DE19648955A1

DE19648955A1 - III-V-Verbindungshalbleiter und lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE19648955A1
Application number: DE19648955A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Iyechika; Yoshinobu Ono; Tomoyuki Takada; Katsumi Inui
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2016-11-27
Also published as: SG72844A1; DE19648955B4; TW425722B; US6023077A; SG48494A1

Description

Die Erfindung betrifft einen III-V-Verbindungs halbleiter, der durch die allgemeine Formel In_uGa_vAl_wN (wobei gilt: u + v + w = 1, 0 u 1, 0 v 1 und 0 w 1) dar gestellt wird, und eine lichtemittierende Vorrichtung bzw. ein lichtemittierendes Bauelement, die bzw. das diesen verwendet.

Als Material für lichtemittierende Vorrichtungen, z. B. eine ultraviolettes oder blaues Licht emittierende Diode, eine Ultraviolett- oder Blaulaserdiode usw., ist ein III-V- Verbindungshalbleiter bekannt, der durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: x + y + z = 1, 0 < x 1, 0 y < 1 und 0 z < 1) dargestellt wird. Nachstehend werden x, y und z in dieser allgemeinen Formel mitunter als "InN-Mischkristall verhältnis", "GaN-Mischkristallverhältnis" bzw. "AlN-Misch kristallverhältnis" bezeichnet. III-V-Verbindungshalbleiter, die InN in einem Mischkristallverhältnis von nicht unter 10% enthalten sind, besonders wichtig für Anzeigeanwendungen, weil eine Lumineszenzwellenlänge im sichtbaren Bereich entsprechend dem InN-Mischkristallverhältnis eingestellt werden kann.

Im übrigen war der Verbindungshalbleiter und die licht emittierenden Vorrichtung, die diesen verwendet, mit folgenden Problemen behaftet.

Zunächst ist versucht worden, eine Schicht aus dem III- V-Verbindungshalbleiter auf verschiedenen Substraten (z. B. Saphir, GaAs, ZnO usw.) auszubilden. Ein Kristall mit ausrei chend hoher Qualität muß jedoch erst noch hergestellt werden, da die Gitterkonstanten und die chemischen Eigenschaften der Substrate sich von denen des Verbindungshalbleiters stark un terscheiden. Deshalb ist versucht worden, zuerst einen GaN- Kristall zu ziehen, dessen Gitterkonstanten und chemische Ei genschaften denen des Verbindungshalbleiters äußerst ähnlich sind, und den Verbindungshalbleiter darauf zu ziehen, um einen ausgezeichneten Kristall herzustellen (japanisches Patent Ko koku Nr. 55-3 834). Es ist jüngst berichtet worden, daß eine hocheffektive lichtemittierende Vorrichtung realisiert werden kann, wenn die Dicke der Leuchtschicht so gesteuert wird, daß sie etwa 20 Å in einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Halbleiter, der durch In_xGa_yN (wobei gilt: x + y = 1, 0 < x < 1 und 0 < y < 1) dargestellt wird, als aktive Schicht aufweist (Japanese Journal of Applied Physics, 1955, Bd. 34 S. L797). In diesem Fall ist jedoch auch berichtet worden, daß sich die Lichtausbeute verringert, wenn das InN-Mischkristallverhältnis der Leuchtschicht erhöht wird.

Zweitens hängt eine Gitterkonstante des III-V- Verbindungshalbleiters weitgehend vom InN-Mischkristall verhältnis ab, und die Gitterkonstante wird größer, wenn sich das InN-Mischkristallverhältnis erhöht. Deshalb weisen, selbst wenn versucht wird, einen III-V-Verbindungshalbleiter mit ei nem großen InN-Mischkristallverhältnis auf einem III-V- Verbindungshalbleiter zu ziehen, der kein In (z. B. GaN usw.) enthält, lediglich diejenigen mit einer ausreichend kleinen Schichtdicke gute Kristallinität auf. Es ist jedoch bekannt, daß es schwierig ist, einen Kristall mit einer Gitterkonstan ten herzustellen, die sich weitgehend von der einer Grund schicht unterscheidet, und zwar wegen einer sogenannten Selbstregulierungswirkung des Mischkristallverhältnisses auf die Gitteranpassung, wenn die Schichtdicke klein ist. Diese Tatsache zeigt also, daß es schwierig ist, eine dünne Schicht des Verbindungshalbleiters mit hohem InN- Mischkristallverhältnis auf der Halbleiterschicht, die kein In (z. B. GaN usw.) enthält, auszubilden. Demzufolge war es schwierig, eine Wellenlänge der lichtemittierenden Vorrichtung durch Erhöhung des InN-Mischkristallverhältnisses zu verlän gern.

Andererseits wurde als Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer langen Lumineszen zwellenlänge unter Verwendung einer Leuchtschicht mit einem niedrigen InN-Mischkristallverhältnis ein Verfahren zur we sentlichen Verlängerung einer Lumineszenzwellenlänge durch Ausübung einer Zugspannung auf eine Leuchtschicht in einer li chtemittierenden Vorrichtung mit einer Supergitterstruktur, die einen III-V-Verbindungshalbleiter als die Leuchtschicht ver wendet, vorgeschlagen (EP-A-0 716 457). Um die Zugspannung auf den Verbindungshalbleiter mit einer Gitterkonstanten, die grö ßer ist als die der Grundschicht, auszuüben, kann jedoch nicht vermieden werden, daß viele Fehlanpassungsversetzungen bzw. Gitterfehlstellen auf der Grenzfläche zwischen der Grund schicht und der Leuchtschicht entstehen, und dadurch konnte eine Verschlechterung der Kristallinität der Leuchtschicht nicht vermieden werden. Der Begriff "Fehlanpassungs versetzung", der hier verwendet wird, bedeutet eine Verset zung, die auf der Grenzfläche zwischen beiden Schichten wegen der Differenz der Gitterkonstanten zwischen beiden aufeinan dergeschichteten Schichten ausgebildet ist.

Die erste Aufgabe der Erfindung ist es, einen III-V- Verbindungshalbleiter mit hoher Kristallinität und hoher Qua lität und eine lichtemittierende Vorrichtung, die diesen ver wendet und die eine hohe Lichtausbeute aufweist, bereitzustel len.

Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine licht emittierende Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Ausbildung einer Fehlanpassungsversetzung auf der Grenz fläche der Leuchtschicht zu verhindern und Licht mit einer längeren Wellenlänge auf einfache Weise zu emittieren.

Unter diesen Umständen haben die Erfinder der vorlie genden Anwendung intensive Studien durchgeführt. Im Ergebnis ist festgestellt worden, daß durch Bereitstellung einer spezi fischen Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten zwi schen der Leuchtschicht und dem Substrat besteht, die Kri stallinität der Schicht, die auf der Grundschicht gezogen wird, deutlich verbessert worden ist.

Es ist außerdem festgestellt worden, daß durch Steue rung des AlN-Mischkristallverhältnisses von mindestens einer Schicht zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat, so daß dieses in einem spezifischen Bereich liegt, und durch Steue rung der Gitterkonstanten der Leuchtschicht, so daß diese ei nen Wert hat, der größer ist als der der Grundschicht, die Leuchtschicht mit einer Druckverformung in Kontakt mit der Grundschicht ausgebildet wird, wodurch die Ausbildung der Fehlanpassungsversetzung verhindert und die Lumineszenzwellen länge verlängert wird.

Das heißt, der erste Teil der Erfindung betrifft einen III-V-Verbindungshalbleiter (1) mit mindestens einer Leucht schicht und einer Ladungsinjektionsschicht auf einem Substrat, wobei die Leuchtschicht ein III-V-Verbindungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: 0 < x 1, 0 y < 1, 0 z < 1 und x + y + z = 1) dargestellt wird, wobei die Ladungsinjektionsschicht ein III-V-Verbin dungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_x, Ga_y, Al_z, N (wobei gilt: 0 x′ 1, 0 y′ 1, 0 z′ 1 und x′ + y′ + z′ = 1) dargestellt wird und einen Bandabstand hat, der größer ist als der der Leuchtschicht, wobei die Leuchtschicht zwischen zwei Ladungsinjektionsschichten, die in Kontakt mit diesen sind, angeordnet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine Grundschicht aus mindestens drei Schichten zwi schen der Leuchtschicht und dem Substrat aufweist, wobei jede Schicht, die die Grundschicht bildet, ein III-V-Verbindungs halbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_uGa_vAl_wN (wobei gilt: 0 u 1, 0 v 1, 0 w 1 und u + v + w = 1) dargestellt wird, wobei mindestens eine Schicht in der Grundschicht zwischen zwei Schichten mit einem InN- Mischkristallverhältnis angeordnet ist, das kleiner ist als das der Schicht, die in Kontakt mit ihnen ist, wobei das InN- Mischkristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit dem kleineren InN-Mischkristallverhältnis ange ordnet sind, 0,05 oder darüber größer ist als das der Schicht, die in Kontakt mit der Schicht von der Substratseite ist, und wobei mindestens eine Schicht zwischen der Schicht auf der Substratseite von den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis und der Leuchtschicht mit einer n- Verunreinigung dotiert ist.

Die Erfindung betrifft auch eine lichtemittierende Vor richtung (2), die den oben beschriebenen III-V-Verbindungs halbleiter (1) verwendet.

Der zweite Teil der Erfindung betrifft auch eine lich temittierende Vorrichtung mit einer Struktur, bei der eine Grundschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_aGa_bAl_cN (wobei gilt: 0 a < 1, 0 < b < 1, 0,05 c < 1 und a + b + c = 1) dargestellt wird, eine Leuchtschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: 0 < x 1, 0 y < 1, 0 z < 1 und x + y + z = 1) dargestellt wird und einen Bandabstand hat, der kleiner ist als der der Grundschicht, und eine Schutzschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_a′Ga_b′Al_c′N (wobei gilt: 0 < a′ < 1, 0 < b′ 1, 0 c′ < 1 und a′ + b′ + c′ = 1) dargestellt wird und einen Bandabstand hat, der größer ist als der der Leuchtschicht, in dieser Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind; und eine Gitterkonstante der Leuchtschicht größer ist als die der Grundschicht und eine Druckbelastung auf die Leuchtschicht in der Verbindungsrichtung ausgeübt wird.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform des III-V-Verbindungshalbleiters darstellt;

Fig. 2 eine Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform des III-V-Verbindungshalbleiters darstellt, der für die lichtemittierende Vorrichtung verwendet wird;

Fig. 3 eine Schnittansicht, die die in Beispiel 1 aus geführte, erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung dar stellt;

Fig. 4 eine Schnittansicht, die die in Beispiel 6 dar gestellte, erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung dar stellt.

Zunächst wird der erste Teil der Erfindung beschrieben.

Der erfindungsgemäße III-V-Verbindungshalbleiter weist eine Grundschicht und eine Supergitterstrukturschicht auf ei nem Substrat in dieser Reihenfolge auf. Die Supergitterstruk turschicht ist die Schicht, in der eine Schicht (nachstehend mitunter als "Leuchtschicht" bezeichnet), die durch die allge meine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: x + y + z = 1, 0 < x 1, 0 y < 1 und 0 z < 1) dargestellt wird, zwischen Schichten (nachstehend als "Ladungsinjektionsschicht" bezeichnet), die durch die allgemeine Formel In_x′Ga_y′Al_z′N (wobei gilt: 0 x′ 1, 0 y 1, 0 z′ 1 und x′ + y′ + z′ = 1) dargestellt werden und einen Bandabstand haben, der größer ist als der der Leuchtschicht, die in Kontakt mit diesen ist. Es wird voraus gesetzt, daß x′, y′ und z′ in der allgemeinen Formel, die zwei Ladungsinjektionsschichten darstellt, gleich oder unterschied lich sind.

Die erfindungsgemäße Grundschicht besteht aus minde stens drei Schichten, und alle Schichten werden durch die all gemeine Formel In_uGa_vAl_wN (wobei gilt: 0 u 1, 0 v 1, 0 w 1 und u + v + w = 1) dargestellt. Es wird vorausgesetzt, daß u, v und w in der allgemeinen Formel, die mindestens drei Schichten in der Grundschicht darstellt, gleich oder unter schiedlich sein können.

In der erfindungsgemäßen Grundschicht ist mindestens eine Schicht in der Grundschicht zwischen zwei Schichten mit einem InN-Mischkristallverhältnis angeordnet, das kleiner ist als das dieser Schicht, die in Kontakt mit diesen ist.

Die Schicht, die zwischen den Schichten mit einem klei neren Mischkristallverhältnis in der erfindungsgemäßen Grund schicht angeordnet ist, wird mitunter als "verformte Schicht" bezeichnet.

Wenn man die verformte Schicht mit der Schicht ver gleicht, die mit der verformten Schicht von der Substratseite in Kontakt ist, ist die Differenz des InN-Mischkristall verhältnisses zwischen der verformten Schicht und der Schicht, die mit der verformten Schicht von der Substratseite in Kon takt ist, nicht kleiner als 0,05, besonders bevorzugt nicht unter 0,1, am besten nicht unter 0,2. Wenn die Differenz des Mischkristallverhältnisses kleiner ist als 0,05, ist die er findungsgemäße Wirkung nicht ausreichend.

Eine Dicke der verformten Schicht ist vorzugsweise nicht kleiner als 5 Å. Wenn die Dicke der verformten Schicht kleiner ist als 5 Å, ist die erfindungsgemäße Wirkung nicht ausreichend.

Da die verformte Schicht eine Gitterverformung hat, entstehen mitunter Gitterdefekte, wenn die Dicke zu groß ist. In diesem Fall verschlechtert sich schließlich die Kristalli nität der auf der verformten Schicht gezogenen Schicht, und dies wird nicht bevorzugt. Der bevorzugte obere Grenzwert der Dicke der verformten Schicht hängt von einer Differenz des InN-Mischkristallverhältnisses zwischen der verformten Schicht und der vor der verformten Schicht gezogenen Schicht ab. Ins besondere ist die Dicke der verformten Schicht vorzugsweise nicht größer als 600 Å, wenn die Differenz des InN- Mischkristallverhältnisses 0,05 ist. Die Dicke der verformten Schicht ist vorzugsweise nicht größer als 100 Å, wenn die Dif ferenz des InN-Mischkristallverhältnisses 0,3 beträgt. Das heißt, das Produkt aus der Differenz des Mischkristallverhält nisses und der Dicke (Å) der verformten Schicht ist vorzugs weise nicht größer als 30, wenn die Differenz des InN- Mischkristallverhältnisses nicht größer ist als 0,3. Die Dicke der verformten Schicht ist vorzugsweise nicht größer als 100 Å, wenn die Differenz des InN-Mischkristallverhältnisses 0,3 überschreitet.

Obwohl die erfindungsgemäße Wirkung erreicht werden kann, wenn die Anzahl der verformten Schichten eins ist, kann die größere Wirkung mitunter dadurch erreicht werden, daß meh rere verformten Schichten verwendet werden. Beispiele für die Grundschicht sind eine Struktur aus (2m + 1) Schichten, die m Schichten mit einem größeren InN-Mischkristallverhältnis und (m + 1) Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristall verhältnis aufweisen, die aufeinandergeschichtet sind. Außer dem ist m eine positive ganze Zahl, die nicht kleiner ist als 2.

In der Grundschicht der Schichtstruktur, die mehrere dieser verformten Schichten enthält, kann das InN- Mischkristallverhältnis, muß jedoch nicht nach und nach geän dert werden, während die Dicke jeder verformten Schicht auf rechterhalten wird. Die Dicke der Schicht kann nach und nach geändert werden, wenn die Dicke die kritische Schichtdicke nicht überschreitet, während das InN-Mischkristallverhältnis jeder verformten Schicht aufrechterhalten wird.

In den Schichten mit einem InN-Mischkristallverhältnis, das kleiner ist als das der verformten Schicht, kann das InN- Mischkristallverhältnis oder die Dicke der Schichten nach und nach geändert werden oder kann so bleiben, wie es bzw. sie ist.

Die Kristallinität einer auf der Grundschicht gezogenen Schicht, kann deutlich verbessert werden, indem diese Grund schicht mit der verformten Schicht zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat bereitgestellt wird. Obwohl diese Wirkung auch erkannt wird, wenn der Verbindungshalbleiter bei einem atmosphärischen Druck unter Verwendung eines organometalli schen Dampfphasenepitaxieverfahrens, das später beschrieben wird, gezogen wird, wird diese Wirkung deutlich, wenn das Wachstum unter einem verringerten Druck erfolgt.

Die Kristallinität kann durch die Dichte der Ätzgruben erkannt werden, die auf der Oberfläche des Verbindungshalblei ters, der mit einer erwärmten Mischsäure aus Phosphorsäure und Schwefelsäure behandelt worden ist, ausgebildet sind. Es gibt Überlegungen, daß die Grundschicht die Übertragung von Verset zungen verhindert, die im Verbindungshalbleiterkristall vor handen sind, weil die Wirkung der Grundschicht als eine Ver ringerung der Ätzgrubendichte erscheint.

Ferner ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht zwischen der Schicht auf der Substratseite von den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis und der Leuchtschicht mit einer n- Verunreinigung dotiert ist. Spezifische Beispiele dafür sind solche, wo die verformte Schicht oder die auf der verformten Schicht gezogenen Schicht mit einem kleineren InN-Misch kristallverhältnis mit einer n-Verunreinigung dotiert ist.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Struktur kann vermieden werden, daß sich injizierte Träger in der verformten Schicht rekombinieren und daß die Rekombinationseffizienz in der Leuchtschicht auch dann herabgesetzt wird, wenn der Bandabstand der verformten Schicht kleiner wird als der der mit der verformten Schicht zu verbindenden Schicht, da das InN-Mischkristallverhältnis der verformten Schicht größer ist als das der mit der verformten Schicht zu verbindenden Schicht.

Eine bevorzugte Konzentration von Trägern in der n dotierten Schicht ist nicht kleiner als 1 × 10¹⁷ cm^-3, vor zugsweise nicht kleiner als 1 × 10¹⁸ cm^-3.

Eine Ausführungsform der Struktur des erfindungsgemäßen III-V-Verbindungshalbleiters ist in Fig. 1 dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist die, bei der eine Grundschicht aus einer verformten Schicht 2, einer n-Schicht 1 und einer n-Schicht 3, eine Schicht mit einer Supergitter struktur, bei der zwischen zwei Ladungsinjektionsschichten 4, 6 eine Leuchtschicht 5 angeordnet ist, die in Kontakt mit ihr ist, und eine p-Schicht 7 in dieser Reihenfolge aufeinanderge schichtet sind.

Ein Strom wird dadurch injiziert, daß eine n-Elektrode auf der n-Schicht 1 oder der n-Schicht 3 bereitgestellt wird, eine p-Elektrode auf der p-Schicht 7 bereitgestellt wird und anschließend eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird, wodurch eine Emission aus der Leuchtschicht 5 und der erfin dungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung hervorgerufen wird.

Wenn die Konzentration von n-Trägern in der Ladungsin jektionsschicht 4 ausreichend hoch ist, kann die n-Elektrode auf der Ladungsinjektionsschicht 4 ausgebildet werden.

Wenn der Bandabstand der n-Schicht 3 größer ist als der der Leuchtschicht, kann die n-Schicht 3 auch als die Ladungs injektionsschicht dienen, ohne daß sich die n-Schicht 3 von der Ladungsinjektionsschicht 4 als eine andere Schicht unter scheidet, und die Ladungsinjektionsschicht 4 muß nicht gezogen werden.

Wenn die Konzentration der p-Träger in der Ladungsin jektionsschicht 6 ausreichend hoch ist, kann eine Elektrode auf der Ladungsinjektionsschicht 6 ausgebildet werden. In die sem Fall braucht die p-Schicht 7 nicht ausgebildet zu werden.

Wenn die Ladungsinjektionsschicht 4 oder die Ladungsin jektionsschicht 6 mit einer hohen Konzentration dotiert ist, wird die Kristallinität dieser Schichten mitunter schlechter. In diesem Fall werden die Leuchtcharakteristik oder die elek trische Charakteristik schlechter, und dies wird nicht bevor zugt. In diesem Fall muß die Konzentration der Störstellen in der Ladungsinjektionsschicht 4 oder der Ladungsinjektions schicht 6 verringert werden. Der Konzentrationsbereich, in dem die Kristallinität nicht schlechter wird, ist vorzugsweise nicht größer als 1 × 10¹⁸ cm^-3 besonders bevorzugt nicht größer als 1 × 10¹⁷ cm^-3.

Im übrigen ist bekannt, daß die mit einer vergleichs weise hohen Qualität auf einfache Weise hergestellt für den Verbindungshalbleiter, der kein In enthält, unter Verwendung einer richtigen Pufferschicht werden können, im Vergleich zu dem Verbindungshalbleiter mit In. Deshalb werden der Ladungs injektionsträger und die Leuchtschicht vorzugsweise auf der Schicht ohne In auf dem Substrat gezogen. Wenn die Schicht mit In als Ladungsinjektionsschicht verwendet wird, entstehen mit unter Gitterdefekte in der Ladungsinjektionsschicht, und zwar aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen der Ladungsinjek tionsschicht und der Schicht ohne In, die vorher auf dem Substrat gezogen worden ist. In diesem Fall kann die Ausbil dung von Gitterdefekten in der Ladungsinjektionsschicht ver hindert werden, indem die erfindungsgemäße Grundschicht zwi schen der Schicht ohne In, die vorher gezogen worden ist, und der Ladungsinjektionsschicht angeordnet wird.

Als nächstes wird die Leuchtschicht beschrieben.

Da die Gitterkonstante des III-V-Verbindungshalbleiters in Abhängigkeit vom Mischkristallverhältnis stark variiert, wird die Dicke der Leuchtschicht vorzugsweise entsprechend dem Betrag der Verformung, die durch die Gitterfehlanpassung ent steht, verringert, wenn eine große Differenz der Gitterkon stante zwischen der Leuchtschicht und der Ladungsinjektions schicht des III-V-Verbindungshalbleiters besteht.

Der bevorzugte Bereich der Dicke der Leuchtschicht hängt vom Betrag der Verformung ab. Wenn die Leuchtschicht mit dem InN-Mischkristallverhältnis, das nicht kleiner als 10% ist, auf der Schicht, die durch Ga_aAl_bN (wobei gilt: a + b = 1, 0 a 1 und 0 b 1) als Ladungsinjektionsschicht dar gestellt wird, als die Ladungsinjektionsschicht angeordnet wird, liegt die bevorzugte Dicke der Leuchtschicht im Bereich von 5 bis 90 Å. Wenn die Dicke der Leuchtschicht kleiner ist als 5 Å, wird die Lichtausbeute unzureichend. Wenn anderer seits die Dicke größer ist als 90 Å, entstehen Gitterdefekte, und die Lichtausbeute ist ebenfalls unzureichend.

Da in die Leuchtschicht Ladungen in hoher Dichte inji ziert werden können, indem die Dicke der Leuchtschicht verrin gert wird, kann die Lichtausbeute verbessert werden. Deshalb wird die Dicke der Leuchtschicht vorzugsweise so gesteuert, daß sie auch dann in dem gleichen Bereich liegt wie der Be reich der oben beschriebenen Ausführungsform, wenn die Diffe renz der Gitterkonstante kleiner ist als die in der oben be schriebenen Ausführungsform.

Wenn die Leuchtschicht Al enthält, werden Störstellen, z. B. Sauerstoff, leicht aufgenommen, und die Lichtausbeute wird mitunter herabgesetzt. In diesem Fall können solche Schichten, die durch die allgemeine Formel In_xGa_yN (wobei gilt: x + y = 1, 0 < x 1 und 0 y < 1) dargestellt werden und kein Al enthalten, als die Leuchtschicht verwendet werden.

Eine Differenz des Bandabstands zwischen der Ladungsin jektionsschicht und der Leuchtschicht ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 eV. Wenn die Differenz des Bandabstands zwi schen der Ladungsinjektionsschicht und der Leuchtschicht klei ner ist als 0,1 eV, ist die Injektion von Trägern in die Leuchtschicht nicht ausreichend, und die Lichtausbeute wird herabgesetzt. Besonders bevorzugt ist sie kleiner als 0,3 eV. Wenn andererseits der Bandabstand der Ladungsinjektionsschicht 5 eV überschreitet, wird die für die Ladungsinjektion erfor derliche Spannung hoch, und dadurch ist der Bandabstand der Ladungsinjektionsschicht vorzugsweise nicht größer als 5 eV.

Die Dicke der Ladungsinjektionsschicht beträgt vorzugs weise 10 bis 5000 Å. Auch wenn die Dicke der Ladungsinjekti onsschicht kleiner als 5 Å oder größer als 5000 Å ist, wird die Lichtausbeute herabgesetzt, und daher wird dies nicht be vorzugt. Besonders bevorzugt liegt sie im Bereich von 10 bis 2000 Å.

Die Leuchtschicht kann aus einer einzelnen Schicht oder aus mehreren Schichten bestehen. Beispiele für eine solche Struktur sind eine Schichtstruktur aus (2n + 1) Schichten, wo bei n Leuchtschichten und (n + 1) Schichten mit einem Bandab stand, der größer ist als der der Leuchtschichten, alternie rend aufeinandergeschichtet sind. Es wird vorausgesetzt, daß n eine positive ganze Zahl ist und vorzugsweise 1 bis 50, beson ders bevorzugt 1 bis 30 ist. Wenn n nicht kleiner als 50 ist, wird die Lichtausbeute herabgesetzt, und das Ziehen dauert lange, und deshalb wird dies nicht bevorzugt. Eine solche Struktur mit mehreren Leuchtschichten ist besonders nützlich in dem Fall, wo Halbleiterlaser hergestellt werden, bei denen eine starke Lichtausgangsleistung erforderlich ist.

Es kann Licht mit einer Wellenlänge emittiert werden, die sich von der des Bandabstands der Leuchtschicht unter scheidet, und zwar indem die Leuchtschicht mit Störstellen do tiert wird. Dies wird wegen der von den Störstellen ausgehen den Emission als "Störstellenemission" bezeichnet. Bei Stör stellenemission variiert die Lumineszenzwellenlänge in Abhän gigkeit von der Zusammensetzung des Elements der Gruppe III und des Störstellenelements der Leuchtschicht. In diesem Fall ist das InN-Mischkristallverhältnis der Leuchtschicht vorzugs weise nicht kleiner als 5%. Wenn das InN-Mischkristall verhältnis kleiner ist als 5%, ist fast das gesamte emittier te Licht ultraviolettes Licht, und es ist keine ausreichende Helligkeit festzustellen. Die Lumineszenzwellenlänge wird län ger, wenn sich das InN-Mischkristallverhältnis erhöht, und die Lumineszenzwellenlänge kann von Violett zu Blau, dann zu Grün geändert werden.

Als die Verunreinigung, die für die Störstellenemission geeignet ist, werden Elemente der Gruppe II bevorzugt. Wenn von den Elementen der Gruppe II Mg, Zn oder Cd zur Dotierung verwendet werden, ist die Lichtausbeute hoch, und dies wird deshalb bevorzugt. Zn wird besonders bevorzugt. Die Konzentra tion dieser Elemente liegt vorzugsweise im Bereich von 10¹⁸ bis 10²² cm^-3. Die Leuchtschicht kann gleichzeitig mit Si oder Ge, zusammen mit diesen Elementen der Gruppe II dotiert wer den. Die Konzentration von Si oder Ge liegt vorzugsweise im Bereich von 10¹⁶ bis 10²² cm^-3.

Bei der Störstellenemission wird das Emissionsspektrum im wesentlichen breit. Wenn der Betrag der injizierten Ladung steigt, verschiebt sich das Emissionsspektrum mitunter. Wenn hohe Farbreinheit gefordert wird oder wenn es erforderlich ist, eine Lichtleistung in dem schmalen Wellenlängenbereich zu konzentrieren, wird daher eine Bandkantenemission bevorzugt.

Es wird bevorzugt, die Menge der Störstellen, die in der Leuchtschicht enthalten sind, zu verringern, um eine lichte mittierende Vorrichtung mit Bandkantenemission zu realisieren. Insbesondere ist die Konzentration von Elementen, z. B. Si, Ge, Mg, Cd und Zn vorzugsweise nicht größer als 10¹⁹ cm^-3, be sonders bevorzugt nicht mehr als 10¹⁸ cm^-3.

Wenn Bandkantenemission verwendet wird, hängt die Lichtausbeute von Gitterdefekten in der Leuchtschicht ab und wird mit der Menge der Gitterdefekte kleiner. Es ist deshalb erforderlich, die Menge der Gitterdefekte in der Leuchtschicht so klein wie möglich zu halten. Demzufolge hat die erfindungs gemäße Grundschicht eine große Wirkung für eine Verbesserung der Lichtausbeute der lichtemittierenden Bandkantenemissions vorrichtung.

Wenn bei dem III-V-Verbindungshalbleiter das InN- Mischkristallverhältnis der Leuchtschicht hoch ist, ist die thermische Stabilität nicht ausreichend, und es kommt während des Kristallwachstums oder des Halbleiterverfahrens mitunter zu einer Verschlechterung des Halbleiters. Um eine solche Ver schlechterung zu verhindern, kann der Ladungsinjektionsschicht 6 mit einem kleinen InN-Mischkristallverhältnis eine Schutz schicht-Funktion verliehen werden, indem die Ladungsinjekti onsschicht auf der Leuchtschicht mit einem hohen Mischkri stallverhältnis (nachstehend wird die Ladungsinjektionsschicht in diesem Fall mitunter als "Schutzschicht" bezeichnet) ange ordnet wird. Das InN- und das AlN-Mischkristallverhältnis der Schutzschicht ist vorzugsweise nicht größer als 10% bzw. nicht kleiner als 5%, um der Schutzschicht eine ausreichende Schutzfunktion zu verleihen. Besonders bevorzugt ist das InN- Mischkristallverhältnis nicht größer als 5% und das AlN- Mischkristallverhältnis nicht kleiner als 10%.

Die Dicke der Schutzschicht ist vorzugsweise 10 Å bis 1 µm, um der Schutzfunktion eine ausreichende Schutzfunktion zu verleihen. Wenn die Dicke der Schutzschicht kleiner ist als 10 Å, kann keine ausreichende Wirkung erreicht werden. Wenn andererseits die Dicke größer ist als 1 µm, wird die Lichtaus beute herabgesetzt, und dies wird deshalb nicht bevorzugt. Be sonders bevorzugt beträgt sie 50 bis 5000 Å.

Es wird bevorzugt, daß die Schutzschicht angesichts der Effizienz der Strominjektion in die lichtemittierende Vorrich tung eine p-Leitfähigkeit aufweist. Es muß mit einer Akzeptor verunreinigung in hoher Konzentration dotiert werden, um der Schutzschicht die p-Leitfähigkeit zu verleihen. Spezifische Beispiele für die Akzeptorverunreinigung sind Elemente der Gruppe II. Von diesen werden Mg und Zn, besonders Mg bevor zugt. Wenn die Schutzschicht mit der Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert wird, verschlechtert sich die Kristalli nität der Schutzschicht, und die Charakteristik der lichtemit tierenden Vorrichtung verschlechtert sich mitunter ebenfalls. Der Konzentrationsbereich der Verunreinigung, bei der sich die Kristallinität nicht verschlechtert, ist vorzugsweise nicht größer als 1 × 10¹⁹ cm^-3, besonders bevorzugt nicht größer als 1 × 10¹⁸ cm^-3.

Als nächstes wird das erfindungsgemäß verwendete Substrat und der Zieh- bzw. Wachstumsvorgang beschrieben.

Als das Substrat zum Ziehen eines Kristalls des III-V- Verbindungshalbleiters werden beispielsweise Saphir, ZnO, GaAs Si, SiC, NGO (NdGaO₃), Spinell (MgAl₂O₄) und dgl. verwendet. Da Saphir lichtdurchlässig ist, kann ein Kristall mit einer großen Fläche und einer hohen Qualität hergestellt werden, was wichtig ist.

Beim Ziehen unter Verwendung dieser Substrate kann ein Halbleiter (z. B. GaN, AlN, GaAlN, InGaAlN usw.) mit einer ho hen Kristallinität in einem sogenannten zweistufigen Ziehvor gang gezogen werden, bei dem eine dünne Schicht, z. B. aus ZnO, SiC, GaN, AlN, GaAlN usw., oder eine Schichtung dieser Schichten auf dem Substrat als eine Pufferschicht verwendet werden, und dies wird bevorzugt.

Beispiele für das Verfahren zur Herstellung des Verbin dungshalbleiters der Gruppe III-V sind u. a. folgende Verfah ren: Molekularstrahlepitaxie (nachstehend mitunter als "MBE" bezeichnet), organometallische Dampfphasenepitaxie (nachste hend mitunter als "MOVPE" bezeichnet), Hybriddampfphasenepita xie (nachstehend mitunter als "HVPE" bezeichnet) und dgl. Wenn das MBE-Verfahren verwendet wird, wird normalerweise ein Gas quellenmolekularstrahlepitaxie- (nachstehend mitunter bezeich net als "GSMBE"-)Verfahren verwendet, das ein Verfahren zur Zuführung eines Stickstoff-Rohmaterials (z. B. Stickstoffgas, Ammoniak, andere Stickstoffverbindungen usw.) im Gaszustand darstellt. In diesem Fall wird ein Stickstoffatom nicht ohne weiteres im Kristall eingelagert, weil das Stickstoffrohmate rial mitunter chemisch inert ist. In diesem Fall kann die Ein lagerungseffizienz des Stickstoff erhöht werden, indem das Stickstoffrohmaterial mit Mikrowellen erregt und im aktiven Zustand zugeführt wird.

Als nächstes wird das Herstellungsverfahren nach dem MOVPE-Verfahren für den erfindungsgemäßen III-V-Verbindungs halbleiter beschrieben.

Beim MOVPE-Verfahren werden die folgenden Rohmateriali en verwendet.

Beispiele für das Rohmaterial der Gruppe III sind also Trialkylgallium, das durch die allgemeine Formel R₁R₂R₃Ga (wobei R₁, R₂ und R₃ eine niedere Alkylgruppe sind) darge stellt wird, z. B. Trimethylgallium [(CH₃)₃Ga, nachstehend mitunter als "TMG" bezeichnet], Triethylgallium [(C₂H₅)₃Ga, nachstehend mitunter als TEG" bezeichnet)] und dgl.; Trial kylaluminium, das durch die allgemeine Formel R₁R₂R₃Al (wobei R₁, R₂ und R₃ wie oben definiert sind) dargestellt wird, Trimethylaluminium [(CH₃)₃Al], Triethylaluminium [(C₂H₅)₃Al, nachstehend mitunter als "TEA" bezeichnet], Triisobutylaluminium [(i-C₄H₉)₃Al] und dgl.; Trimethylaminalan [(CH₃)₃N:AlH₃]; Trialkylindium, das durch die allgemeine Formel R₁R₂R₃In (wobei R₁, R₂ und R₃ wie oben definiert sind) dargestellt wird, z. B. Trimethylindium [(CH₃)₃In, nachstehend mitunter als "TMI" bezeichnet], Trime thylindium [(C₂H₅)₃In] und dgl. Diese werden allein oder in Kombination verwendet.

Beispiele für das Rohmaterial der Gruppe V sind Ammoni ak, Hydrazin, Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhidrazin, 1,2- Dimethylhidrazin, t-Butylamin, Ethylendiamin und dgl. Diese werden allein oder in Kombination verwendet. Von diesen Rohma terialien werden Ammoniak und Hydrazin bevorzugt, weil sie kein Kohlenstoffatom im Molekül enthalten und eine geringe Kohlenstoffkontamination im Halbleiter bewirken.

Als das p-Dotiermittel des III-V-Verbindungshalbleiters sind Elemente der Gruppe II wichtig. Spezifische Beispiele da für sind Mg, Zn, Cd, Hg, Be und dgl. Von diesen wird Mg bevor zugt, weil ein p-Mg mit einem geringen Widerstand auf einfache Weise hergestellt wird.

Als das Rohmaterial für das Mg-Dotiermittel wird vor zugsweise eine organometallische Verbindung verwendet, die durch die allgemeine Formel (RC₅H₄)₂Mg (wobei R Wasserstoff oder eine niedere Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellt) dargestellt wird (z. B. Biscyclopentadienylmagnesi um, Vinylmethylcyclopentadienylmagnesium, Bisethylcyclopenta dienylmagnesium, Bis-n-Propylcyclopentadienylmagnesium, Bis-i- Propylcyclopentadienylmagnesium usw.), und zwar wegen ihres geeignetes Dampfdrucks.

Als das n-Dotiermittel für den III-V-Verbindungs halbleiter sind Elemente der Gruppe IV und der Gruppe VI wich tig. Spezifische Beispiele dafür sind Si, Ge und O. Von diesen wird Si besonders bevorzugt, da ein n-Si mit einem niedrigen Widerstand auf einfache Weise hergestellt wird, und solche mit hoher Rohmaterialreinheit möglich sind. Als das Rohmaterial für das Si-Dotiermittel werden Silan (SiH₄), Disilan (Si₂H₆), Monomethylsilan (Ch₃SiH₃) und dgl. bevorzugt.

Beispiele für das Ziehen der Vorrichtung nach dem MOVPE-Verfahren, das zur Herstellung des III-V-Verbindungs halbleiters verwendet werden kann, sind ein Einscheibenreak tor, ein Mehrscheibenreaktor und dgl. Beim Mehrscheibenreaktor wird vorzugsweise bei verringertem Druck gezogen, um die Gleichmäßigkeit der Epitaxieschicht in der Scheibenoberfläche aufrechtzuerhalten. Der bevorzugte Bereich des Ziehdrucks im Mehrscheibenreaktor beträgt 0,001 bis 0,8 Atmosphären.

Als das Trägergas können solche Gase verwendet werden wie Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Helium und dgl., allein oder in Kombination. Wenn Wasserstoff im Trägergas enthalten ist, wird mitunter keine ausreichende Kristallinität erreicht, wenn der Verbindungshalbleiter mit einem hohen InN- Mischkristallverhältnis gezogen wird. In diesem Fall muß der partielle Druck des Wasserstoffs im Trägergas verringert wer den. Der bevorzugte partielle Druck des Wasserstoffs im Trä gergas ist nicht größer als 0,1 Atmosphären.

Von diesen Trägergasen werden Wasserstoff und Helium bevorzugt, weil eine kinetische Viskosität größer ist, und ei ne Konvektion nicht ohne weiteres entsteht. Helium ist teuer im Vergleich zu dem anderen Gas, und die Kristallinität des Verbindungshalbleiters ist nicht gut, wie oben beschrieben, wenn Wasserstoff verwendet wird. Da Stickstoffgas und Argon vergleichsweise billig sind, können sie zweckmäßig verwendet werden, wenn eine große Menge Trägergas verwendet wird.

Als nächstes wird der zweite Teil der Erfindung be schrieben.

Die erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Struktur aufweist, bei der eine Grundschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_aGa_bAl_cN (wobei gilt: 0 a < 1, 0 < b < 1, 0,05 c < 1 und a + b + c = 1) dargestellt wird, eine Leuchtschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: 0 < x 1, 0 y < 1, 0 z < 1 und x + y + z = 1) dargestellt wird, und eine Schutzschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_a′Ga_b′Al_c′N (wobei gilt: 0 < a′ < 1, 0 < b′ 1, 0 c′ < 1 und a′ + b′ + c′ = 1) dargestellt wird, in dieser Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind. Die Leuchtschicht hat einen Bandabstand, der kleiner ist als der der Grundschicht und der Schutzschicht, und eine Schichtstruk tur dieser drei Schichten bilden die sogenannte Supergitter struktur. Da die Grundschicht und die Schutzschicht mit einem Vorgang des Injizierens von Ladungen in die Leuchtschicht zu tun haben, werden diese beiden Schichten nachstehend mitunter als "Ladungsinjektionsschicht" bezeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Struktur des III-V- Verbindungshalbleiters gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dar gestellt. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Puf ferschicht 102, eine n-GaN-Schicht 103, eine Grundschicht 104, eine Leuchtschicht 105, eine Schutzschicht 106 und eine p- Schicht 107 auf dem Substrat 101 in dieser Reihenfolge aufein andergeschichtet sind. Ein Strom wird dadurch injiziert, daß eine n-Elektrode auf der n-Schicht 103 bereitgestellt wird, eine p-Elektrode auf der p-Schicht 107 bereitgestellt wird und dann eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird, wodurch eine Emission aus der Leuchtschicht 105 hervorgerufen wird. Als die Leuchtschicht und die Schutzschicht kann die gleiche verwendet werden, wie die, die mit Bezug auf den ersten Teil der Erfindung beschrieben worden ist.

Die Grundschicht wird nachstehend ausführlich beschrie ben.

Die Grundschicht ist dadurch gekennzeichnet, daß das AlN-Mischkristallverhältnis im Bereich von 0,05 bis 1 liegt. Wenn das AlN-Mischkristallverhältnis kleiner ist als 0,05, ist eine Änderung der Lumineszenzwellenlänge gering, und die er findungsgemäße Wirkung wird nicht erreicht. Das AlN- Mischkristallverhältnis ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,1, besonders bevorzugt nicht kleiner als 0,15. Wenn das AlN- Mischkristallverhältnis 0,9 überschreitet, wird die Treibspan nung mitunter hoch, und dies wird nicht bevorzugt. Demzufolge ist das AlN-Mischkristallverhältnis vorzugsweise nicht größer als 0,9.

Eine Schichtdicke der Grundschicht ist vorzugsweise im Bereich von 10 Å bis 1 µm. Wenn die Schichtdicke der Grund schicht kleiner ist als 10 Å, ist die erfindungsgemäße Wirkung nicht auffällig. Wenn andererseits die Schichtdicke der Grund schicht 1 µm überschreitet, dauert das Ziehen der Grundschicht lange und ist daher für praktische Zwecke nicht geeignet.

Die erfindungsgemäße Grundschicht kann mit der Verun reinigung in dem Bereich dotiert werden, in dem die Kristalli nität nicht sinkt. Wenn die Grundschicht n-dotiert wird, wird die Charakteristik der lichtemittierenden Vorrichtung, z. B. die Treibspannung, die Lichtausbeute und dgl. mitunter nicht verbessert, und dies wird deshalb nicht bevorzugt. Ein spezi fisches Beispiel für den bevorzugten Bereich der Dotierungs menge ist die Trägerkonzentration im Bereich von 1 × 10¹⁶ cm^-3 bis 1 × 10²² cm^-3. Am besten liegt die Trägerkonzentration der Grundschicht im Bereich von 1 × 10¹⁷ cm^-3 bis 1 × 10²¹ cm^-3. Wenn die Trägerkonzentration kleiner ist als 1 × 10¹⁶ cm^-3 ist die Injektionseffizienz der Ladung mitunter nicht ausrei chend. Wenn andererseits die Trägerkonzentration größer ist als 1 × 10²² cm^-3, verschlechtert sich die Kristallinität der Grundschicht, und die Lichtausbeute sinkt mitunter.

Eine Schicht oder mehrere Schichten des n-dotierten oder undotierten Verbindungshalbleiter können zwischen der Grundschicht und dem Substrat angeordnet sein. Wie im ersten Teil der Erfindung beschrieben, wird eine Struktur, bei der mehrere dünne Schichten des Verbindungshalbleiters mit ver schiedenen Gitterkonstanten aufeinandergeschichtet sind, be sonders bevorzugt, weil die Kristallinität der darauf zu zie henden Schicht mitunter verbessert wird.

In der Schichtstruktur der Grundschicht, der Leucht schicht und der Schutzschicht, die oben beschrieben worden ist, kann die Gitterkonstante der Leuchtschicht größer gewählt werden als die der Grundschicht, um eine Struktur zu errei chen, bei der auf die Leuchtschicht in der Verbindungsrichtung eine Druckspannung ausgeübt wird, d. h. eine Struktur, bei der eine Druckbelastung in der Richtung parallel zur verbindenden Grenzfläche ausgeübt wird. Um eine solche Struktur zu errei chen, kann ein Verfahren zur Herstellung des InN-Misch kristallverhältnisses der Leuchtschicht, das größer ist als das der Grundschicht, verwendet werden.

Selbst wenn das InN-Mischkristallverhältnis der Leucht schicht größer ist als das der Grundschicht, entsteht eine Fehlanpassungsversetzung auf der Schnittfläche zwischen der Leuchtschicht und der Grundschicht gemäß dem Verfahren oder der Bedingung des Ziehens dieser Schichten, und die Gitterent spannung der Leuchtschicht tritt ein, und auf die Leucht schicht wird keine Druckbelastung ausgeübt. Somit kann mitun ter keine Leuchtschicht mit hoher Kristallinität erreicht wer den. Wenn eine hohe Temperatur (über 1000°C) für eine lange Zeit nach dem Ziehen der Leuchtschicht, ohne daß die Schutz schicht ausgebildet wird, oder wenn die Schutzschicht bei ho her Temperatur (über 1000°C) gezogen wird, schreitet die thermische Verschlechterung der Leuchtschicht mitunter voran. Dabei ist die Ziehtemperatur vorzugsweise nicht höher als 1000°C beim Ziehen des Kristalls der Schutzschicht.

Als das Substrat und der Ziehprozeß, die erfindungsge mäß verwendet werden, kann das bzw. der gleiche wie im ersten Teil der Erfindung beschrieben verwendet werden.

Beispiele

Die folgenden Beispiele stellen die Erfindung ferner ausführlich dar, schränken ihren Schutzumfang jedoch nicht ein.

Beispiel 1

Ein III-V-Verbindungshalbleiter mit einer Struktur ge mäß Fig. 3 wurde nach einem MOVPE-Verfahren hergestellte Die Saphir-C-Oberfläche wurde spiegelpoliert und mit einem organischen Lösungsmittel gespült, und dann wurde das daraus resultierende Ergebnis als ein Substrat 8 verwendet. Als das Ziehverfahren wurde ein zweistufiges Ziehverfahren un ter Verwendung von GaN als tieftemperaturgezogene Puffer schicht verwendet. Die GaN-Pufferschicht 9 mit einer Dicke von etwa 300 Å (550°C), eine n-Schicht 1 aus Si-dotiertem GaN mit einer Dicke von etwa 2,5 µm (1050°C) und eine undotierte GaN- Schicht 10 mit einer Dicke von 1500 Å wurden unter Druck von 1/8 Atmosphären unter Verwendung von Wasserstoff als das Trä gergas gezogen.

Dann wurde eine Si-dotierte In_0,3Ga_0,7N-Schicht als die verformte Schicht 2 bei der Substrattemperatur von 750°C für 70 Sekunden unter Zuführung von Stickstoff als Trägergas, TEG, TMI, Silan, das auf ein ppm mit Stickstoff verdünnt worden ist, und Ammoniak jeweils in einer Menge von 4 Normlitern, 0,04 Normkubikzentimetern, 0,6 Normkubikzentimetern, 5 Normku bikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen. Ferner wurde eine n- Schicht 3 aus Si-dotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei der gleichen Tempe ratur für 10 Minuten unter Zuführung von TEG, TEA, dem oben erwähnten Silan und Ammoniak jeweils in der Menge von 0,032 Normkubikzentimetern, 0,008 Normkubikzentimetern, 5 Normku bikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen.

Es wird vorausgesetzt, daß "Normliter" und "Normkubik zentimeter" Einheiten einer Gasmenge sind. "1 Normliter" be deutet, daß ein Gas, das einen Liter eines Volumens einnimmt, im Normalzustand pro Minute strömt, und "1000 Normkubikzenti meter" entspricht "1 Normliter".

Für die Schichtdicke der Schicht 2 und der Schicht 3 betragen die Ziehraten, die aus der Dicke der Schicht bestimmt werden, die unter der gleichen Bedingung für eine lange Zeit gezogen wird, 43 Å/Minute bzw. 30 Å/Minute. Die Schichtdicke, die durch Berechnung aus der oben genannten Ziehzeit bestimmt wird, beträgt 50 Å bzw. 300 Å.

Nach dem Ziehen der n-Schicht 3 wurden eine Leucht schicht 5 (50 Å) aus undotiertem In_0,3Ga_0,7N und eine Ladungs injektionsschicht 6 (300 Å) aus undotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei ei ner Substrattemperatur von 785°C unter dem Ziehdruck von 1 Atmosphäre gezogen.

Nach dem Ziehen der Ladungsinjektionsschicht 6 wurde eine p-Schicht 7 (5000 Å) aus mit Mg-dotiertem GaN bei einer Substrattemperatur von 1100°C gezogen. Die derartig herge stellte Probe wurde in Stickstoff bei 800°C unter dem Druck von 1 Atmosphäre für 20 min wärmebehandelt, um den Widerstand der Mg-dotierten Schicht herabzusetzen.

In der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Schichten 9, 1, 10, 2 und 3 Grundschichten. Die Schicht 3 dient als die Ladungsinjektionsschicht.

Bei einem normalen Verfahren werden Elektroden auf der derartig hergestellten Probe ausgebildet, um eine LED herzu stellen. Eine Ni-Au-Legierung wurde als die p-Elektrode ver wendet, und Al wurde als die n-Elektrode verwendet. Ein Strom (20 mA) wurde in Vorwärtsrichtung durch diese LED geleitet. Infolgedessen emittierte sie klares blaues Licht. Eine Mitten wellenlänge einer Emissionsspitze betrug 4800 Å, und eine Licht stärke betrug 860 mcd.

Vergleichsbeispiel 1

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde mit Ausnahme des Ziehens einer Leuchtschicht 5, einer Ladungsinjektionsschicht 6 und einer p-Schicht 7 aus Mg dotiertem GaN nach dem Ziehen einer undotierten GaN-Schicht 10 eine LED hergestellt, und dann wurde die LED ebenso bewertet, wie im Beispiel 1 beschrieben. Im Ergebnis emittierte sie kla res blaues Licht, und eine Lichtstärke betrug 390 mcd.

Beispiel 2

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde, außer daß die Schicht 3 eine Si-dotierte GaN ist, eine LED hergestellt, und dann wurde die LED auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis betrug die Lichtstärke 630 mcd (Mittenwellenlänge der Emissionsspitze: 4600 Å, Quanteneffizienz des externen Quants: 0,8%).

Beispiel 3

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde mit Ausnahme des Ziehens einer Mg-dotierten GaN-Schicht 7 unter dem Ziehdruck von 1 Atmosphäre nach dem Ziehen einer undotierten InGaN-Leuchtschicht bei 750°C unter 1/8 Atmosphä ren unter Verwendung von TEG und TMI jeweils in der Menge von 0,04 Normkubikzentimetern bzw. 0,6 Normkubikzentimetern und durch Ziehen einer Ladungsinjektionsschicht 6 aus undotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei 750°C unter 1/8 Atmosphären unter Verwendung von TEG und TEA jeweils in der Menge von 0,032 Normkubikzenti metern bzw. 0,008 Normkubikzentimetern eine LED hergestellt, und dann wurde die LED auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis betrug die Lichtstärke 520 mcd, und eine Mittenwellenlänge einer Emissionsspitze be trug 4600 Å.

Vergleichsbeispiel 2

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 3 beschrieben, wurde mit Ausnahme des Ziehens einer Leuchtschicht 5, einer Ladungsinjektionsschicht 6 und einer Mg-dotierten GaN-Schicht 7 ohne das Ziehen einer verformten Schicht 2 und einer Ga_0,8Al_0,2N-Schicht 3 nach dem Ziehen einer undotierten GaN- Schicht 10 eine LED hergestellt. Dann wurde die LED auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Er gebnis emittierte sie sehr schwaches Licht, und eine Lichtstärke betrug nicht mehr als 10^-4 cd.

Beispiel 4

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 3 beschrieben, wurde mit Ausnahme der Ausbildung einer Struktur durch zweima liges Ziehen einer verformten Schicht 2 und einer Ga_0,8Al_0,2N- Schicht 3 nach dem Ziehen einer undotierten GaN-Schicht 10 ei ne LED hergestellt. Die LED wurde dann auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis betrug die Lichtstärke 240 mcd.

Beispiel 5

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 3 beschrieben, wurde mit Ausnahme des Ziehens einer Ga_0,7Al_0,3N-Schicht 3 an stelle der Ga_0,8Al_0,2N-Schicht 3 nach dem Ziehen einer verform ten Schicht 2 eine LED hergestellt. Dann wurde die LED auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Er gebnis betrug eine Mittenwellenlänge einer Emissionsspitze 5050 Å, und eine Lichtstärke betrug 320 mcd. Eine Lumineszenzwellen länge war länger als die im Beispiel 3.

Beispiel 6

Ein III-V-Verbindungshalbleiter gemäß Fig. 4 wird durch Dampfphasenepitaxie nach einem MOVPE-Verfahren gezogen, um eine LED mit einer Lumineszenzwellenlänge von 5100 Å herzu stellen.

Nachdem GaN (500 Å) als Pufferschicht 9 auf einem Sa phir-(0001-)Substrat 8 bei der Ziehtemperatur von 600°C unter dem Druck von 1/8 Atmosphären ausgebildet worden ist, wurde unter Verwendung von TMG und Ammoniak eine Si-dotierte GaN- Schicht bei 1100°C in der Dicke von 3 um gezogen.

Eine Si-dotierte In_0,3Ga_0,6Al_0,1N-Schicht und eine Si dotierte Ga_0,8Al_0,2N-Schicht werden wiederholt sechsmal gezo gen, um eine Grundschicht auszubilden, und dann wurde eine La dungsinjektionsschicht 4 einer Si-dotierten In_0,3Ga_0,6Al_0,1N- Schicht gezogen.

Eine Leuchtschicht 5 einer In_0,5Ga_0,5N-Schicht (150 Å) wird gezogen, und dann wird eine Ga_0,8Al_0,2N-Schicht in der Dicke von 300 Å gezogen.

Dann wird eine Mg-dotierte GaN-Schicht 7 in der Dicke von 5000 Å gezogen. Nach dem Wachstumsvorgang wird das Substrat aus dem Reaktor herausgenommen und in Stickstoff bei 800°C wärmebehandelt, um den Widerstand der Mg-dotierten GaN- Schicht herabzusetzen.

Eine LED mit einem scharfen Emissionsspektrum kann her gestellt werden, indem Elektroden auf der derartig hergestell ten Probe nach einem normalen Verfahren hergestellt werden.

Beispiel 7

Eine GaN-Pufferschicht 102 mit einer Dicke von etwa 300 Å (Substrattemperatur: 550°C, Ziehdruck: 1 Atmosphäre), eine n-Schicht 103 mit der Dicke von etwa 300 µm aus Si dotierten GaN (1100°C) und eine Schicht 104 (1500 Å) aus Si dotiertem Ga_0,8Al_0,2N wurden unter Verwendung von Stickstoff als dem Trägergas gezogen.

Dann wurde eine Leuchtschicht aus undotiertem In_0,3Ga_0,7N (50 Å) bei der Substrattemperatur von 800°C unter Zuführung von Stickstoff als dem Trägergas, TEG, TNI und Ammo niak jeweils in der Menge von 4 Normlitern, 0,04 Normkubikzen timetern, 0,24 Normkubikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen.

Ferner wurde eine Schutzschicht 106 (300 Å) aus undo tiertem Ga_0,8Al_0,2N bei der gleichen Temperatur unter Zuführung von TEG, TEA und Ammoniak jeweils in der Menge von 0,032 Norm kubikzentimetern, 0,008 Normkubikzentimetern bzw. Normlitern gezogen.

Nach dem Ziehen der Schutzschicht 106 wurde die Tempe ratur des Substrats auf 1100°C erhöht, und eine p-Schicht 107 (5000 Å) aus Mg-dotiertem GaN wurde gezogen. Die derartig her gestellte Probe wurde in Stickstoff bei 800°C unter 1 Atmo sphäre für 20 min wärmebehandelt, um den Widerstand der Mg dotierten Schicht herabzusetzen.

Bei einem normalen Verfahren wurden Elektroden auf der derartig hergestellten Probe ausgebildet, damit eine lichte mittierende Vorrichtung entsteht. Eine Ni-Au-Legierung wurde als die p-Elektrode verwendet, und Al wurde als die n- Elektrode verwendet. Ein Strom (20 mA) wurde in Vorwärtsrich tung durch die lichtemittierende Vorrichtung geleitet. Im Er gebnis emittierte sie klares blaues Licht. Eine Mittenwellen länge einer Emissionsspitze betrug 4800 Å.

Auf die gleiche Weise, wie im oben genannten Beispiel beschrieben, wurde mit Ausnahme der Verwendung von undotiertem GaN als Grundschicht 4 eine Probe hergestellt.

Die derartig hergestellte Probe wurde bewertet. Im Er gebnis betrug eine Lumineszenzwellenlänge 4500 Å bei 20 mA.

Auf die gleiche Weise, wie im oben genannten Beispiel beschrieben, wurde eine Supergitterstruktur, bei der undotier tes GaN (1100°C), eine undotierte aktive InGaN-Schicht (800°C) und eine undotierte GaAlN-Schutzschicht (die gleiche Temperatur) aufeinandergeschichtet wurden, hergestellt und ein Gitterabbild wurde unter Verwendung eines Elektronenmikroskops beobachtet. Im Ergebnis wurde keine Ausbildung einer Fehlan passungsversetzung auf den Grenzflächen der Leuchtschicht be obachtet. Da die Gitterkonstante von InGaN größer ist als die von GaN, ist keine Fehlanpassungsversetzung vor und nach der Supergitterstruktur ausgebildet worden. Deshalb besteht Klar heit, daß eine Druckbelastung auf die InGaN-Schicht in der Grenzflächenrichtung ausgeübt wird.

Beispiel 8

Auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 7 beschrieben, wurde mit Ausnahme des Ziehens von undotiertem GaN anstelle von Si-dotiertem n-Ga_0,8Al_0,2N und des Ziehens von n- Ga_0,6Al_0,4N (600 Å) bei 800°C als der Grundschicht 104 unter Verwendung von Stickstoff als dem Trägergas eine Probe herge stellt, und dann wurde die Probe auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis wurde beobach tet, daß sie klares grünes Licht emittiert. Die Lumineszenz wellenlänge bei 1 mA betrug 5200 Å.

Der erfindungsgemäße III-V-Verbindungshalbleiter hat hohe Kristallinität und hohe Qualität, und eine lichtemittie rende Vorrichtung, die diesen verwendet, hat eine hohe Licht ausbeute, und ihr industrieller Wert ist groß.

Die lichtemittierende Vorrichtung, die den erfindungs gemäßen III-V-Verbindungshalbleiter verwendet, kann die Aus bildung einer Fehlanpassungsversetzung auf der Grenzfläche der Leuchtschicht verhindern und Licht mit einer längeren Wellen länge auf einfache Weise emittieren. Deshalb kann die Lumines zenzwellenlänge auf einfache Weise in dem breiten Bereich wei tergeleitet werden, und ihr industrieller Wert ist groß.

Claims

1. III-V-Verbindungshalbleiter mit mindestens einer Leuchtschicht und einer Ladungsinjektionsschicht auf einem Substrat, wobei die Leuchtschicht ein III-V-Verbindungs halbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt 0 < x 1, 0 y < 1, 0 z < 1 und x + y + z = dargestellt wird, wobei die Ladungsinjektionsschicht ein III- V-Verbindungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_x′Ga_y′Al_z′N (wobei gilt: 0 x′ 1, 0 y′ 1, 0 z′ 1 und x′ + y′ + z′ = 1) dargestellt wird und einen Bandabstand hat, der größer ist als der der Leuchtschicht, wobei die Leuchtschicht zwischen zwei Ladungsinjektionsschichten ange ordnet ist, die in Kontakt mit ihnen sind, gekennzeichnet durch eine Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat besteht, wobei je de Schicht, die die Grundschicht bildet, ein III-V-Ver bindungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formel In_uGa_vAl_wN (wobei gilt: 0 u 1, 0 v 1, 0 w 1 und u + v + w = 1) dargestellt wird, wobei mindestens eine Schicht in der Grundschicht zwischen zwei Schichten mit einem InN-Misch kristallverhältnis angeordnet ist, das kleiner ist als das der Schicht, die in Kontakt mit diesen ist, wobei das InN- Mischkristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren Mischkristallverhältnis angeord net ist, um 0,05 oder darüber größer ist als das der Schicht, die mit der Schicht von der Substratseite in Kontakt ist, und wo bei mindestens eine Schicht zwischen der Schicht auf der Substratseite von den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis und der Leuchtschicht mit einer n- Verunreinigung dotiert ist.

2. Halbleiter nach Anspruch 1, wobei die Ladungsinjek tionsschicht auf der Substratseite von Ladungsinjektions schichten, zwischen denen die Leuchtschicht angeordnet ist, die in Kontakt mit ihr ist, auch als die Schicht auf der Leuchtschichtseite von den beiden Schichten mit einem kleine ren InN-Mischkristallverhältnis dient, zwischen denen die Schicht mit dem größeren InN-Mischkristallverhältnis, die in Kontakt mit ihr ist, in der Grundschicht angeordnet ist.

3. Halbleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die n- Verunreinigung Si und/oder Ge ist und eine Konzentration der n-Verunreinigung nicht kleiner als 1 × 10¹⁷ cm^-3 ist.

4. Halbleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dik ke der Schicht, die zwischen beiden Schichten mit einem klei neren InN-Mischkristallverhältnis in der Grundschicht angeord net ist, im Bereich von 5 bis 300 Å ist.

5. Halbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten besteht, ein III-V-Verbindungshalbleiter ist, der durch Ziehen unter dem Druck im Bereich von 0,001 bis 0,8 Atmosphären nach einem organometallischen Dampfphasenepitaxieverfahren hergestellt wird.

6. Halbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine Schicht in der Grundschicht zwischen zwei Schichten mit einem InN-Mischkristallverhältnis, das kleiner ist als das der Schicht, die in Kontakt mit ihr ist, angeord net ist; wenn das InN-Mischkristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN- Mischkristallverhältnis angeordnet ist, um 0,05 bis 0,3 größer ist als das einer Schicht, die mit der Schicht von der Substratseite in Kontakt ist, das Produkt aus einer Differenz des Mischkristallverhältnisses zwischen den Schichten und ei ner Dicke (Å) der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis angeordnet ist, nicht größer ist als 30; und wenn das InN-Misch kristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis an geordnet ist, um 0,3 oder darüber größer ist als das der Schicht, die in Kontakt mit der Schicht von der Substratseite ist, die Dicke der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis angeordnet ist, nicht größer ist als 100 Å.

7. Lichtemittierende Vorrichtung mit einem III-V- Verbindungshalbleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Lichtemittierende Vorrichtung mit einer solchen Struktur, bei der eine Grundschicht eines III-V-Verbindungs halbleiters, die durch die allgemeine Formel In_aGa_bAl_cN (wobei gilt: 0 a < 1, 0 < b < 1, 0,05 c < 1 und a + b + c = 1) dargestellt wird, eine Leuchtschicht eines III-V-Verbindungs halbleiters, die durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN (wobei gilt: 0 < x 1, 0 y < 1, 0 z < 1 und x + y + z = 1) dar gestellt wird und einen Bandabstand hat, der kleiner ist als der der Grundschicht, und eine Schutzschicht eines III-V- Verbindungshalbleiters, die durch die allgemeine Formel In_a′Ga_b′Al_c′N (wobei gilt: 0 a′ < 1, 0 < b′ 1, 0 c′ < 1 und a′ + b′ + c′ = 1) dargestellt wird und einen Bandabstand hat, der größer ist als der der Leuchtschicht, in dieser Rei henfolge aufeinandergeschichtet sind; und eine Gitterkonstante der Leuchtschicht größer ist als die der Grundschicht und eine Druckbelastung auf die Leuchtschicht in der Verbindungsrich tung ausgeübt wird.

9. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Konzentration eines n-Trägers der Grundschicht gemäß An spruch 8 im Bereich von 1 × 10¹⁶ cm^-3 bis 1 × 10²² cm^-3 liegt.

10. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schichtdicke der Leuchtschicht gemäß Anspruch 8 im Bereich von 5 bis 90 Å liegt.

11. Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei eine Konzentration von Si, Ge, Zn, Cd und Mg nicht größer ist als 1 × 10¹⁹ cm^-3.

12. Verfahren zur Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit dem Schritt: Ziehen der Schutzschicht nach Anspruch 8 bei der Temperatur von nicht über 1000°C.

13. Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der An sprüche 8 bis 12, wobei eine Konzentration von Mg, die in der Schutzschicht nach Anspruch 8 enthalten ist, nicht größer ist als 1 × 10¹⁹ cm^-3.