DE19648955B4

DE19648955B4 - III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE19648955B4
Application number: DE19648955A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Tsukuba Iyechika; Yoshinobu Yawara Ono; Tomoyuki Tsukuba Takada; Katsumi Tsukuba 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: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2016-11-27
Also published as: TW425722B; US6023077A; SG48494A1; DE19648955A1; SG72844A1

Abstract

III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung mit mindestens einer Leuchtschicht 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-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 angeordnet ist, die in Kontakt mit ihnen ist, gekennzeichnet durch eine Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat besteht, wobei jede Schicht, die die Grundschicht bildet, ein III-V-Verbindungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formal In_uGa_vAl
(wobei gilt: 0...

Description

Die Erfindung betrifft einen III-V-Verbindungshalbleiter, 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) dargestellt 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-Mischkristallverhältnis”, ”GaN-Mischkristallverhältnis” bzw. ”AlN-Mischkristallverhältnis” 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 lichtemittierende 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 ausreichend hoher Qualität muß jedoch erst noch hergestellt werden, da die Gitterkonstanten und die chemischen Eigenschaften der Substrate sich von denen des Verbindungshalbleiters stark unterscheiden. Deshalb ist versucht worden, zuerst einen GaN-Kristall zu ziehen, dessen Gitterkonstanten und chemische Eigenschaften denen des Verbindungshalbleiters äußerst ähnlich sind, und den Verbindungshalbleiter darauf zu ziehen, um einen ausgezeichneten Kristall herzustellen (japanisches Patent Kokoku Nr. JP 55-3 834 A ). 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 lichemittierenden 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 (NAKAMURA, S.: High-Brightness InGaN Blue, Green and Yellow Light-Emitting Diodes with Quantum Well Structures; Japanese Journal of Applied Physics, 1995, 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-Mischkristallverhältnis ab, und die Gitterkonstante wird größer, wenn sich das InN-Mischkristallverhältnis erhöht. Deshalb weisen, selbst wenn versucht wird, einen III-V-Verbindungshalbleiter mit einem 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 Gitterkonstanten herzustellen, die sich weitgehend von der einer Grundschicht 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 verlängern.
Andererseits wurde als Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer langen Lumineszenzwellenlänge unter Verwendung einer Leuchtschicht mit einem niedrigen InN-Mischkristallverhältnis ein Verfahren zur wesentlichen 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 verwendet, vorgeschlagen ( EP 0 716 457 A ). Um die Zugspannung auf den Verbindungshalbleiter mit einer Gitterkonstanten, die größer ist als die der Grundschicht, auszuüben, kann jedoch nicht vermieden werden, daß viele Fehlanpassungsversetzungen bzw. Gitterfehlstellen auf der Grenzfläche zwischen der Grundschicht und der Leuchtschicht entstehen, und dadurch konnte eine Verschlechterung der Kristallinität der Leuchtschicht nicht vermieden werden. Der Begriff ”Fehlanpassungsversetzung”, der hier verwendet wird, bedeutet eine Versetzung, die auf der Grenzfläche zwischen beiden Schichten wegen der Differenz der Gitterkonstanten zwischen beiden aufeinandergeschichteten Schichten ausgebildet ist.
JP 07-249795 A beschreibt ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das Licht kurzer Wellenlängen mit einer hohen Lichtstärke emittiert und durch Wachsen einer dünnen, auf AlGaInN basierenden Schicht auf einem Saphirsubstrat hergestellt wird.
JP 07-302929 A beschreibt die Herstellung einer III-V-Halbleiterverbindung mit einer hohen Qualität und großen Oberfläche und einer lichtemittierenden Diode mit einer hohen Lichtstärkeneffizienz durch ein Verfahren, bei dem man einen III-V-Verbundhalbleiter auf einer speziellen laminierten Struktur wachsen läßt.
Die erste Aufgabe der Erfindung ist es, einen III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Kristallinität und hoher Qualität und eine lichtemittierende Vorrichtung, die diesen verwendet und die eine hohe Lichtausbeute aufweist, bereitzustellen.
Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine lichtemittierende Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Ausbildung einer Fehlanpassungsversetzung auf der Grenzfläche der Leuchtschicht zu verhindern und Licht mit einer längeren Wellenlänge auf einfache Weise zu emittieren.
Unter diesen Umständen haben die Erfinder der vorliegenden Anwendung intensive Studien durchgeführt. Im Ergebnis ist festgestellt worden, daß durch Bereitstellung einer spezifischen Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat besteht, die Kristallinität der Schicht, die auf der Grundschicht gezogen wird, deutlich verbessert worden ist.
Es ist außerdem festgestellt worden, daß durch Steuerung des AlN-Mischkristallverhältnisses von mindestens einer Schicht zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat, so daß dieses in einem spezifischen Bereich liegt, und durch Steuerung der Gitterkonstanten der Leuchtschicht, so daß diese einen 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 Lumineszenzwellenlänge verlängert wird.
Die Erfindung betrifft somit eine III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung und eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer derartigen III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung gemäß den Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform des III-V-Verbindungshalbleiters darstellt;
2 eine Schnittansicht, die die in Beispiel 1 ausgeführte, erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung darstellt;
3 eine Schnittansicht, die die in Beispiel 6 dargestellte, erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung darstellt.
Der erfindungsgemäße III-V-Verbindungshalbleiter weist eine Grundschicht und eine Supergitterstrukturschicht auf einem Substrat in dieser Reihenfolge auf. Die Supergitterstrukturschicht ist die Schicht, in der eine Schicht (nachstehend mitunter als ”Leuchtschicht” bezeichnet), die 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, 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 vorausgesetzt, daß x', y' und z' in der allgemeinen Formel, die zwei Ladungsinjektionsschichten darstellt, gleich oder unterschiedlich sind.
Die erfindungsgemäße Grundschicht besteht aus mindestens drei Schichten, und alle Schichten werden 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. Es wird vorausgesetzt, daß u, v und w in der allgemeinen Formel, die mindestens drei Schichten in der Grundschicht darstellt, gleich oder unterschiedlich 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 kleineren Mischkristallverhältnis in der erfindungsgemäßen Grundschicht angeordnet ist, wird mitunter als ”verformte Schicht” bezeichnet.
Wenn man die verformte Schicht mit der Schicht vergleicht, die mit der verformten Schicht von der Substratseite in Kontakt ist, ist die Differenz des InN-Mischkristallverhältnisses zwischen der verformten Schicht und der Schicht, die mit der verformten Schicht von der Substratseite in Kontakt 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 erfindungsgemäße Wirkung nicht ausreichend.
Eine Dicke der verformten Schicht ist vorzugsweise nicht kleiner als 5·10^–10 m. Wenn die Dicke der verformten Schicht kleiner ist als 5·10^–10 m, 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 Kristallinität 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. Insbesondere ist die Dicke der verformten Schicht vorzugsweise nicht größer als 600·10^–10 m, wenn die Differenz des InN Mischkristallverhältnisses 0,05 ist. Die Dicke der verformten Schicht ist vorzugsweise nicht größer als 100·10^–10 m, wenn die Differenz des InN-Mischkristallverhältnisses 0,3 beträgt. Das heißt, das Produkt aus der Differenz des Mischkristallverhältnisses und der Dicke (·10^–10 m) der verformten Schicht ist vorzugsweise 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 100·10^–10 m, 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 mehrere 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-Mischkristallverhältnis aufweisen, die aufeinandergeschichtet sind. Außerdem 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 geändert werden, während die Dicke jeder verformten Schicht aufrechterhalten 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 Grundschicht 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 organometallischen 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 Verbindungshalbleiters, der mit einer erwärmten Mischsäure aus Phosphorsäure und Schwefelsäure behandelt worden ist, ausgebildet sind. Es gibt Überlegungen, daß die Grundschicht die Übertragung von Versetzungen verhindert, die im Verbindungshalbleiterkristall vorhanden sind, weil die Wirkung der Grundschicht als eine Verringerung 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-Mischkristallverhältnis 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, vorzugsweise nicht kleiner als 1 × 10¹⁸ cm^–3.
Eine Ausführungsform der Struktur des erfindungsgemäßen III-V-Verbindungshalbleiters ist in 1 dargestellt. Die in 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 Supergitterstruktur, 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 aufeinandergeschichtet 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 erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung hervorgerufen wird.
Wenn die Konzentration von n-Trägern in der Ladungsinjektionsschicht 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 Ladungsinjektionsschicht dienen, ohne daß sich die n-Schicht 3 von der Ladungsinjektionsschicht 4 als eine andere Schicht unterscheidet, und die Ladungsinjektionsschicht 4 muß nicht gezogen werden.
Wenn die Konzentration der p-Träger in der Ladungsinjektionsschicht 6 ausreichend hoch ist, kann eine Elektrode auf der Ladungsinjektionsschicht 6 ausgebildet werden. In diesem Fall braucht die p-Schicht 7 nicht ausgebildet zu werden.
Wenn die Ladungsinjektionsschicht 4 oder die Ladungsinjektionsschicht 6 mit einer hohen Konzentration dotiert ist, wird die Kristallinität dieser Schichten mitunter schlechter. In diesem Fall werden die Leuchtcharakteristik oder die elektrische Charakteristik schlechter, und dies wird nicht bevorzugt. In diesem Fall muß die Konzentration der Störstellen in der Ladungsinjektionsschicht 4 oder der Ladungsinjektionsschicht 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 vergleichsweise 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 Ladungsinjektionsträger und die Leuchtschicht vorzugsweise auf der Schicht ohne In auf dem Substrat gezogen. Wenn die Schicht mit In als Ladungsinjektionsschicht verwendet wird, entstehen mitunter Gitterdefekte in der Ladungsinjektionsschicht, und zwar aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen der Ladungsinjektionsschicht und der Schicht ohne In, die vorher auf dem Substrat gezogen worden ist. In diesem Fall kann die Ausbildung von Gitterdefekten in der Ladungsinjektionsschicht verhindert werden, indem die erfindungsgemäße Grundschicht zwischen 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 entsteht, verringert, wenn eine große Differenz der Gitterkonstante zwischen der Leuchtschicht und der Ladungsinjektionsschicht 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 dargestellt wird, als die Ladungsinjektionsschicht angeordnet wird, liegt die bevorzugte Dicke der Leuchtschicht im Bereich von 5 bis 90·10^–10 m. Wenn die Dicke der Leuchtschicht kleiner ist als 5·10^–10 m, wird die Lichtausbeute unzureichend. Wenn andererseits die Dicke größer ist als 90·10^–10 m, entstehen Gitterdefekte, und die Lichtausbeute ist ebenfalls unzureichend.
Da in die Leuchtschicht Ladungen in hoher Dichte injiziert werden können, indem die Dicke der Leuchtschicht verringert 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 Bereich der oben beschriebenen Ausführungsform, wenn die Differenz der Gitterkonstante kleiner ist als die in der oben beschriebenen 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 Ladungsinjektionsschicht und der Leuchtschicht ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 eV. Wenn die Differenz des Bandabstands zwischen der Ladungsinjektionsschicht und der Leuchtschicht kleiner 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 erforderliche Spannung hoch, und dadurch ist der Bandabstand der Ladungsinjektionsschicht vorzugsweise nicht größer als 5 eV.
Die Dicke der Ladungsinjektionsschicht beträgt vorzugsweise 10 bis 5000·10^–10 m. Auch wenn die Dicke der Ladungsinjektionsschicht kleiner als 5·10^–10 m oder größer als 5000·10^–10 m ist, wird die Lichtausbeute herabgesetzt, und daher wird dies nicht bevorzugt. Besonders bevorzugt liegt sie im Bereich von 10 bis 2000·10^–10 m.
Die Leuchtschicht kann aus einer einzelnen Schicht oder aus mehreren Schichten bestehen. Beispiele für eine solche Struktur sind eine Schichtstruktur aus (2n + 1) Schichten, wobei n Leuchtschichten und (n + 1) Schichten mit einem Bandabstand, der größer ist als der der Leuchtschichten, alternierend 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 unterscheidet, und zwar indem die Leuchtschicht mit Störstellen dotiert wird. Dies wird wegen der von den Störstellen ausgehenden Emission als ”Störstellenemission” bezeichnet. Bei Störstellenemission variiert die Lumineszenzwellenlänge in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elements der Gruppe III und des Störstellenelements der Leuchtschicht. In diesem Fall ist das InN-Mischkristallverhältnis der Leuchtschicht vorzugsweise nicht kleiner als 5%. Wenn das InN-Mischkristallverhältnis kleiner ist als 5%, ist fast das gesamte emittierte Licht ultraviolettes Licht, und es ist keine ausreichende Helligkeit festzustellen. Die Lumineszenzwellenlänge wird länger, 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 Konzentration 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 werden. 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 lichtemittierende 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, besonders 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 erfindungsgemäße Grundschicht eine große Wirkung für eine Verbesserung der Lichtausbeute der lichtemittierenden Bandkantenemissionsvorrichtung.
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 Verschlechterung zu verhindern, kann der Ladungsinjektionsschicht 6 mit einem kleinen InN-Mischkristallverhältnis eine Schutzschicht-Funktion verliehen werden, indem die Ladungsinjektionsschicht auf der Leuchtschicht mit einem hohen Mischkristallverhältnis (nachstehend wird die Ladungsinjektionsschicht in diesem Fall mitunter als ”Schutzschicht” bezeichnet) angeordnet 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 10·10^–10 m bis 1 μm, um der Schutzfunktion eine ausreichende Schutzfunktion zu verleihen. Wenn die Dicke der Schutzschicht kleiner ist als 10·10^–10 m, kann keine ausreichende Wirkung erreicht werden. Wenn andererseits die Dicke größer ist als 1 μm, wird die Lichtausbeute herabgesetzt, und dies wird deshalb nicht bevorzugt. Besonders bevorzugt beträgt sie 50 bis 5000·10^–10 m.
Es wird bevorzugt, daß die Schutzschicht angesichts der Effizienz der Strominjektion in die lichtemittierende Vorrichtung eine p-Leitfähigkeit aufweist. Es muß mit einer Akzeptorverunreinigung 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 bevorzugt. Wenn die Schutzschicht mit der Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert wird, verschlechtert sich die Kristallinität der Schutzschicht, und die Charakteristik der lichtemittierenden 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 hohen Kristallinität in einem sogenannten zweistufigen Ziehvorgang 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 Verbindungshalbleiters der Gruppe III-V sind u. a. folgende Verfahren: Molekularstrahlepitaxie (nachstehend mitunter als ”MBE” bezeichnet), organometallische Dampfphasenepitaxie (nachstehend mitunter als ”MOVPE” bezeichnet), Hybriddampfphasenepitaxie (nachstehend mitunter als ”HVPE” bezeichnet) und dgl. Wenn das MBE-Verfahren verwendet wird, wird normalerweise ein Gasquellenmolekularstrahlepitaxie-(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 Stickstoffrohmaterial mitunter chemisch inert ist. In diesem Fall kann die Einlagerungseffizienz 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-Verbindungshalbleiter beschrieben.
Beim MOVPE-Verfahren werden die folgenden Rohmaterialien 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) dargestellt wird, z. B. Trimethylgallium [(CH₃)₃Ga, nachstehend mitunter als ”TMG” bezeichnet], Triethylgallium [(C₂H₅)₃Ga, nachstehend mitunter als TEG” bezeichnet)] und dgl.; Trialkylaluminium, 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], Trimethylindium [(C₂H₅)₃In] und dgl. Diese werden allein oder in Kombination verwendet.
Beispiele für das Rohmaterial der Gruppe V sind Ammoniak, Hydrazin, Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhidrazin, 1,2-Dimethylhidrazin, t-Butylamin, Ethylendiamin und dgl. Diese werden allein oder in Kombination verwendet. Von diesen Rohmaterialien 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 dafür sind Mg, Zn, Cd, Hg, Be und dgl. Von diesen wird Mg bevorzugt, weil ein p-Mg mit einem geringen Widerstand auf einfache Weise hergestellt wird.
Als das Rohmaterial für das Mg-Dotiermittel wird vorzugsweise 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. Biscyclopentadienylmagnesium, Vinylmethylcyclopentadienylmagnesium, Bisethylcyclopentadienylmagnesium, Bis-n-Propylcyclopentadienylmagnesium, Bis-i-Propylcyclopentadienylmagnesium usw.), und zwar wegen ihres geeignetes Dampfdrucks.
Als das n-Dotiermittel für den III-V-Verbindungshalbleiter sind Elemente der Gruppe IV und der Gruppe VI wichtig. 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-Verbindungshalbleiters verwendet werden kann, sind ein Einscheibenreaktor, 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 0,1 bis 81 kPa (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 Trägergas ist nicht größer als 9,81 kPa (0,1 Atmosphären).
Von diesen Trägergasen werden Wasserstoff und Helium bevorzugt, weil eine kinetische Viskosität größer ist, und eine 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.
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 gemäß 2 wurde nach einem MOVPE-Verfahren hergestellt.
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 unter Verwendung von GaN als tieftemperaturgezogene Pufferschicht verwendet. Die GaN-Pufferschicht 9 mit einer Dicke von etwa 300·10^–10 m (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 1500·10^–10 m wurden unter Druck von 12,26 KPa (1/8 Atmosphären) unter Verwendung von Wasserstoff als das Trägergas 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 Normkubikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen. Ferner wurde eine n-Schicht 3 aus Si-dotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei der gleichen Temperatur 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 Normkubikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen.
Es wird vorausgesetzt, daß ”Normliter” und ”Normkubikzentimeter” Einheiten einer Gasmenge sind. ”1 Normliter” bedeutet, daß ein Gas, das einen Liter eines Volumens einnimmt, im Normalzustand pro Minute strömt, und ”1000 Normkubikzentimeter” 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, 43·10^–10 m/Minute bzw. 30·10^–10 m/Minute. Die Schichtdicke, die durch Berechnung aus der oben genannten Ziehzeit bestimmt wird, beträgt 50·10^–10 m bzw. 300·10^–10 m.
Nach dem Ziehen der n-Schicht 3 wurden eine Leuchtschicht 5 (50·10^–10 m) aus undotiertem In_0,3Ga_0,7N und eine Ladungsinjektionsschicht 6 (300·10^–10 m) aus undotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei einer Substrattemperatur von 785°C unter dem Ziehdruck von 98,07 kPa (1 Atmosphäre) gezogen.
Nach dem Ziehen der Ladungsinjektionsschicht 6 wurde eine p-Schicht 7 (5000·10^–10 m) aus mit Mg-dotiertem GaN bei einer Substrattemperatur von 1100°C gezogen. Die derartig hergestellte Probe wurde in Stickstoff bei 800°C unter dem Druck von 98,07 kPa (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 herzustellen. Eine Ni-Au-Legierung wurde als die p-Elektrode verwendet, 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 Mittenwellenlänge einer Emissionsspitze betrug 4800·10^–10 m und eine Lichtstärke 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 klares 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: 4600·10^–10 m, 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 98,07 kPa (1 Atmosphäre) nach dem ziehen einer undotierten InGaN-Leuchtschicht bei 750°C unter 12,26 kPa (1/8 Atmosphären) 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 12,26 kPa (1/8 Atmosphären) unter Verwendung von TEG und TEA jeweils in der Menge von 0,032 Normkubikzentimetern 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 betrug 4600·10^–10 m.
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 Ergebnis 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 zweimaliges 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. 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 anstelle der Ga_0,8Al_0,2N-Schicht 3 nach dem Ziehen einer verformten Schicht 2 eine LED hergestellt. Dann wurde die LED auf die gleiche Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis betrug eine Mittenwellenlänge einer Emissionsspitze 5050·10^–10 m, und eine Lichtstärke betrug 320 mcd. Eine Lumineszenzwellenlänge war länger als die im Beispiel 3.
Beispiel 6
Ein III-V-Verbindungshalbleiter gemäß 3 wird durch Dampfphasenepitaxie nach einem MOVPE-Verfahren gezogen, um eine LED mit einer Lumineszenzwellenlänge von 5100·10^–10 m herzustellen.
Nachdem GaN (500·10^–10 m) als Pufferschicht 9 auf einem Saphir-(0001-)Substrat 8 bei der Ziehtemperatur von 600°C unter dem Druck von 12,26 kPa (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 μm 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 gezogen, um eine Grundschicht auszubilden, und dann wurde eine Ladungsinjektionsschicht 4 einer Si-dotierten In_0,3Ga_0,6Al_0,1N-Schicht gezogen.
Eine Leuchtschicht 5 einer In_0,5Ga_0,5N-Schicht (150·10^–10 m) wird gezogen, und dann wird eine Ga_0,8Al_0,2N-Schicht in der Dicke von 300·10^–10 m gezogen.
Dann wird eine Mg-dotierte GaN-Schicht 7 in der Dicke von 5000·10^–10 m 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 hergestellt werden, indem Elektroden auf der derartig hergestellten Probe nach einem normalen Verfahren hergestellt werden.
Beispiel 7
Eine GaN-Pufferschicht 102 mit einer Dicke von etwa 300·10^–10 m (Substrattemperatur: 550°C, Ziehdruck: 98,07 kPa (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 (50·10^–10 m) bei der Substrattemperatur von 800°C unter Zuführung von Stickstoff als dem Trägergas, TEG, TNI und Ammoniak jeweils in der Menge von 4 Normlitern, 0,04 Normkubikzentimetern, 0,24 Normkubikzentimetern bzw. 4 Normlitern gezogen.
Ferner wurde eine Schutzschicht 106 (300·10^–10 m) aus undotiertem Ga_0,8Al_0,2N bei der gleichen Temperatur unter Zuführung von TEG, TEA und Ammoniak jeweils in der Menge von 0,032 Normkubikzentimetern, 0,008 Normkubikzentimetern bzw. Normlitern gezogen.
Nach dem Ziehen der Schutzschicht 106 wurde die Temperatur des Substrats auf 1100°C erhöht, und eine p-Schicht 107 (5000·10^–10 m) aus Mg-dotiertem GaN wurde gezogen. Die derartig hergestellte Probe wurde in Stickstoff bei 800°C unter 98,07 kPa (1 Atmosphäre) 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 lichtemittierende 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 Vorwärtsrichtung durch die lichtemittierende Vorrichtung geleitet. Im Ergebnis emittierte sie klares blaues Licht. Eine Mittenwellenlänge einer Emissionsspitze betrug 4800·10^–10 m.
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 Ergebnis betrug eine Lumineszenzwellenlänge 4500·10^–10 m bei 20 mA.
Auf die gleiche Weise, wie im oben genannten Beispiel beschrieben, wurde eine Supergitterstruktur, bei der undotiertes 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 Fehlanpassungsversetzung auf den Grenzflächen der Leuchtschicht beobachtet. Da die Gitterkonstante von InGaN größer ist als die von GaN, ist keine Fehlanpassungsversetzung vor und nach der Supergitterstruktur ausgebildet worden. Deshalb besteht Klarheit, 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 (600·10^–10 m bei 800°C als der Grundschicht 104 unter Verwendung von Stickstoff als dem Trägergas eine Probe hergestellt, und dann wurde die Probe auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, bewertet. Im Ergebnis wurde beobachtet, daß sie klares grünes Licht emittiert. Die Lumineszenzwellenlänge bei 1 mA betrug 5200·10¹⁰ m.
Der erfindungsgemäße III-V-Verbindungshalbleiter hat hohe Kristallinität und hohe Qualität, und eine lichtemittierende Vorrichtung, die diesen verwendet, hat eine hohe Lichtausbeute, und ihr industrieller Wert ist groß.
Die lichtemittierende Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen III-V-Verbindungshalbleiter verwendet, kann die Ausbildung einer Fehlanpassungsversetzung auf der Grenzfläche der Leuchtschicht verhindern und Licht mit einer längeren Wellenlänge auf einfache Weise emittieren. Deshalb kann die Lumines zenzwellenlänge auf einfache Weise in dem breiten Bereich weitergeleitet werden, und ihr industrieller Wert ist groß.

Claims

III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung mit mindestens einer Leuchtschicht 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-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 angeordnet ist, die in Kontakt mit ihnen ist, gekennzeichnet durch eine Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten zwischen der Leuchtschicht und dem Substrat besteht, wobei jede Schicht, die die Grundschicht bildet, ein III-V-Verbindungshalbleiter ist, der durch die allgemeine Formal In_uGa_vAl (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 diesen ist, wobei das InN-Mischkristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren Mischkristallverhältnis angeordnet ist, um 0,05 oder darüber größer ist als das der Schicht, die mit der Schicht von der Substratseite in Kontakt ist, wobei mindestens eine Schicht von den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis zwischen der Schicht auf der Substratseite und der Leuchtschicht mit einer n-Verunreinigung dotiert ist, und wobei die Ladungsinjektionsschicht auf der Substratseite von Ladungsinjektionsschichten, 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 kleineren InN-Mischkristallverhältnis dient, zwischen denen die Schicht mit dem größeren InN-Mischkristallverhältnis, die in Kontakt mit ihr ist, in der Grundschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die n-Verunreinigung Si und/oder Ge ist und eine Konzentration der n-Verunreinigung nicht kleiner als 1 × 10¹⁷ cm^–3 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Schicht, die zwischen beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis in der Grundschicht angeordnet ist, im Bereich von 0,5 bis 30 nm ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Grundschicht, die aus mindestens drei Schichten besteht, ein III-V-Verbindungshalbleiter ist, der durch Ziehen unter dem Druck im Bereich von 0.1 bis 81 kPa nach einem organometallischen Dampfphasenepitaxieverfahren hergestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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, angeordnet 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 einer Dicke 10^–10 m der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis angeordnet ist, nicht größer ist als 30; und wenn das InN-Mischkristallverhältnis der Schicht, die zwischen den beiden Schichten mit einem kleineren InN-Mischkristallverhältnis angeordnet 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-Mischkristallvarhältnis an angeordnet ist, nicht größer ist als 10 nm.
Lichtemittierende Vorrichtung mit einer III-V-Verbindungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.