt. Beispiele einsetzbarer Kontaktmaterialien für die negative Elektrode, welche mit einer n-Typ-Kontaktschicht in Kontakt sein soll, sind Al, Ti, Ni, Au, Cr, W und V. Selbstverständlich kann die negative Elektrode eine Mehrschichtstruktur in ihrer Gesamtheit aufweisen, wodurch die Elektrode mit einer Bindungseigenschaft und anderen Eigenschaften versehen wird.
  • Positive Elektroden einer Vielzahl von Zusammensetzungen und Strukturen sind weithin bekannt, und auf die in der vorliegenden Erfindung einsetzbare positive Elektrode wird keine besondere Einschränkung auferlegt.
  • Beispiele lichtdurchlässiger Materialien für die positive Elektrode sind Pt, Pd, Au, Cr, Ni, Cu und Co. Es ist bekannt, dass durch teilweise Oxidation der positiven Elektrode die Lichtdurchlässigkeit vergrößert wird. Beispiele einsetzbarer Materialien vom Reflexionstyp für die positive Elektrode sind die vorgenannten Materialien, Rh, Ag und Al.
  • Die positive Elektrode kann mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise Sputtern oder Vakuumgasphasenabscheidung gebildet werden. Insbesondere wenn ein Sputtern unter geeignet gesteuerten Sputterbedingungen durchgeführt wird, kann ein ohmscher Kontakt hergestellt werden, selbst wenn der Elektrodenfilm nach Filmbildung nicht getempert wird, was bevorzugt ist.
  • Die lichtemittierende Vorrichtung kann eine Flip-Chip-Typ-Struktur einschließlich einer positiven Elektrode vom Reflexionstyp oder eine Struktur mit nach oben gerichteter Fläche (face-up-type structure), die eine lichtdurchlässige positive Elektrode oder eine gitterartige oder kammartige positive Elektrode beinhaltet, aufweisen.
  • Gemäß der lichtemittierenden Schicht der vorliegenden Erfindung, die einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich beinhaltet, ist eine Grenzfläche zwischen der Topfschicht und einer Barriereschicht, die aus einem unterschiedlichen Material von dem der Topfschicht in einem Grenzflächenbereich zwischen dem dicken Bereich und dem dünnen Bereich gebildet ist, in einem geneigten Zustand zur Substratoberfläche. Daher nimmt die Lichtmenge, die in der Richtung senkrecht zur Substratoberfläche abgezogen wird, zu. Insbesondere wenn die Lichtemissionsvorrichtung eine Flip-Chip-Typ-Struktur aufweist, einschließlich einer Reflexionstypelektrode, ist die Emissionsintensität weiter verstärkt.
  • Eine Betriebsspannung einer Lichtemissionsvorrichtung, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur erhalten wird, kann in gewissem Ausmaß frei vermindert werden. Wenn sie jedoch sehr stark vermindert wird, wird auch die Lichtemissionsausgabe leistung vermindert. Die Betriebsspannung, bei welcher die Lichtemissionsausgabeleistung nicht vermindert wird, ist 2,5 V oder mehr bei einem Strom von 20 mA. Bevorzugter beträgt die Betriebsspannung 2,9 V oder mehr. Es ist erforderlich, dass die Betriebsspannung 3,5 V oder weniger beträgt, da eine sehr hohe Betriebsspannung nachteilig ist, wenn eine Lichtemissionsvorrichtung in ein Gerät einbezogen wird.
  • Eine take-off-Spannung bzw. Startspannung, bei welcher ein Strom in einer Strom-Spannungs-Kurve schnell zunimmt, ist eine Diodeneigenschaft. Die take-off-Spannung einer unter Verwendung der erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur erhaltenen Lichtemissionsvorrichtung kann vermindert sein. Auch bei der take-off-Spannung wird bei einer sehr starken Absenkung dieser eine Lichtemissionsausgabeleistung vermindert. Die take-off-Spannung, bei welcher die Lichtemissionsausgabeleistung nicht vermindert wird, beträgt 2,3 V oder mehr bei einem Strom von 20 mA. Bevorzugter beträgt die take-off-Spannung 2,5 V oder mehr. Es ist jedoch notwendig, dass die take-off-Spannung 3,2 V oder weniger beträgt, da eine sehr hohe take-off-Spannung nachteilig ist, wenn eine Lichtemissionsvorrichtung in ein Gerät einbezogen wird.
  • Die erfindungsgemäße Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wird zum Beispiel in einer Leuchtdiode (LED) und einer Laserdiode (LD) verwendet.
  • Eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung wird aus der erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur hergestellt, und mittels herkömmlicher, in der Technik weithin bekannter Maßnahmen wurde eine transparente Abdeckung an der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung angebracht, wodurch eine Lampe hergestellt wurde. Weiterhin wurde eine Phosphor-haltige Bedeckung an der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung angebracht, wodurch eine Weißlichtlampe hergestellt wurde.
  • Insgesamt kann eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit hoher Lichtemissionsausgabeleistung aus der erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur hergestellt werden. Eine sehr helle LED-Lampe kann aus der erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur mittels des oben erwähnten Verfahrens hergestellt werden. Weiterhin können ein elektronisches Gerät, wie zum Beispiel ein tragbares Telefon, ein Display und Anzeigen, in welche ein mittels des oben erwähnten Verfahrens hergestellter Chip einbezogen ist, sowie Maschinen, wie zum Beispiel ein Auto, ein Computer und ein Spielgerät, in welche das elektronische Gerät einbezogen ist, bei geringer elektrischer Leistung betrieben werden, und diese können eine hohe Leistungsfähigkeit erzielen. Insbesondere kann bei Vorrichtungen, wie beispielsweise einem tragbaren Telefon, einem Spielgerät und einem Autoteil, die durch eine Batterie betrieben werden, eine Energieeinsparwirkung erzielt werden.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ausführlicher mittels Beispielen beschrieben, die nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollten.
  • <Beispiel 1>
  • 3 zeigt schematisch eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur zur Herstellung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, deren Struktur in Beispiel 1 hergestellt wurde (die Konfiguration der Topfschichten und Barriereschichten in der lichtemittierenden Schicht sind schematisch dargestellt). Wie in 3 gezeigt ist, ist eine aus AlN gebildete SP-Schicht auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene mittels eines epitaxialen Kristallzüchtungsverfahrens mit Gitterfehlanpassung gestapelt. Auf der SP-Schicht sind die folgenden Schichten aufeinander folgend gebildet: eine undotierte GaN-Unterlagenschicht (Dicke: 2 μm); eine hochgradig Si-dotierte GaN-Kontaktschicht (Elektronenkonzentration: 1 × 1019 cm–3, Dicke: 2 μm); eine In0,1Ga0,9N-Mantelschicht (Elektronenkonzentration: 1 × 1018 cm–3, Dicke: 12,5 nm); eine lichtemittierende Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur, einschließlich Si-dotierten (1 × 1018 cm–3) GaN-Barriereschichten (6 Schichten, Dicke jeder Schicht: 16 nm) und Topfschichten (5 Schichten, wobei jede Schicht aus einer undotierten In0,2Ga0,8N-Schicht (Dicke: 2,5 nm) und einer GaN-Schicht (Dicke: 0 bis 0,5 nm) gebildet ist); eine Mg-dotierte p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht (Dicke: 10 nm); sowie eine Mg-dotierte p-Typ-GaN-Kontaktschicht (Lochkonzentration: 8 × 1017cm–3, Dicke: 0,1 μm).
  • Die vorgenannte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde mittels MOCVD durch das folgende Verfahren hergestellt.
  • Zunächst wurde ein Saphirsubstrat in einen rostfreien Reaktorofen überführt, mit welchem eine Vielzahl von Substraten mittels eines Kohlenstoffsuszeptors, der mittels einer Induktionsheizvorrichtung erhitzt wird, erhitzt werden kann. Der Suszeptor weist einen derartigen Mechanismus auf, dass der Suszeptor selbst rotierbar ist und dieser die Substrate rotiert. Das Saphirsubstrat wurde zum Erhitzen auf dem Kohlenstoffsuszeptor angeordnet, wobei der Vorgang in einer mit Stickstoff ausgetauschtem Handschuhbox durchgeführt wurde. Nach Einführung des Substrats wurde der Reaktorofen mit Stickstoff gespült.
  • Nach Durchgang von Stickstoff für 8 Minuten wurde die Substrattemperatur mittels der Induktionsheizvorrichtung über 10 Minuten auf 600°C erhöht, und der Druck innerhalb des Ofens wurde auf 150 mbar (15 kPa) eingestellt. Während das Substrat bei 600°C gehalten wurde, wurde die Substratoberfläche thermisch gereinigt, indem das Substrat 2 Minuten unter einer Strömung von Wasserstoff und Stickstoff stehen gelassen wurde.
  • Nach Beendigung der thermischen Reinigung wurde ein Ventil einer Stickstoffträgergaszufuhrleitung geschlossen, und nur Wasserstoff wurde dem Reaktorofen zugeführt.
  • Nachdem das Trägergas auf Wasserstoff verändert wurde, wurde die Substrattemperatur auf 1180°C erhöht. Nach Bestätigung, dass eine konstante Temperatur von 1180°C erreicht wurde, wurde ein TMAl-Dampf enthaltendes Gas dem Reaktorofen zugeführt, indem das entsprechende Ventil geöffnet wurde. Es wurde veranlasst, dass das zugeführte TMAl mit N-Atomen, die durch Zersetzung von Ablagerungen auf einer Innenwand des Reaktorofens freigesetzt wurden, reagiert, wodurch AlN auf dem Saphirsubstrat abgeschieden wurde.
  • Nach Zufuhr von TMAl für 8 Minuten und 30 Sekunden wurde das Ventil geschlossen, sodass die Zufuhr des TMAl-Dampf-enthaltenden Gases zum Reaktorofen gestoppt wurde. Die Bedingungen wurden 4 Minuten gehalten, wodurch der in dem Ofen verbleibende TMAl-Dampf vollständig entfernt wurde. Anschließend wurde Ammoniakgas durch Öffnen des entsprechenden Ventils dem Ofen zugeführt.
  • Vier Minuten nach Beginn der Zufuhr von Ammoniakgas wurde die Suszeptortemperatur unter Ammoniakströmung auf 1040°C vermindert. Während der Verminderung der Suszeptortemperatur wurde die Fließgeschwindigkeit von TMGa mittels eines Durchflussreglers reguliert.
  • Nach Bestätigung, dass die Suszeptortemperatur auf 1 040°C vermindert war und der Suszeptor bei einer konstanten Temperatur von 1 040°C gehalten wurde, wurde TMGa in den Ofen durch Öffnen des entsprechenden Ventils eingeführt, um undotiertes GaN aufwachsen zu lassen. Das Züchten wurde für etwa 1 Stunde durchgeführt, wodurch die vorgenannte GaN-Schicht gebildet wurde.
  • So wurde eine undotierte GaN-Unterlagenchicht mit einer Dicke von 2 μm gebildet.
  • Auf der undotierten GaN-Unterlagenchicht wurde eine hochgradig Si-dotierte n-Typ-GaN-Schicht gezüchtet. Nach Beendigung des Wachstums der undotierten GaN-Unterlagenchicht wurde die Zufuhr von TMGa in den Ofen für eine Minute unterbrochen, und die Fließgeschwindigkeit von SiH4 wurde während der Unterbrechung der Strömung eingestellt. Die interessierende Fließgeschwindigkeit war im Voraus vorbestimmt worden, und die Strömung wurde so reguliert, dass die Elektronenkonzentration der hochgradig Si-dotierten GaN-Schicht auf 1 × 1019 cm–3 gesteuert wurde. Ammoniak wurde kontinuierlich in den Ofen eingeführt, und die Fließgeschwindigkeit war unverändert. Während der obigen Unterbrechung der TMGa-Zufuhr für eine Minute wurde die Suszeptortemperatur von 1040°C auf 1060°C erhöht.
  • Nach Unterbrechung der TMGa-Zufuhr für eine Minute wurden TMGa und SiH4 zugeführt, und das Wachsen wurde für eine Stunde durchgeführt, wodurch eine hochgradig Si-dotierte GaN-Kontaktschicht mit einer Dicke von 2 μm gebildet wurde.
  • Nach dem Züchten der hochgradig Si-dotierten GaN-Kontaktschicht wurde die Zufuhr von TMGa und SiH4 in den Ofen durch Schließen der entsprechenden Ventile gestoppt. Das Trägergas wurde von Wasserstoff zu Stickstoff durch Ventilbetrieb verändert, während Ammoniak kontinuierlich zugeführt wurde. Anschließend wurde die Substrattemperatur von 1 060°C auf 730°C vermindert.
  • Während der Absenkung der Temperatur innerhalb des Ofens wurde die Fließgeschwindigkeit von SiH4 modifiziert. Die interessierende Fließgeschwindigkeit war im Voraus vorbestimmt worden, und die Durchflussmenge wurde so reguliert, dass die Elektronenkonzentration der Si-dotierten InGaN-Mantelschicht auf 1 × 1018 cm–3 reguliert wurde. Ammoniak wurde kontinuierlich in den Ofen überführt, und die Fließgeschwindigkeit war unverändert.
  • Anschließend wurden, nachdem die Bedingungen in dem Ofen stabilisiert waren, TMIn, TEGa und SiH4 durch gleichzeitiges Öffnen der entsprechenden Ventile in den Ofen eingeführt. Die Zufuhr wurde für einen vorbestimmten Zeitraum durchgeführt, wodurch eine Si-dotierte In0,1Ga0,9N-Mantelschicht mit einer Dicke von 12,5 nm gebildet wurde. Die Zufuhr der Quellen (TMIn, TEGa und SiH4) wurde durch Schließen der entsprechenden Ventile gestoppt.
  • Nach Beendigung des Züchtens der Si-dotierten In0,1Ga0,9N-Mantelschicht wurde die Suszeptortemperatur auf 930°C erhöht. Nachdem der Suszeptor bei einer konstanten Temperatur von 930°C gehalten wurde, wurden TEGa und SiH4 dem Ofen durch Öffnen der entsprechenden Ventile zugeführt, während die Substrattemperatur, der Druck innerhalb des Ofens, die Fließgeschwindigkeit von Ammoniak und Trägergas und der Typ des Trägergases konstant gehalten wurden. Das Züchten wurde für einen vorbestimmten Zeitraum bei einer Suszeptortemperatur von 930°C durchgeführt. Anschließend wurde die Suszeptortemperatur auf 730°C vermindert, und TEGa und SiH4 wurden zugeführt, um ein Züchten durchzuführen. Die Zufuhr von TEGa und SiH4 wurde durch Schließen der entsprechenden Ventile gestoppt, wodurch das Wachstum einer GaN-Barriereschicht beendet wurde. Als Ergebnis wurde eine GaN-Barriereschicht mit einer Gesamtdicke von 16 nm gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der GaN-Barriereschicht wurde die Zufuhr von TEGa für 30 Sekunden gestoppt. Anschließend wurden TEGa und TMIn dem Ofen zugeführt, indem die entsprechenden Ventile geöffnet wurden, wobei die Substrattemperatur, der Druck innerhalb des Ofens, die Fließgeschwindigkeit von Ammoniak und Trägergas und der Typ des Trägergases konstant gehalten wurden. TEGa und TMIn wurden für einen vorbestimmten Zeitraum zugeführt, und die Zufuhr von TMIn wurde durch Schließen der entsprechenden Ventile gestoppt, wodurch das Wachstum einer In0,2Ga0,8N-Topfschicht beendet wurde. In diesem Fall wurde eine In0,2Ga0,8N-Schicht mit einer Dicke von 2,5 nm gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der In0,2Ga0,8N-Schicht wurden TEGa und SiH4 kontinuierlich für einen vorbestimmten Zeitraum dem Ofen zugeführt, wodurch auf der InGaN-Schicht ein Sidotierter GaN-Dünnfilm zur Verhinderung einer Freisetzung von In gebildet wurde. Anschließend wurde die Zufuhr von TEGa und SiH4 gestoppt.
  • Das vorgenannte Verfahren wurde fünfmal wiederholt, um so fünf Si-dotierte GaN-Barriereschichten und fünf In0,2Ga0,8N-Topfschichten zu bilden. Schließlich wurde eine andere Sidotierte GaN-Barriereschicht gebildet, um so eine lichtemittierende Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur herzustellen.
  • Auf der äußersten Si-dotierten GaN-Barriereschicht der lichtemittierenden Schicht wurde eine Mg-dotierte p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der letzten Si-dotierten GaN-Barriereschicht durch Stoppen der Zufuhr von TEGa und SiH4 wurde die Substrattemperatur auf 1020°C erhöht. Das Trägergas wurde auf Wasserstoff gewechselt, und der Druck innerhalb des Ofens wurde auf 150 mbar (15 kPa) eingestellt. Nachdem der Druck innerhalb des Ofens konstant geworden war, wurden Quellen (TMGa, TMAl und Cp2Mg) dem Ofen zugeführt, indem die entsprechenden Ventile geöffnet wurden. Das Züchten wurde für etwa 3 Minuten durchgeführt, wonach die Zufuhr von TEGa und TMAl gestoppt wurde, wodurch das Wachstum einer Mg-dotierten p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht beendet wurde. Als Ergebnis wurde eine Mg-dotierte p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht mit einer Dicke von 10 nm gebildet.
  • Auf der Mg-dotierten p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht wurde eine Mg-dotierte p-Typ-GaN-Kontaktschicht gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der Mg-dotierten Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht durch Stoppen der Zufuhr von TMGa, TMAl, und Cp2Mg wurde der Druck innerhalb des Ofens auf 200 mbar (20 kPa) eingestellt. Nachdem der Druck innerhalb des Ofens konstant geworden war, wurden Quellen (TMGa und Cp2Mg) dem Ofen durch Öffnen der entsprechenden Ventile zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Cp2Mg war im Voraus vorbestimmt worden, und die Strömung wurde so reguliert, dass die Lochkonzentration der Mg-dotierten GaN-Kontaktschicht auf 8 × 1017 cm–3 reguliert wurde. Anschließend wurde das Wachstum für etwa vier Minuten durchgeführt, wonach die Zufuhr von TMGa und Cp2Mg gestoppt wurde, wodurch das Wachstum der Mg-dotierten GaN-Schicht beendet wurde. Als Ergebnis wurde die Mg-dotierte GaN-Kontaktschicht bis zu einer Dicke von 0,1 μm gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der Mg-dotierten GaN-Kontaktschicht wurde die Elektrizitätszufuhr zur Induktionsheizvorrichtung gestoppt, und die Substrattemperatur wurde über 20 Minuten auf Raumtemperatur abgesenkt. Während des Prozesses der Absenkung der Temperatur war die Atmosphäre im Reaktorofen ausschließlich Stickstoff. Nachdem bestätigt wurde, dass die Substrattemperatur auf Raumtemperatur vermindert war, wurde die so hergestellte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur an die Atmosphäre entfernt.
  • Durch das oben beschriebene Verfahren wurde die Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur zur Herstellung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung hergestellt. Obwohl die Mg-dotierte GaN-Schicht keinem Tempern zur Aktivierung der p-Typ-Ladungsträger unterzogen wurde, wies die GaN-Schicht p-Typ-Leitfähigkeit auf.
  • Durch Verwendung der oben erwähnten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde eine Leuchtdiode, welches ein Typ einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung ist, hergestellt.
  • Auf der Oberfläche der p-Typ-GaN-Kontaktschicht der so hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde eine positive Elektrode vom Reflexionstyp mit einer Struktur gebildet, in welcher Pt, Rh und Au aufeinanderfolgend auf der Kontaktschichtseite mittels eines herkömmlichen fotolithografischen Verfahrens gebildet wurden.
  • Anschließend wurde die vorgenannte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur trocken geätzt, um einen negativen Elektrodenteil der hochgradig Si-dotierten n-Typ-GaN-Kontaktschicht freizulegen. Ti und Al wurden anschließend auf dem exponierten Bereich der Kontaktschicht gebildet, wodurch eine negative Elektrode gebildet wurde. Mittels dieser Vorgänge wurden Elektroden einer in 4 gezeigten Form hergestellt.
  • Die Rückseite des Saphirsubstrats der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, die auf obige Weise mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode versehen worden war, wurde geschliffen und poliert, wodurch eine Spiegeloberfläche bereitgestellt wurde. Anschließend wurde die Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur in quadratische (350 μm × 350 μm) Chips zugeschnitten, und jeder Chip wurde auf Subträgern derart angebracht, dass die Elektroden mit den Subträgern in Kontakt waren. Der so gebildete Chip auf einem Subträger wurde auf einem Leiterrahmen (lead frame) angeordnet und mit einem Golddraht mit dem Leiterrahmen verdrahtet, wodurch eine Lichtemissionsvorrichtung hergestellt wurde.
  • Wenn an die positive Elektrode und die negative Elektrode der so hergestellten Leuchtdiode ein Betriebsstrom in Durchlassrichtung angelegt wurde, wies die Diode eine Durchlassspannung von 3,0 V bei einem Strom von 20 mA, eine Emissionswellenlänge von 455 nm und eine Emissionsausgabeleistung von 10 mW auf. Derartige Eigenschaften der Leuchtdiode können ohne eine Variation unter den Leuchtdioden, die aus praktisch der Gesamtheit der oben hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur ausgeschnitten und hergestellt wurden, erzielt werden.
  • Die so hergestellte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde in einem Querschnitts-TEM beobachtet, wobei 1 und 2 fotografische Aufnahmen davon zeigen (Vergrößerung: 2000000 (1) und 500000 (2)).
  • Wie 1 und 2 zeigen, ist erkennbar, dass jede Topfschicht aus einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich gebildet ist, und die obere Oberfläche und untere Oberfläche Vertiefungen und Überstände aufweisen.
  • Es wurde gefunden, dass der beobachtete dicke Bereich eine Dicke von 2,5 nm und eine Breite von 50 nm aufweist, und es wurde gefunden, dass der beobachtete dünne Bereich eine Breite von etwa 5 nm und eine Dicke von 1 nm oder weniger aufweist.
  • Es wurde gefunden, dass die Barriereschichten eine Dicke von 16 nm aufweisen. Jede Barriereschicht füllte die Vertiefungen in jeder Topfschicht auf.
  • <Vergleichsbeispiel 1>
  • In Vergleichsbeispiel 1 wurde das Verfahren von Beispiel 1 wiederholt, ausgenommen dass eine andere lichtemittierende Schicht eingesetzt wurde, um so eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur der gleichen Konfiguration herzustellen. Die lichtemittierende Schicht von Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich von der von Beispiel 1 darin, dass eine nicht-Si-dotierte Barriereschicht eingesetzt wird, und dass eine Topfschicht mit einer gleichförmigen Dicke und eine Barriereschicht mit einer gleichförmigen Dicke wiederholt gestapelt sind.
  • Die anfänglichen Schritte bis zum Schritt des Bildens einer InGaN-Mantelschicht wurden auf eine ähnliche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Nach Beendigung des Züchtens der Si-dotierten In0,1Ga0,9N-Mantelschicht wurde die Suszeptortemperatur auf 930°C erhöht. Nachdem der Suszeptor bei einer konstanten Temperatur von 930°C gehalten wurde, wurde TEGa dem Ofen zugeführt, indem das entsprechende Ventil geöffnet wurde, während die Substrattemperatur, der Druck innerhalb des Ofens, die Fließgeschwindigkeit des Trägergases und der Typ des Trägergases konstant gehalten wurden. Das Züchten wurde für einen vorbestimmten Zeitraum bei einer Suszeptortemperatur von 930°C durchgeführt. Anschließend wurde die Suszeptortemperatur auf 730°C vermindert, und TEGa wurde zugeführt, um ein Wachstum durchzuführen. Die Zufuhr von TEGa wurde gestoppt, indem das entsprechende Ventil geschlossen wurde, wodurch das Wachstum einer GaN-Barriereschicht beendet wurde. Als Ergebnis wurde eine undotierte GaN-Barriereschicht mit einer Gesamtdicke von 16 nm gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der undotierten GaN-Barriereschicht wurde die Zufuhr von TEGa für 30 Sekunden gestoppt. Anschließend wurde TEGa und TMIn dem Ofen zugeführt, indem die entsprechenden Ventile geöffnet wurden, wobei die Substrattemperatur, der Druck innerhalb des Ofens, die Fließgeschwindigkeit von Ammoniak und Trägergas und der Typ des Trägergases konstant gehalten wurden. TEGa und TMIn wurden für einen vorbestimmten Zeitraum zugeführt, und die Zufuhr von TEGa und TMIn wurde durch schließen der entsprechenden Ventile gestoppt, wodurch das Züchten einer In0,2Ga0,8N-Schicht beendet wurde. In diesem Fall wurde eine In0,2Ga0,8N-Schicht mit einer Dicke von 2,5 nm gebildet.
  • Nach Beendigung des Züchtens der In0,2Ga0,8N-Schicht wurde TEGa kontinuierlich für einen vorbestimmten Zeitraum dem Ofen zugeführt, wodurch auf der InGaN-Schicht ein GaN-Dünnfilm zur Verhinderung einer Freisetzung von In gebildet wurde.
  • Das vorgenannte Verfahren wurde fünfmal wiederholt, um so eine Mehrschichtstruktur mit fünf undotierten GaN-Barriereschichten und fünf In0,2Ga0,8N-Topfschichten zu bilden. Schließlich wurde eine weitere undotierte GaN-Barriereschicht gebildet, um so eine lichtemittierende Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur herzustellen.
  • Anschließend wurden eine Mg-dotierte p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht und eine Mg-dotierte p-Typ-GaN-Schicht mittels der gleichen Verfahrensweise wie in Beispiel 1 gebildet.
  • Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 wurde die aus der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur hergestellte Leuchtdiode bewertet. Als ein Ergebnis wies die Diode eine Durchlassspannung von 3,9 V bei einem Strom von 20 mA auf, eine Emissionswellenlänge von 455 nm und eine Emissionsausgabeleistung von 8,5 mW.
  • Die so hergestellte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde in einer Querschnitts-TEM beobachtet, wobei 5 und 6 Fotografien davon zeigen (Vergrößerung: 2000000 (5) und 500000 (6)). In diesen Figuren bezeichnen Bezugsziffern 1, 2, 3 und 4 jeweils eine Topfschicht, eine Barriereschicht, n-Typ-Mantelschicht und p-Typ-Mantelschicht. Wie in 5 und 6 gezeigt ist, weist jede Topfschicht eine praktisch gleichförmige Dicke von etwa 2,5 nm auf, und es wurde keine positionsabhängige Variation der Dicke festgestellt.
  • <Beispiel 2>
  • Das Verfahren von Beispiel 2 zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur war von dem von Beispiel 1 in den folgenden Punkten verschieden.
  • Spezifisch wurden in Beispiel 2 TEGa und GeH4 während des Schritts des Züchtens einer Barriereschicht und einer GaN-Dünnschicht, die eine Topfschicht bilden, zugeführt, und die Barriereschicht und die GaN-Dünnschicht, die eine Topfschicht bilden, wurden aus einer Ge-dotierten GaN-Schicht gebildet. Die Fließgeschwindigkeit von GeH4 wurde so reguliert, dass die Ge-Dotierungsmittelkonzentration auf 1 × 1018 cm–3 eingestellt wurde.
  • Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 wurden eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf der so erhaltenen Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur bereitgestellt. Die positive Elektrode wies eine Struktur auf, in welcher eine transparente Elektrode (Au und NiO) und eine Pad-Elektrode (Ti, Au, Al und Au) aufeinanderfolgend auf der p-Typ-GaN-Kontaktschichtseite gebildet wurden.
  • Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 wurde die hergestellte Leuchtdiode bewertet. Als Ergebnis wies die Diode eine Durchlassspannung von 3,0 V bei einem Strom von 20 mA, eine Emissionswellenlänge von 455 nm und eine Emissionsausgabeleistung von 5 mW auf. Diese Eigenschaften der Leuchtdiode können ohne eine Variation unter den Leuchtdioden, die aus praktisch der Gesamtheit der oben hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur ausgeschnitten und hergestellt wurden, erzielt werden. Mittels Beobachtung eines Querschnitts der Leuchtdiode unter einem TEM wurde gefunden, dass jede Topfschicht aus einem dicken Bereich und einem dünnen Bereich gebildet war.
  • <Vergleichsbeispiel 2>
  • In Vergleichsbeispiel 2 wurde eine Leuchtdiode mit der gleichen Elektrodenstruktur wie in der Diode von Beispiel 2 durch Verwendung der in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur hergestellt.
  • Die hergestellte Leuchtdiode wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Als Ergebnis wies die Diode eine Durchlassspannung von 3,9 V bei einem Strom von 20 mA, eine Emissionswellenlänge von 455 nm und eine Emissionsausgabeleistung von 5 mW auf.
  • <Beispiel 3>
  • In diesem Beispiel wurde eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wie folgt hergestellt.
  • Eine aus AlN gebildete SP-Schicht wird mittels eines epitaxialen Kristallwachstumsverfahrens bei Gitterfehlanpassung auf einem Saphirsubstrat mit einer c-Ebene gestapelt. Auf der SP-Schicht werden die folgenden Schichten aufeinanderfolgend gebildet: eine undotierte GaN-Unterlagenschicht (Dicke: 8 μm); eine n-GaN-Kontaktschicht, in welcher eine hochgradig Ge-dotierte Schicht und eine schwach Ge-dotierte Schicht abwechselnd 100-mal gestapelt sind (durchschnittliche Elektronenkonzentration: 5 × 1018 cm–3, Dicke: 4 um); eine n-In0,1Ga0,9N-Mantelschicht (Elektronenkonzentration: 1 × 1018 cm–3, Dicke: 180 Å); eine lichtemittierende Schicht einer Mehrfachquantentopfstruktur, einschließlich Si-dotierten GaN-Barriereschichten (6 Schichten, Si-Konzentration: 8 × 1017 cm–3, Dicke jeder Schicht: 160 Å) und Topfschichten (5 Schichten, wobei jede Schicht aus einer undotierten In0,2Ga0,8N-Schicht (Dicke: 25 Å) und einer GaN-Schicht (Dicke 0 bis 5 Å) gebildet ist); eine Mg-dotierte p-Typ-Al0,07Ga0,93N-Mantelschicht (Dicke: 100 Å); und eine Mg-dotierte p-GaN-Kontaktschicht (Lochkonzentration: 8 × 1017cm–3, Dicke: 0,1 μm).
  • Die vorgenannte Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde mittels MOCVD über ein ähnliches Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt.
  • Anschließend wurde unter Verwendung der vorgenannten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur eine Leuchtdiode, welches ein Typ einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung ist, mittels des folgenden Verfahrens hergestellt.
  • Auf der Oberfläche der p-Typ-GaN-Kontaktschicht der so hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur wurde eine transparente positive Elektrode mit einer Struktur gebildet, in welcher Pt und Au aufeinanderfolgend auf der Kontaktschichtseite gebildet waren, mittels eines herkömmlichen fotolithografischen Verfahrens gebildet. Anschließend wurde auf der positiven Elektrode eine Pad-Elektrode mit einer Struktur gebildet, in welcher Ti, Au, Al und Au aufeinanderfolgend auf der positiven Elektrodenseite gebildet waren.
  • Nachfolgend wurde die Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur trocken geätzt, um einen negativen Elektrodenteil der n-Typ-GaN-Kontaktschicht freizulegen. Ti und Al wurden aufeinanderfolgend auf dem exponierten Bereich der Kontaktschicht gebildet, wodurch eine negative Elektrode gebildet wurde. Durch diese Vorgänge wurden Elektroden mit einer in 4 gezeigten Form hergestellt.
  • Die Rückseite des Saphirsubstrats der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, auf welcher die positive Elektrode und die negative Elektrode auf obige Weise bereitgestellt wurden, wurde geschliffen und poliert, wodurch eine Spiegeloberfläche bereitgestellt wurde. Anschließend wurde die Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur in quadratische (350 μm × 350 μm) Chips zugeschnitten. Der so hergestellte Chip wurde auf einem Leiterrahmen angeordnet und mit dem Leiterrahmen mit einem Golddraht verdrahtet, wodurch eine lichtemittierende Vorrichtung hergestellt wurde.
  • Wenn ein Betriebsstrom an die positive Elektrode und die negative Elektrode der so hergestellten Leuchtdiode in einer Durchlassrichtung angelegt wurde, wies die Diode eine Durch lassspannung von 3,2 V bei einem Strom von 20 mA, eine Emissionswellenlänge von 470 nm und eine Emissionsausgabeleistung von 6 mW auf. Diese Eigenschaften der Leuchtdiode können ohne Variation unter den Leuchtdioden, die praktisch aus der Gesamtheit der oben hergestellten Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur ausgeschnitten und hergestellt wurden, erzielt werden.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die aus der Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur hergestellte lichtemittierende Vorrichtung wird bei niedriger Spannung unter Beibehalt einer zufriedenstellenden Lichtemissionsausgabeleistung betrieben. Die vorliegende Erfindung ist daher von bemerkenswert großem Wert in der Industrie.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur bereitzustellen, die zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung geeignet ist, welche bei niedriger Spannung unter Beibehalt einer zufriedenstellenden Lichtemissionsausgabeleistung betrieben wird.
  • Die erfindungsgemäße Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur umfasst ein Substrat sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, in welcher eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt gestapelt sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, worin die Topfschicht einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich umfasst, und wobei die Barriereschicht ein Dotierungsmittel enthält.

Claims (38)

  1. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, umfassend ein Substrat sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, worin eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt geschichtet sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, wobei die Topfschicht einen dicken Bereich und einen dünnen Bereich umfasst, und wobei die Barriereschicht ein Dotierungsmittel enthält.
  2. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 1, worin die Topfschicht In enthält.
  3. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 2, worin die obere Oberfläche der Topfschicht mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, die nicht In enthält.
  4. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Dotierungsmittel mindestens ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus C, Si, Ge, Sn, Pb, O, S, Se, Te, Po, Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Ra besteht.
  5. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Dotierungsmittel in einer Konzentration von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 enthalten ist.
  6. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der dicke Bereich eine Dicke von 1,5 nm bis 5 nm aufweist.
  7. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der dicke Bereich eine arithmetische mittlere Breite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, von 10 nm oder mehr aufweist.
  8. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der dünne Bereich eine Dicke von weniger als 1,5 nm aufweist.
  9. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der dünne Bereich eine arithmetische mittlere Breite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, von 100 nm oder weniger aufweist.
  10. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Differenz der Dicke zwischen dem dicken Bereich und dem dünnen Bereich in einen Bereich von 1 nm bis 3 nm fällt.
  11. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der dicke Bereich eine Gesamtbreite, gemessen in einem Querschnitt der Mehrschichtstruktur, aufweist, die 30% oder mehr der gesamten Breite der Topfschicht ausmacht.
  12. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Mehrfachquantentopfstruktur 3- bis 10-mal wiederholt geschichtet ist.
  13. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Barriereschicht aus einem Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter gebildet ist, ausgewählt aus GaN, AlGaN und InGaN, welches einen niedrigeren In-Gehalt als das die Topfschicht bildende InGaN aufweist.
  14. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 13, worin die Barriereschicht aus GaN gebildet ist.
  15. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, worin die Barriereschicht eine Dicke von 7 nm bis 50 nm aufweist.
  16. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 15, worin die Barriereschicht eine Dicke von 14 nm oder mehr aufweist.
  17. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, wobei die Vorrichtung eine negative und eine positive Elektrode aufweist, wobei die negative Elektrode und die positive Elektrode auf der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 vorgesehen sind.
  18. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 17, welche eine Vorrichtungsstruktur vom Flip-Chip-Typ aufweist.
  19. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 18, worin die positive Elektrode eine Reflexionstypstruktur aufweist.
  20. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, worin eine Betriebsspannung in einen Bereich von 2,9 V bis 3,2 V bei einem Strom von 20 mA fällt.
  21. Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, worin die Startspannung (take-off voltage) in einen Bereich von 2,5 V bis 3,2 V fällt.
  22. Lampe, welche eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21 umfasst.
  23. Lampe, welche ein fluoreszierendes Material und eine Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21 umfasst.
  24. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur, umfassend ein Substrat, sowie eine auf dem Substrat ausgebildete n-Typ-Schicht, lichtemittierende Schicht und p-Typ-Schicht, wobei die lichtemittierende Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, worin eine Topfschicht und eine Barriereschicht abwechselnd wiederholt gestapelt sind, wobei sich die lichtemittierende Schicht zwischen der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht befindet, wobei das Verfahren die Ausbildung eines dicken Bereichs und eines dünnen Bereichs in der Topfschicht durch Dotieren der Barriereschicht mit einem Dotierungsmittel umfasst.
  25. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 24, wobei das Dotierungsmittel bei einer Konzentration von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 enthalten ist.
  26. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Verfahren einen Schritt des Bildens der Topfschicht umfasst, wobei dieser Schritt einen Schritt des Züchtens eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters und einen Schritt des Zersetzens oder Sublimierens eines Teils des Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters umfasst.
  27. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 26, wobei der Züchtungsschritt bei einer Substrattemperatur von T1 und der Zersetzungs- oder Sublimierschritt bei einer Substrattemperatur von T2 durchgeführt wird, wobei T1 und T2 die Beziehung erfüllen: T1 ≤ T2.
  28. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 27, wobei T1 in einen Bereich von 650 bis 900°C fällt.
  29. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 28, wobei T2 in einen Bereich von 700 bis 1000°C fällt.
  30. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der Schritt des Zersetzens oder Sublimierens durchgeführt wird, während die Substrattemperatur T1 auf T2 erhöht wird.
  31. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 30, wobei die Substrattemperatur T1 mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 1°C/min bis 100°C/min auf T2 erhöht wird.
  32. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 31, wobei die Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit 5°C/min bis 50°C/min beträgt.
  33. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei die Substrattemperatur T1 über 30 Sekunden bis 10 Minuten auf T2 erhöht wird.
  34. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 33, wobei die Substrattemperatur T1 über eine Minute bis fünf Minuten auf T2 erhöht wird.
  35. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 27 bis 34, wobei die Barriereschicht bei T2 gezüchtet wird.
  36. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 35, wobei die Barriereschicht bei T2 gezüchtet wird, gefolgt von einer Absenkung der Substrattemperatur auf T3, bei welcher ein weiteres Züchten durchgeführt wird.
  37. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur nach Anspruch 36, wobei T3 gleich T1 ist.
  38. Verfahren zur Herstellung einer Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Mehrschichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 26 bis 37, wobei der Schritt des Züchtens in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die eine Stickstoffquelle und eine Quelle für ein Metall der Gruppe III enthält, und der Schritt des Zersetzens oder Sublimierens in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die eine Stickstoffquelle enthält, jedoch keine Quelle für ein Metall der Gruppe III enthält.
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