DE60317862T2

DE60317862T2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE60317862T2
Application number: DE60317862T
Authority: DE
Inventors: Takashi Musashino-shi Matsuoka; Hiroshi Musashino-shi Okamoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: EP1389814A2; EP1389814A3; DE60317862D1; EP1389814B1; US6927426B2; KR100568701B1; CN1324772C; KR20040002471A; US20030234404A1; CN1467888A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung, die für eine Lichtquelle in optischer Kommunikation zu verwenden ist, insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,3 μm und 1,5 μm, wobei die Kommunikation eine Glasfaser als Übertragungsmedium verwendet.
Beispielsweise wird derzeit allgemein in der optischen Kommunikation, die eine Quarzglas-basierte Glasfaser als Übertragungsmedium nutzt, hauptsächlich der Wellenbereich zwischen 1,3 und 1,5 μm genutzt. Als Lichtquelle für eine solche optische Kommunikation wird im Allgemeinen ein Halbleiterlaser verwendet, der aus einem Kristall bestehend aus Elementen wie In, Ga, Al, As und P gebildet wird. Insbesondere wird häufig In_xGa_1-xAs_yP_1-y (0 < X ≤ 1, 0 ≤ Y < 1) (nachfolgend als InGaAsP bezeichnet) als Halbleiterlaser verwendet.
Ein herkömmlicher Laser unter Verwendung eines InGaAsP-basierten Werkstoffs weist das Problem auf, dass die charakteristische Temperatur nur 40 bis 60 K beträgt. Diese charakteristische Temperatur ist eine der wichtigen Kenndaten in der Praxis. Die Beziehung zwischen einer charakteristischen Temperatur T₀ und einem Schwellenstrom I_th wird dargestellt durch Ith = I0exp(T/T0),wobei T die Betriebsumgebungstemperatur des Lasers ist und I₀ der Schwellenstrom am absoluten Nullpunkt. Bei niedriger T₀ nimmt, wenn die Betriebsumgebungstemperatur steigt, der Schwellenstrom für den Halbleiterlaser abrupt zu. Um den Halbleiterlaser bei konstanter Leistung zu betreiben, muss der Strom, der in den Halbleiterlaser injiziert wird, verglichen mit dem bei einer niedrigen Betriebstemperatur erhöht werden. Mit dieser Erhöhung des Injektionsstroms steigt die Temperatur des Halbleiterlasers weiter an, zusätzlich zu einem Anstieg der Betriebsumgebungstemperatur. Wenn die Betriebsumgebungstemperatur ansteigt, unterliegt die Temperatur des Halbleiterlasers einer positiven Rückkopplung. Folglich steigt die Einrichtungstemperatur in hohem Maße an. In einem Laser, der aus einem InGaAsP-basierten Material gebildet ist, ist die charakteristische Temperatur aus den folgenden zwei Gründen niedrig.
Grund 1
Wenn eine Doppelheterostruktur, die für die Bildung eines Halbleiterlasers unerlässlich ist, gebildet wird, ist die Diskontinuität (ΔEc) in dem Leitungsband in der Energiebandstruktur zwischen einer Ladungsträgereingrenzungsschicht (Mantelschicht) und einer aktiven Schicht klein.
Grund 2
Ein InGaAsP-basiertes Material weist einen größeren Auger-Effekt auf. Bei einem großen Auger-Effekt stellen Elektronen in dem Leitungsband in einer aktiven Schicht, wenn die Betriebsumgebungstemperatur steigt, ihre Energie dem Kristallgitter bereit und verursachen eine strahlungslose Rekombination mit Löchern. Ein Phänomen, das dem der Elektronen ähnlich ist, tritt in Bezug auf Löcher in dem Valenzband auf. In einer Zinkblendestruktur, die eine GaAsP-basierte Kristallstruktur ist, ist der Auger-Effekt groß, da es keine Energiedifferenz zwischen einem schweren Loch und einem leichten Loch im Valenzband am Γ Punkt in der Bandstruktur, d. h. keine abgespaltene Spin-Energie Δsp, gibt.
Da der Bandabstand der aktiven Schicht mit einem Anstieg der Einrichtungstemperatur abnimmt, verlängert sich in einem Halbleiterlaser die Emissionswellenlänge. Die folgenden Probleme werden durch diese Wellenlängenänderung bei der optischen Kommunikation verursacht.
In der optischen Kommunikation hängt zunächst die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einer optischen Faser aufgrund der Wellenlängendispersion des Brechungsindex' der optischen Faser von der Wellenlänge ab. Das heißt, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in der Faser ändert sich, abhängig von einer Veränderung der Umgebungstemperatur. Aus diesem Grund verzerrt sich, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, an der Sendeseite die Wellenform eines Pulses, der in Bezug auf die Zeitachse rechteckig gewesen ist, und streut zusammen mit der Ausbreitung des Lichts. Bei Langstreckenkommunikation überlappen sich zwei optische Pulse, die von der Sendeseite zu unterschiedlichen Zeiten gesendet werden, an der Empfangsseite und können nicht voneinander unterschieden werden. In einem Sendesystem mit hoher Bitrate können, da die Intervalle zwischen den optischen Pulsen klein sind, zwei Pulse, die von der Sendeseite zu unterschiedlichen Zeiten gesendet werden, selbst bei Kurzstreckenübertragungen aufgrund von Wellenlängenänderungen der optischen Pulse an der Empfangsseite nicht voneinander unterschieden werden. Zusätzlich verursachen bei der Kommunikation mit Wellenlängen-Multiplexing (so genanntes WDM) verursachen Variationen in der Wellenlänge einer Lichtquelle Nebensprechen, da die Intervalle zwischen den Arbeitswellenlängen ungefähr 1 bis 10 nm klein sind.
Wie zuvor beschrieben, verursachen in der optischen Kommunikation Veränderungen der Wellenlänge des Kommunikationslichts ein ernsthaftes Problem, und der Stabilität der Wellenlänge kommt große Bedeutung zu. Aus diesem Grund wird herkömmlicherweise ein Halbleiterlaser, der als Lichtquelle dient, auf eine Peltier-Einrichtung montiert, um eine Temperaturkontrolle auszuführen, so dass er für die tatsächliche optische Kommunikation verwendet werden kann. Dies ermöglicht es, die Betriebstemperatur zu stabilisieren und Wellenlängenstabilität zu gewährleisten. Daher kommt derzeit der Zuverlässigkeit eines Temperaturkontrollmittels wie der Peltier-Einrichtung ebenfalls eine große Bedeutung zu. Die Kosten für die Ausstattung einer Peltier-Einrichtung, die Kosten einer Steuerschaltung für eine Peltier-Einrichtung und die Stromversorgung der Peltier-Einrichtung erhöhen die Kosten eines Kommunikationssystems. Außerdem erhöht das Vorhandensein einer Peltier-Einrichtung die Anzahl an Komponenten und verursacht eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit des gesamten Kommunikationssystems.
Außerdem kann mit den herkömmlichen optischen Kommunikationslichtquellen, die aus den zuvor beschriebenen Materialien hergestellt sind, keine große Leistung erzielt werden. In optischen Kommunikationssystemen sind Hochleistungslichtquellen erforderlich. Offensichtlicher Weise gilt, je höher die optische Leistung einer Lichtquelle, desto länger der Übertragungsabstand. Bei Kommunikation mit großer Kapazität muss, da die Pulsbreite eines optischen Signals klein ist, die Energie eines optischen Pulses erhöht werden, um eine Kommunikation mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis (S/R) zu erhalten. Um die Energie eines optischen Pulses zu erhöhen, ist eine Hochleistungslichtquelle erforderlich.
Die Verwendung eines herkömmlichen InGaAsP-basierten Materials führt zu einer kleinen Banddiskontinuität ΔEc in dem Leitungsband in einer Doppelheterostruktur, die einen Halbleiterlaser bildet. Aus diesem Grund verursacht die Injektion eines großen Stroms leicht einen Ladungsträgerüberfluss. Der Ladungsträgerüberfluss ist ein Phänomen, bei dem Ladungsträger durch eine lichtemittierende Schicht ohne strahlende Rekombination in der lichtemittierenden Schicht gelangen. 19 zeigt ein Phänomen, bei dem sich Elektronen, die als Ladungsträger dienen, von einer n-Ladungsträger-Begrenzungsschicht in eine p-Ladungsträger-Begrenzungsschicht durch eine lichtemittierenden Schicht bewegen.
Wie zuvor beschrieben, erhöht die Injektion eines großen Stroms nicht die optische Leistung in einem Halbleiterlaser, der ein herkömmliches InGaAsP-basiertes Material verwendet, sondern erzeugt lediglich Wärme. Um dieses Problem zu lösen, sind Versuche angestellt worden, Al-umfassende Verbindungshalbleiter für eine p-Ladungsträger-Begrenzungsschicht neben einer lichtemittierenden Schicht zu verwenden. Dies erhöht die Banddiskontinuität in dem Leitungsband leicht und verbessert die Kenndaten eines Halbleiterlasers. Die Lichtleistung eines Halbleiterlasers, der auf dieser Technik basiert, ist jedoch auf 100 mW im 1,55 μm-Band begrenzt.
Zusätzlich zu den zwei zuvor beschriebenen Problemen weist ein herkömmliches InGaAsP-basiertes Material das Problem auf, dass es sehr schwierig ist, eine Einrichtung zum Emittieren von Licht bei einer Wellenlänge von 1,48 μm auszuführen, bei der der höchste Anregungswirkungsgrad in einem optischen Faserverstärker im 1,55 μm-Band erzielt werden kann. Dies beruht darauf, dass die Zusammensetzung eines Kristalls, der Licht im 1,55-μm Wellenlängenband emittiert, in einem thermodynamisch nicht mischbaren Bereich in dem InGaAsP-System vorhanden ist. Um einen Kristall in einem nicht mischbaren Bereich zu erhalten, muss das Kristallwachstum unter thermodynamischen Ungleichgewichtsbedingungen erfolgen. Selbst wenn ein Kristall in einem nicht mischbaren Bereich unter thermalen Ungleichgewichtbedingungen erhalten wird, ist seine Kristallinität schlechter als die eines Kristalls, der unter thermalen Leichtgewichtbedingungen gewachsen ist. Obgleich Einrichtungen unter Verwendung solcher Kristalle hergestellt worden sind, weisen sie eine geringe Lichtleistung und eine geringe Lichtausbeute auf, und die Lebensdauer der Einrichtungen ist kurz.
EP 0 772 249 A2 , US 5 684 309 , US 5 798 537 , JP 07 183576 A , US 5 656 832 , JP 11 243251 A , US 6 163 038 und US 5 696 389 offenbaren eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Kurzdarstellung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige lichtemittierende Halbleitereinrichtung bereitzustellen, die gegenüber Temperaturänderungen in einer Betriebsumgebung robust ist und Hochleistungsbetrieb ausführen kann.
Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–14 definiert.
Bei dieser Anordnung ist die aktive Schicht aus einem Material mit einem kleinen Auger-Effekt hergestellt. Außerdem besteht die aktive Schicht aus einem Material, das eine gleichmäßige Zusammensetzung ohne Phasentrennung aufweist. Außerdem kann eine Anordnung verwirklicht werden, in der die Banddiskontinuität ΔEc in dem Leitungsband zwischen der aktiven Schicht und der Typ-p-Mantelschicht groß eingestellt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
1B ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist eine Grafik, die die Charakteristiken der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Extinktion im Quadrat und der Photonenenergie in einem InN-Film zeigt, der unter der Bedingung aufgewachsen wurde, dass V/III auf 660.000 festgelegt ist;
4 ist eine Grafik, die die Photolumineszenz zeigt, die bei Raumtemperatur von dem InN-Film unter der Bedingung gemessen wurde, dass V/III auf 660.000 festgelegt ist;
5 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Eg von In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1,0 ≤ X + Y ≤ 1) und einen Gitterkonstante a der a-Achse zeigt;
6 ist eine Grafik, die die nicht mischbaren Bereiche von In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1) zeigt, die aus Experimenten und Berechnungen erhalten wurden;
7 ist eine Grafik, die das Röntgenstrahl-Beugungsspektrum von InN zeigt, das gewachsen ist, während ein Verhältnis V/TMIIn der Menge Ammoniak als Stickstoffquelle zu der Menge Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle auf 160.000 eingestellt ist;
7B ist eine Grafik, die das Röntgenstrahl-Beugungsspektrum von InN zeigt, das gewachsen ist, während ein Verhältnis V/TMI der Menge Ammoniak als Stickstoffquelle zu der Menge Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle auf 320.000 eingestellt ist;
7C ist eine Grafik, die das Röntgenstrahl-Beugungsspektrum von InN zeigt, das gewachsen ist, während das Verhältnis V/TMI der Menge Ammoniak als Stickstoffquelle zu der Menge Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle auf 660.000 eingestellt ist;
8 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der In-Zusammensetzung einer Festphase in dem Wachstum von InGaN und das Verhältnis der Zuführmenge von TMI zur Gesamtzuführmenge der Gruppe-III-Quelle zeigt;
10 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
13 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
14A ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
14B ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung eines Teils der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
15 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
16 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
17A ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
17B ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Beispiel der Anordnung der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
18 ist eine Grafik, die die Charakteristiken der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 17A zeigt; und
19 ist eine schematische Beugestruktur zum Erklären eines Ladungsträgerüberflusses.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1A zeigt ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, wobei 1B eine Querschnittansicht eines Halbleiterlasers in einer Richtung zeigt, in der sich geleitetes Licht vor und zurück im Hohlraum ausbreitet, das heißt entlang einer Richtung senkrecht zur Achse des Hohlraums.
Dieser Halbleiterlaser weist eine 20-nm starke Pufferschicht 103 auf, die aus GaN besteht, gebildet auf der Oberfläche eines 330-μm starken Einkristallsubstrats 101, das aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) durch eine Nitridschicht 102 mit einer Nitridationstiefe von 1,2 nm, eine 4-μm starken Elektrodenschicht 104 aus Si-dotiertem n-GaN und eine 0,5-μm starken Mantelschicht 105, die aus Si-dotiertem n-Al₀ _, ₁Ga₀ _, ₉N besteht. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 101 nicht auf Saphir beschränkt ist. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Außerdem sind auf der Mantelschicht 105 die folgenden Schichten gebildet: eine 0,6-μm starke Führungsschicht 106 aus Si-dotiertem n-GaN, eine 20-nm starke aktive Schicht 107 aus InN, eine 10-nm starke Wachstumsdeckschicht 108 aus undotiertem GaN, eine 0,55-μm starke Führungsschicht 109 aus Mg-dotiertem p-GaN, eine 0,5-μm starke Mantelschicht 110 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1-μm starke Kontaktschicht 111 aus Mg-dotiertem p-GaN.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 112, die aus SiO₂ besteht und eine Rille mit einer Breite von ungefähr 2 μm aufweist, um einen Strominjektionsbereich zu begrenzen, ist auf der Kontaktschicht 111 gebildet. Es ist zu beachten, dass die zuvor genannte Rille parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts in dem Hohlraum dieses Halbleiterlasers gebildet ist. Eine Typ-p-Metallelektrode 113, die durch die zuvor genannte Rille in Kontakt mit der Kontaktschicht 111 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 112 gebildet. Obgleich nicht dargestellt, weist die p-Metallelektrode 113 eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50-nm starke Palladiumschicht aufgebaut ist, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 111 steht, eine 30-nm starke Platinschicht, die auf der Palladiumschicht gebildet ist und eine 200-nm starke Goldschicht, die auf der Platinschicht gebildet ist.
Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 104 einen freigelegten Bereich, der durch teilweises Ätzen der jeweiligen darauf gebildeten Schichten, gebildet wird, und eine n-Metallelektrode 114 in diesem freigelegten Bereich aufweist. Obgleich nicht gezeigt, weist die Typ-n-Metallelektrode 114 eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50-nm starke Titanschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, eine 30-nm starke Platinschicht und eine 200-nm starke Goldschicht. Die Hohlraumlänge des Halbleiterlasers, der in 1 gezeigt ist, beträgt ungefähr 500 μm.
2 zeigt eine optische Leistung/Strom-Charakteristik (PI-Charakteristik) und Spannung/Strom-Charakteristik, die als Ergebnisse des Messens des Halbleiterlasers in 1A und 1B erhalten wurden, mit montierter Verbindung oben auf einem Kühlkörper, bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Gleichstroms. Der in 1A und 1B gezeigte Halbleiterlaser verursachte bei Raumtemperatur eine PI-Oszillation mit einem Schwellenstrom von 82 mA. Die sich ergebende Oszillationswellenlänge betrug 1,60 μm. Die Betriebsspannung zu dieser Zeit betrug 2,8 V. Eine Diffusionsspannung V_b betrug ungefähr 1,2 V.
Wenn In_1-XGa_XN (0 < X < 0,4) für eine lichtemittierende Struktur verwendet wird, umfassend eine aktive Schicht wie beim Stand der Technik, ist die Diffusionsspannung V_b etwas geringer als 4 V. Es ist zu beachten, dass der Halbleiterlaser in 1A und 1B unter Verwendung von InN für die aktive Schicht 107 beispielhaft den Laser darstellt. Es kann jedoch In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) für die aktive Schicht verwendet werden, das einen größeren Bandabstand als InN aufweist. In diesem Fall kann die Oxidationswellenlänge weiter herabgesetzt werden.
InGaAlN (In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1) wird nachfolgend beschrieben.
Herkömmlicherweise wusste man nicht über die Anwendung von InGaAlN-Materialien für lichtemittierende Halbleitereinrichtungen (Halbleiterlaser) mit Wellenlängen von 1,3 μm bis 1,58 μm Bescheid, die in den optischen Kommunikationswellenlängenbereich fallen oder für lichtemittierende Halbleitereinrichtungen, die ausgestaltet sind, um Licht in einem Wellenlängenbereich zu erhalten, der länger ist als die Wellenlänge von orangefarbenem Licht. Dies beruhte darauf, dass die Bandabstandenergie (Eg) von InN, das die kleinste Eg unter diesen Materialien aufweist, 1,9 bis 2,1 eV betrug. In diesen Zeiten, als eine solche Eg gemessen wurde, wurde InN durch reaktives Sputtern oder Ähnliches gebildet, und nur polykristallines InN konnte gebildet werden. Das heißt, das zuvor genannte Bandabstand-Messergebnis wurde von polykristallinem InN erhalten (Referenz 1: K. Osamura, K. Nakajima und Y. Murakami, Solid State Comm., 11 (1972) 617, Referenz 2: N. Puychevrier und M. Menoret, Thin Solid Films, 36 (1976) 141 und Referenz 3: T. L. Tansley und C. P. Foley, J. Appl. Phys., 59 (1986)).
Von den Verbindungen AlN, GaN und InN, die InGaAlN bilden, ist der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck über der Festphase von InN fünf Größenordnungen höher als der der verbleibenden Verbindungen (Referenz 4: T. Matsuoka, H. Tanaka, T. Sasaki und A. Katsui „Wide-Gap Semiconductor (In, Ga) N", International Symposium an GaAs and Related Compounds, (Karuizawa, Japan, 1989); in Inst. Phys. Conf. Ser., 106. Seiten 141 bis 146). Es ist fast unmöglich, durch ein Verfahren wie reaktives Sputtern, bei dem der Druck in dem Gefäß, der für die Bildung eines Films verwendet wird, nicht erhöht werden kann, einen qualitativ hochwertigen Kristall unter Verwendung von InN zu bilden, das solche Charakteristiken aufweist. Da auch Versuche gemacht wurden, einen InN-Film auf einem Glassubstrat zu bilden, konnten keine Gitterinformationen über Einkristallwachstum erhalten werden, und es konnte kein Einkristall gezüchtet werden.
Unter diesen Umständen versuchten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, einkristallines InN auf einem Einkristall-Saphirsubstrat unter Verwendung von metallorganischer Dampfphasenepitaxie (nachfolgend als MOVPE bezeichnet) zu züchten, bei der ein Stickstoffdruck aufgebracht werden kann, und erzielten 1989 den weltweit ersten Erfolg im Einkristallwachstum. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung berichteten das Ergebnis 1989 bei einer akademischen Konferenz (Referenz 5: Takashi Matsuoka, Toru Sasaki, Hirotsugu Sato und Akinori Katsui, „InN EPITAXIAL GROWTH by MOVPE", Extended Abstracts an the 36th Meeting of the Japan Society of Applied Physics and Related Societies, S. 270 (1p-ZN-10) (1989)).
Die Kristallinität des Einkristalls, der zu dieser Zeit erhalten wurde, war jedoch unzureichend und somit erzielte diese Technik nicht in die optischen Charakteristiken von InN. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung nahmen nachträglich verschiedene technische Verbesserungen vor und erzielten den weltweit ersten Erfolg beim Züchten von qualitativ hochwertigem Einkristall-InN, dessen optische Charakteristiken 2001 gemessen werden konnten (Referenz 6: Takashi Matusoka, Masahi Nakao, Hiroshi Okamoto, Hiroshi Harima, Eiji Kurimoto und Megumi Hagiwara „OPTICAL BANDGAP ENERGY of InN", Extended Abstracts an the 49th Meeting of the Japan Society of Applied Physics and Related Societies, S. 392 (29p-ZM-1) (2002); die Frist für ein Manuskript in der Society of Applied Physics: 08. Januar 2002; Das Meeting: Vom 27. bis 30. März; und das Bekanntgabedatum: 29. März).
Die erste technische Verbesserung zum Züchten des zuvor genannten qualitativ hochwertigen Einkristall-InN bestand darin, im Voraus GaN zu bilden, das eine Zwischengitterkonstante aufweist, die zwischen der von Saphir und InN auf einem Saphirsubstrat liegt. In diesem Fall ist eine GaN-Schicht erforderlich, um eine hohe Kristallinität zu erzielen. Aus diesem Grund wurden die Wachstumsbedingungen für GaN in folgenden Punkten optimiert:

1. Reinigen der Oberfläche eines Saphirsubstrats in dem Reaktor;
2. Nitridation der Saphiroberfläche mit Ammoniak;
3. Züchten von GaN bei niedriger Temperatur als eine Pufferschicht, um die Gitterfehlanpassung zwischen Saphir und GaN zu vermindern;
4. Hochtemperaturglühen, um die zuvor genannte Pufferschicht in einem Einkristall zu bilden; und
5. Hochtemperaturzüchten von qualitativ hochwertigem GaN.

Die zweite technische Verbesserung bestand darin, die Wachstumsbedingungen für InN auf GaN zu untersuchen, das unter den auf die zuvor genannte Weise optimierten Bedingungen gezüchtet wurde. Die untersuchten Faktoren waren die Wachstumstemperatur, die Wachstumsgeschwindigkeit, das Verhältnis einer Gruppe V-Quelle zu einer In-Quelle, die Gasflussgeschwindigkeit in dem Reaktor und Ähnliches. Als Ergebnis der Untersuchung dieser Faktoren erzielten die Erfinder der vorliegenden Erfindung den ersten Erfolg beim Züchten von InN, dessen optische Charakteristiken gemessen werden konnten. Gegenwärtig kann eine InN-Schicht direkt auf einer Saphirschicht gebildet werden, ohne dazwischen eine GaN-Schicht zu bilden.
3 und 4 zeigen die Charakteristiken eines gebildeten InN-Films.
Wie in 3 gezeigt, wird in dem gebildeten InN-Film eine eindeutige Absorptionskante von der optischen Extinktion erkannt. Da diese Beziehung fast linear ist, kann InN als linearer Übergangstyp betrachtet werden, und die Eg kann auf ungefähr 0,8 eV geschätzt werden.
Aus 4 wird offensichtlich, dass Lichtemission nahe einer Wellenlänge von 1,65 μm (0,75 eV) auftritt. Sowohl die Messergebnisse der Extension als auch der Photolumineszenz, die in 3 und 4 gezeigt sind, deuten darauf hin, dass die Eg des InN-Films, der unter der zuvor genannten Bedingung gebildet wird, 0,8 eV beträgt. Aus diesen Ergebnissen kann geschätzt werden, dass die Eg von InN nahe 0,8 eV liegt.
Die zuvor genannten verschiedenen technischen Verbesserungen und langfristigen Anstrengungen haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Eg von einkristallinem InN 0,8 eV beträgt, was ½ oder weniger der Messergebnisse der Vergangenheit ist.
In 5 stellen die unterbrochenen Linien die herkömmlichen Daten dar, und die durchgezogenen Linien stellen das Ergebnis dar, durch das die Daten (Eg = 0,8 eV) wiedergegeben werden, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
Wie aus der zuvor aufgeführten Beschreibung ersichtlich ist, kann eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung mit hoher Leistung und hoher T0 durch Bilden einer Doppelheterostruktur oder einer Quantum-Well-Struktur unter Verwendung von In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) hergestellt werden. Beispielsweise kann T0, die ungefähr 60 K beim Stand der Technik betrug, auf ungefähr 150 K erhöht werden. Außerdem kann als eine Einrichtung, die ausgestaltet ist, Licht mit einer Wellenlänge von 1,48 μm zu emittieren, die unter Verwendung eines herkömmlichen Materials Schwierigkeiten beim Kristallwachstum hatte, eine Einrichtung mit guten Kenndaten hergestellt werden, weil ein Material einfach unter einer thermischen Gleichgewichtbedingung gezüchtet werden kann.
Im Vergleich zu InGaAsP, zeigt InGaAlN eine hohe Spin-Abspaltungsenergie Δsp am Γ-Punkt im Valenzband. Aus diesem Grund ist der Auger-Effekt von InGaAlN gering, so dass sich die Temperaturcharakteristik der lichtemittierenden Einrichtung verbessert. Wenn eine Heterostruktur unter Verwendung von InGaAlN gebildet wird, wird eine Banddiskontinuität ΔEc im Valenzband groß. Aus diesem Grund kann der Ladungsträgerüberfluss vermindert werden. Als Folge wird in einer lichtemittierenden Einrichtung unter Verwendung von InGaAlN die Wärmeerzeugung unterdrückt, und die Temperaturcharakteristik verbessert sich.
Wenn die Stärken einer Muldenschicht (aktive Schicht) einer Quantum-Well-Struktur und die Barriereschicht durch Verwendung von reinem InN für die Muldenschicht und einer anderen Zusammensetzung als InN, z. B. In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 < X + Y < 1) für die Barriereschicht gesteuert werden, kann für die Barriereschicht eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung hergestellt werden, die ausgestaltet ist, um Licht bei einer Wellenlänge von 1,48 μm zu emittieren, was mit einem qualitativ hochwertigen Kristall unter Verwendung eines InGaAsP-basierten Materials schwierig herzustellen ist. Selbst wenn In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) anstelle von reinem InN für die aktive Schicht verwendet wird, kann auch eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung hergestellt werden, die ausgestaltet ist, Licht bei 1,48 μm zu emittieren.
6 zeigt die nicht mischbaren Bereiche InGaAlN, die aus Experimenten und Berechnungen erhalten wurden (Referenz 7: T. Matsuoka, „Phase Separation in Wurtzite In_1-X-YGa_XAl_YN", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 54 (1998)). Mit Bezug auf 6 geben die Strichpunktlinien den nicht mischbaren Bereich von InGaAlN an, wenn es bei 600°C wächst; die durchgezogenen Linien den nicht mischbaren Bereich von InGaAlN, wenn es bei 800°C wachst; und die gestrichelten Linien den nicht mischbaren Bereich von InGaAlN, wenn es bei 1000°C wachst. Die Bereiche im Inneren der jeweiligen Linien sind die nicht mischbaren Bereiche.
Wie in 6 gezeigt, können einige Zusammensetzungsbereiche nicht unter einer thermalen Gleichgewichtsbedingung wachsen. Mit einer Zusammensetzung, die in einem mischbaren Bereich außerhalb der nicht mischbaren Bereiche angegeben ist, kann die lichtemittierende Halbleitereinrichtung, die in 1A und 1B gezeigt ist, unter der thermalen Gleichgewichtsbedingung gebildet werden, indem die Zusammensetzung und Stärke einer Quantum-Well-Struktur gesteuert werden. Im Hinblick auf eine lichtemittierende Einrichtung auch im sichtbaren Bereich kann eine Kristallschicht, die die Struktur einer lichtemittierenden Schicht, umfassend eine aktive Schicht bildet, unter thermaler Gleichgewichtsbedingung gezüchtet werden, und eine große Banddiskontinuität kann in dem Leitungsband festgelegt werden. Daher kann eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung mit guten Kenndaten hergestellt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann daher eine lichtemittierenden Einrichtung hergestellt werden, die mit hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit nahe 1,48 μm arbeitet, beispielsweise als Anregungslichtquelle für einen Faserverstärker bereitgestellt werden. Folglich nimmt die Ausgangsleistung des Faserverstärkers zu und der Übertragungsabstand der optischen Kommunikation nimmt zu. Außerdem wird die Anwendung der Struktur, die in den 1A und 1B gezeigt ist, auf den Wellenlängenbereich von 1,55 μm zu einer hohen Leistung/hohen T0 führen und somit zu einem Fernübertragungssystem mit hoher Bitrate.
Außerdem können LEDs oder Halbleiterlaser im sichtbaren Bereich bereitgestellt werden, die eine wesentlich höhere Lichtleistung und eine längere Lebensdauer aufweisen, als herkömmliche Einrichtungen.
Überdies weist die lichtemittierende Halbleitereinrichtung unter Verwendung von InN gemäß dieser Ausführungsform eine verbesserte Stabilität in Bezug auf die Umgebungstemperatur auf, wie als Nächstes beschrieben wird. Wenn eine Veränderung der Bandabstandenergie (Eg) eines Halbleitermaterials mit einer Temperatur als „{Eg(300) – Eg(0)}/Eg(0)" definiert ist, zeigt InAs eine Veränderung von 0,12 und GaAs zeigt eine Veränderung von 0,57. InP zeigt eine Veränderung von 0,48. In diesem Fall stellt Eg(300) eine Eg bei 300 K dar und Eg(0) stellt eine Eg bei 0 K dar. Eine solche Beschreibung erfolgt in Referenz 8 (Q. Guo und A. Yoshida, Jn J. Appl. Phys., 34 (1995) 4653).
Als die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Veränderung in der Eg von InN mit Temperatur gemessen haben, wurde der gemessene Wert wesentlich kleiner als die zuvor erwähnten Werte. Dieses Ergebnis, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erzielt wurde, unterscheidet sich von den Inhalten betreffend InN, die in Referenz 8 offenbart sind. InP, das derzeit als Hauptmaterial für eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung für die optische Kommunikation verwendet wird, emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 925 nm bei 300 K und emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 919 nm bei 280 K. Wie zuvor beschrieben, verschiebt sich in einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung unter Verwendung von InP die Wellenlänge um bis zu 6 nm, wenn sich die Temperatur um 20°C ändert.
Im Gegensatz dazu wird in einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung unter Verwendung von InN fast keine Wellenlängenverschiebung beobachtet, selbst wenn sich die Temperatur um 20°C ändert. Wie zuvor beschrieben, zeigt eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung unter Verwendung von InN kaum eine Wellenlängenänderung in Bezug auf eine Änderung der Umgebungstemperatur. Aus diesem Grund kann die Stabilität des Kommunikationssystems in hohem Maße verbessert werden, beispielsweise wenn eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung unter Verwendung von InN auf ein Kommunikationssystem angewandt wird.
Ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 1A und 1B gezeigt ist, wird als Nächstes beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasenepitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Als Ladungsträgergas wird Stickstoffgas für das Wachstum einer Schicht verwendet, die In umfasst, und Wasserstoffgas wird für das Wachstum einer Schicht verwendet, die kein In umfasst. Der atmosphärische Druck wird während des Wachstums in dem Reaktor gehalten.
Zuerst wird die Temperatur auf 1.050°C eingestellt, und die Oberfläche des Einkristallsubstrats 101, das aus Saphir besteht, wird in einer Ammoniakatmosphäre nitriert, um die Nitridschicht 102 zu bilden. Danach wird die Substrattemperatur auf 550°C eingestellt und die Pufferschicht 103 wird durch Anwachsen von GaN gebildet. Beim Anwachsen dieses GaN kann Trimethylgallium (TMG) als organisches Metall verwendet werden, das als Galliumquelle dient, zusätzlich zu Triethylgallium (TEG). Die Vorteile von TEG gegenüber TMG sind, dass TEG einen niedrigen Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zu liefern, sich bereits bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt, und nicht zulässt, dass Kohlenstoff, der Elementarbestandteil der Quelle ist, in die angewachsene Schicht aufgenommen wird.
Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 101 bei 1.050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 103 in einem Einkristall zu bilden. Die Temperatur des Einkristallsubstrats wird dann auf 1,020°C eingestellt und Si-dotiertes n-GaN, Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N und Si-dotiertes GaN werden nacheinander angewachsen, um die Elektrodenschicht 104, die Mantelschicht 105 und die Führungsschicht 106 zu bilden. Als Aluminiumquelle für das Dampfphasenwachstum dieser Schichten wird Trimethylaluminum (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist und für die Versorgung einer großen Menge der Quelle geeignet ist. Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren. Es ist zu beachten, dass die gleiche Quelle für das Dotieren von Si in dem Prozess des Anwachsens jeder Schicht (später beschrieben) verwendet wird.
InN wird dann auf der Führungsschicht 106 angewachsen, um die aktive Schicht 107 zu bilden. Beim Anwachsen von InN wird die Substrattemperatur auf 500°C eingestellt, da der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck von InN zwischen der Festphase und der Gasphase hoch ist. Bei diesem Anwachsprozess wird das Verhältnis von Ammoniak zu TMI, das heißt V/TMI (V/III) auf 660.000 eingestellt, um qualitativ hochwertiges InN anwachsen zu lassen, indem die Ausscheidung von metallischem Indium verhindert wird.
7A, 7B und 7C zeigen als Beispiel der Beziehung zwischen den Wachstumsbedingungen für InN und der Kristallinität das Röntgenbeugungsspektrum von InN, das angewachsen war, während ein Verhältnis V/TMI der Menge Ammoniak als Stickstoffquelle, die dem Reaktor zugeführt wird, zur Menge Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle, die dem Reaktor zugeführt wird, geändert wird. 7A, 7B und 7C zeigen das ω-2θ Scan-Spektrum. Wie in 7A und 7B gezeigt, werden in den Filmen, die unter den Bedingungen gezüchtet werden, dass V/III auf 160.000 oder weniger und auf 320.000 eingestellt wird, Signale von Indiummetall beobachtet. Im Gegensatz dazu verschwindet die Spitze von Indiummetall in dem Film, der unter der Bedingung gezüchtet wird, dass V/III auf 660.000 eingestellt ist, wie in 7C gezeigt, und somit ist bekannt, dass kein Indiummetall enthalten ist.
Stickstoff wird sowohl als TMI-Ladungsträgergas, als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff als diese Gase den Zerfall von Ammoniak unterdrückt und das effektive V/III-Verhältnis herabsetzt, was dazu führt, dass das Wachstum von InN gehemmt wird (Referenz 5).
GaN wird bei 500°C gezüchtet, der gleichen Wachstumstemperatur wie bei InN, unter Verwendung eines Stickstoff-Ladungsträgergases, um ein Ätzen der aktiven Schicht 107 und eine Verschlechterung seiner Kristallinität zu unterdrücken, wodurch die Wachstumsdeckschicht 108 gebildet wird. Nachdem die Wachstumsdeckschicht 108 gebildet worden ist, wird die Substrattemperatur auf 1.020°C erhöht, um die Qualität der Wachstumsdeckschicht 108 zu verbessern. Nachfolgend werden nacheinander Mg-dotiertes p-GaN, Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N und Mg-dotiertes p-GaN gezüchtet, um die Führungsschicht 109, die Mantelschicht 110 und die Kontaktschicht 111 zu bilden.
Als Quelle zum Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Diese Quelle ist eine Flüssigkeit, die vorteilhaft bei der Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Dotierungskonzentration von Mg gegenüber bis(Cyclopentadienyl)magnesium ist, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Nachdem die Führungsschicht 109, die Mantelschicht 110 und die Kontaktschicht 111 gebildet worden sind, wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C über 30 Minuten heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das diesen Schichten hinzugefügt worden ist.
Nachdem die jeweiligen zuvor beschriebenen Kristallschichten gebildet worden sind, wird die strombegrenzende Isolierschicht 112 aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 111 unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet und in der strombegrenzenden Isolierschicht 112 wird mittels der bekannten Fotolithographietechnik und Ätztechnik eine Rille gebildet.
Nachdem die Rille in der strombegrenzenden Isolierschicht 112 gebildet worden ist, werden unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfungsvorrichtung nacheinander ein 50 nm starker Palladiumfilm, ein 30 nm starker Platinfilm und ein 200 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 112, umfassend die Nut, gestapelt, wodurch eine Metallschicht gebildet wird, die als p-Metallelektrode 113 dient. Diese Metallschicht wird unter Verwendung einer Ablösetechnik strukturiert. Danach wird eine auf Novolac basierende positive Fotolackstruktur mittels der bekannten Fotolithographietechnik gebildet, und die Kristallschicht wird unter Verwendung dieser Struktur als eine Maske geätzt, um einen freigelegten Bereich auf der Elektrodenschicht 104 zu bilden. Die Kristallschicht wird durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas geätzt.
Nach dem Ätzen für die Bildung des zuvor genannten freigelegten Bereichs, dem Entfernen der Fotolackstruktur und dem Reinigen des Einkristallsubstrats 101 und der darauf gebildeten Struktur werden nacheinander ein 50 nm starker Titanfilm, ein 30 nm starker Platinfilm und ein 20 nm starker Goldfilm auf dem freigelegten Bereich der Elektrodenschicht 104 aufgedampft, und die sich ergebende Struktur wird strukturiert, um die n-Metallelektrode 114 zu bilden. Diese Metallschicht wird unter Verwendung der Ablösetechnik strukturiert.
Nachdem der Herstellungsprozess bis zur Bildung der n-Metallelektrode 114 durch die zuvor genannten Schritte beendet ist, wird die sich ergebende Struktur auf einer Polierbasis fixiert, um die untere Fläche des Einkristallsubstrats 101 zu polieren, so dass sie auf eine Stärke von 50 μm gedünnt wird, während die polierte Oberfläche hochglanzpoliert wird. Wenn das Einkristallsubstrat 101, das poliert wurde, ohne hochglanzpoliert worden zu sein, von der Polierbasis entfernt wird, kann das Einkristallsubstrat 101 sich wölben oder rissig werden. Aus diesem Grund wird die untere Oberfläche hochglanzpoliert. Danach wird die sich ergebende Struktur gereinigt, und vorbestimmte Abschnitte werden durch Spalten oder Ähnliches geschnitten, wodurch die lichtemittierende Halbleitereinrichtung erhalten wird, die in 1A und 1B gezeigt ist.
[Zweite Ausführungsform]
8 zeigt ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform. Eine LED (Light Emitting Diode – Leuchtdiode) wird beispielhaft dargestellt. 8 zeigt die Struktur der LED. Die LED umfasst die folgenden Schichten auf der oberen Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 201, das aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) besteht, dessen beide Flächen, das heißt die obere und die untere Fläche, hochglanzpoliert sind: eine 20 nm starke Pufferschicht 202 aus GaN, eine 4 μm starke Elektrodenschicht 203 aus Si-dotiertem GaN und eine 0,5 μm starke Mantelschicht 204 aus Si-dotiertem n-Al_0,1Ga_0,9N. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 201 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) bestehen.
Auf der Mantelschicht 204 sind die folgenden Schichten gebildet: eine 50 nm starke aktive Schicht 205 aus InN, eine 10 nm starke Wachstumsdeckschicht 206 aus undotiertem GaN, eine 0,5 μm starke Mantelschicht 207 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 208 aus Mg-dotiertem p-GaN. Eine strombegrenzende Isolierschicht 209, die ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm zum Begrenzen eines Strominjektionsbereichs aufweist, ist auf der Kontaktschicht 208 gebildet.
Eine p-Metallelektrode 210, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 208 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 209 gebildet. Die p-Metallelektrode 210 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starke Nickelschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 208 steht, und eine 200 nm starke Goldschicht, die darauf gebildet ist. Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 203 einen freigelegten Bereich aufweist, der durch teilweises Ätzen der darauf gebildeten jeweiligen Schichten und eine n-Metallelektrode 211 in diesem freigelegten Bereich gebildet ist. Die n-Metallelektrode 211 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starker Aluminiumschicht, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, und eine darauf gebildete 200 nm starke Goldschicht gebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 8 gezeigt ist, wird als Nächstes beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Als Ladungsträgergas wird Stickstoffgas verwendet. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Zuerst wird die Substrattemperatur auf 1.050°C eingestellt, und die Fläche des Einkristallsubstrats 201, das aus Saphir besteht, wird in einer Ammoniakatmosphäre nitriert. Danach wird die Substrattemperatur auf 550°C eingestellt, und die Pufferschicht 103 wird durch Anwachsen von GaN gebildet. Beim Wachstum des GaN wird Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle verwendet, das einen niedrigeren Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich einfach bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt und nicht zulässt, dass Kohlenstoff der ein Elementarbestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird. Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 201 bei 1,050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 202 in einem Einkristall zu bilden.
Die Temperatur des Einkristallsubstrats wird dann auf 1.020°C eingestellt und Si-dotiertes n-GaN und Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N werden nacheinander angewachsen, um die Elektrodenschicht 203 und die Mantelschicht 204 zu bilden. Als Aluminiumquelle für das Dampfphasenwachstum dieser Schichten wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist. Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren.
InN wird dann auf der Mantelschicht 204 angewachsen, um die aktive Schicht 205 zu bilden. Beim Wachstum von InN wird die Substrattemperatur auf 500°C eingestellt, da der Stickstoffgleichgewicht-Dampfdruck von InN zwischen der Festphase und der Gasphase hoch ist. Außerdem wird bei dem Dampfphasenwachstum Trimethylindium (TMI) verwendet. Bei diesem Wachstumsprozess wird das Verhältnis von Ammoniak zu TMI, das heißt V/III auf 660.000 eingestellt, um qualitativ hochwertiges InN zu züchten, indem das Abscheiden von metallischem Indium verhindert wird. Stickstoff wird sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff die Zersetzung von Ammoniak unterdrückt.
GaN wird bei 500°C gezüchtet, der gleichen Wachstumstemperatur wie bei InN, unter Verwendung eines Stickstoff-Ladungsträgergases, um ein Ätzen bis zur aktiven Schicht 207 und die Verschlechterung seiner Kristallinität zu unterdrücken, wodurch die Wachstumsdeckschicht 206 gebildet wird. Nachdem die Wachstumsdeckschicht 206 gebildet worden ist, wird die Substrattemperatur auf 1,020°C erhöht, um die Qualität der Wachstumsdeckschicht 206 zu verbessern. Nachfolgend werden nacheinander Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N und Mg-dotiertes p-GaN gezüchtet, um die Führungsschicht 207 und die Kontaktschicht 208 zu bilden.
Als Quelle zum Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Diese Quelle ist eine Flüssigkeit, die vorteilhaft bei der Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Dotierungskonzentration von Mg gegenüber bis(Cyclopentadienyl)magnesium ist, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Nachdem die Führungsschicht 207 und die Kontaktschicht 208 gebildet worden sind, wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das dieser Schichten hinzugefügt wird.
Nachdem die jeweiligen zuvor beschriebenen Kristallschichten gebildet worden sind, wird die strombegrenzende Isolierschicht 209 aus SiO₂ unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung auf der Kontaktschicht 208 gebildet und in der strombegrenzenden Isolierschicht wird mittels der bekannten Fotolithographietechnik und Ätztechnik ein Öffnungsfenster gebildet.
Nachdem das Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 209 gebildet worden ist, werden nacheinander ein 50 nm starker Nickelfilm und ein 200 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 209, umfassend das Öffnungsfenster, unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung gestapelt, wobei eine Metallschicht gebildet wird, die als p-Metallelektrode 210 dient. Danach wird eine auf Novolac basierende positive Fotolackstruktur mittels der bekannten Fotolithographietechnik auf der Metallschicht gebildet, und die Metallschicht und Kristallschicht werden unter Verwendung dieser Struktur als eine Maske geätzt, um einen freigelegten Bereich auf der Elektrodenschicht 203 zu bilden. Die Kristallschicht wird durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas geätzt.
Nach dem Ätzen zum Bilden des zuvor genannten freigelegten Bereichs, des Entfernen der Fotolackstruktur und des Reinigens des Einkristallsubstrats 201 und der darauf gebildeten Struktur werden ein 50 nm starker Aluminiumfilm und ein 200 nm starker Goldfilm nacheinander auf dem freigelegten Bereich auf die Elektrodenschicht 204 aufgedampft, und die sich ergebende Struktur wird strukturiert, um die n-Metallelektrode 211 zu bilden.
Nachdem der Herstellungsprozess bis zur Bildung der n-Metallelektrode 211 auf die zuvor genannte Weise beendet worden ist, wird das Einkristallsubstrat 201 gereinigt und unter Verwendung eines Diamant-Schneidwerkzeugs auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch eine Einrichtung extrahiert wird. Mit diesem Prozess wird ein Chip erhalten, der die lichtemittierende Halbleitereinrichtung aufweist, die in 8 gezeigt ist.
In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 8 gezeigt ist, besteht die aktive Schicht aus InN. Durch Steuern der Zusammensetzung und Stärke der aktiven Schicht kann Licht von gewünschter Farbe erhalten werden, im Bereich von Licht mit einer Wellenlänge nahe der Bandabstandwellenlänge von InN, 1,6 μm bis Blaulicht, wobei eine Wellenlänge unter 1,3 μm von der Erfindung nicht abgedeckt ist. Die Verwendung von InN für die aktive Schicht verbessert in hohem Maße die Reproduzierbarkeit und die In-Plane-Gleichförmigkeit auf dem Substrat im Vergleich zur Verwendung von InGaN für die aktive Schicht. Dies beruht darauf, dass InN und InGaN sich in hohem Maße in den Zusammensetzungen der Gas- und der Festphase im Dampfphasenwachstum unterscheiden.
9 zeigt ein Ergebnis der Zusammensetzungssteuerung bei InGaN. In dem Wachstum von InGaN ist das Zusammensetzungsverhältnis einer Gasphase zu einer Festphase bei einer Wachstumstemperatur (Substrattemperatur) von 500°C linear. Es ist zu beachten, dass eine Zusammensetzung für InGaN in einem Bereich außerhalb des mischbaren Bereichs ausgewählt wird, der in 6 gezeigt ist. Bei einer Wachstumstemperatur von 800°C wird jedoch das Zusammensetzungsverhältnis einer Gasphase zu einer Festphase in einem Bereich, in dem das Zusammensetzungsverhältnis von Indium (TMI) in der Festphase hoch ist, nicht linear. Wie in dieser Grafik gezeigt, nimmt bei der metallorganischen Dampfphasen-Epitaxie, wenn die Wachstumstemperatur ansteigt, die Menge Indium ab, die in einem InGaN-Film im Wachstumsprozess verwendet wird. Dies beruht darauf, dass der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck von InN fünf Größenordnungen höher ist als der von GaN.
Wie zuvor beschrieben, beseitigt die Verwendung von InN für eine aktive Schicht die Notwendigkeit der Zusammensetzungssteuerung und ermöglicht es, die Reproduzierbarkeit eines Wachstumsprozesses und die Gleichförmigkeit der Kristallinität im Vergleich zur Verwen dung von InGaN für eine aktive Schicht zu gewährleisten. Außerdem können Schichten mit gleichförmigen Zusammensetzungen erhalten werden, da theoretisch keine Phasentrennung stattfindet.
Es ist zu beachten, dass die Verwendung von In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1), das einen größeren Bandabstand aufweist als InN, es für eine aktive Schicht ermöglicht, Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu erhalten.
Außerdem kann ein lichtemittierender Abschnitt eine Multi-Quantum-Well-Struktur aufweisen. Beispielsweise kann ein lichtemittierender Abschnitt von einer Mutli-Quantum-Well-Struktur gebildet werden, die durch Stapeln der folgenden drei Schichten gebildet wird: eine Muldenschicht aus In_0,95Ga_0,05N und Barriereschichten aus Si-dotiertem In_0,05Ga_0,1Al_0,85N, die sandwichartig um die Well-Schicht gelagert sind.
[Dritte Ausführungsform]
Ein Fall, bei dem die Struktur der Erfindung auf einen Halbleiterlaser angewandt wird, bei dem ein lichtemittierender Abschnitt eine Multi-Quantum-Well-Struktur aufweist, wird nachfolgend beschrieben. 10 zeigt ein Beispiel einer solchen Ausführungsform. Der gezeigte Halbleiterlaser umfasst die folgenden Schichten auf der Oberfläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 301, das aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) besteht: eine 20 nm starke Pufferschicht 302 aus GaN, eine 4 μm starke Elektrodenschicht 303 aus Si-dotiertem GaN und eine 0,5 μm starke Mantelschicht 304 aus Si-dotiertem n-Al_0,14Ga_0,86N. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 301 nicht auf Saphir beschränkt ist. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) bestehen.
Auf der Mantelschicht 304 ist eine Multi-Quantum-Well-Struktur 305 gebildet, die durch Stapeln der folgenden drei Schichten gebildet ist: eine Muldenschicht aus In_0,95Ga_0,05N und Barriereschichten aus Si-dotiertem In_0,05Ga_0,1Al_0,85N, die die Muldenschicht sandwichartig umgeben. Auf der Multi-Quantum-Well-Struktur 305 sind eine 0,5 μm starke Mantelschicht 306 aus Mg-dotiertem p-Al_0,14Ga_0,86N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 307 aus Mg-dotiertem p-GaN gebildet. Eine strombegrenzende Isolierschicht 308, die ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, um einen Strominjektionsbereich zu begrenzen, der auf der Kontaktschicht 307 gebildet ist.
Eine p-Metallelektrode 309, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 307 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 308 gebildet. Die p-Metallelektrode 309 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starke Palladiumschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 307 steht, eine 30 nm starke Platinschicht, die darauf gebildet ist, und eine 200 nm starke Goldschicht, die darauf gebildet ist. Die Metallschicht wird unter Verwendung der Ablösetechnik strukturiert. Die Elektrodenschicht 303 weist einen freigelegten Bereich auf, der durch teilweises Ätzen der jeweiligen darauf gebildeten Kristallschichten, gebildet ist, und eine n-Metallelektrode 310 in diesem freigelegten Bereich. Die n-Metallelektrode 310 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starke Titanschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, eine 30 nm starke Platinschicht und eine 200 nm starke Goldschicht.
In der Einrichtung, die in 10 gezeigt ist, kann eine Lichtemission bei Wellenlängen, die von einer Wellenlänge von 0,62 μm bis zu einer Wellenlänge reichen, die kürzer als die Wellenlänge ist, die der Bandabstandenergie von InN entspricht, wobei Wellenlängen unterhalb von 1,3 μm nicht von der Erfindung umfasst sind, erzeugt werden, indem die Zusammensetzungen der aktiven Schicht und der Mantelschicht und der Muldenschichtstärke der Quantum-Well-Struktur verändert werden. Gemäß der herkömmlichen Idee konnte eine lichtemittierende Einrichtung in diesem Wellenlängenbereich nicht aus InGaAlN hergestellt sein. Wie zuvor beschrieben, wurde jedoch Dank des Ergebnisses der Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass die Bandabstandenergie von InN nahe 0,8 eV ist, eine solche Einrichtung zum ersten Mal hergestellt. Durch Steuern der Zusammensetzung jeder Schicht, die diese Struktur bildet, kann ein 1,48-μm-Laser, in dem der Anregungswirkungsgrad eines Faserverstärkers für die optische Kommunikation unter Verwendung einer Glasfaser hoch ist oder ein 1,55-μm-Laser mit einer hohen T₀ erreicht werden.
[Vierte Ausführungsform]
11 zeigt ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform. Diese Einrichtung ist eine Weißlicht-emittierende Diode, die drei lichtemittierende Schichten aufweist. 11 zeigt einen Querschnitt dieser Einrichtung in einer Stärkenrichtung des Kristallwachstums.
Diese lichtemittierende Diode umfasst die folgenden Schichten auf der Oberfläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1101, das aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) besteht: eine 20 nm starke Pufferschicht 1102 aus GaN, eine 4 μm starke Elektrodenschicht 1103 aus Si-dotiertem n-GaN und eine 0,5 μm starke Mantelschicht (erste Mantelschicht) 1104 aus Si-dotiertem n-Al_0,1Ga_0,9N. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1101 nicht auf Saphir beschränkt ist. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Auf der Mantelschicht 1104 sind die folgenden Schichten gebildet: eine Barriereschicht 1105 aus Si-dotiertem n-InGaAlN, eine untere aktive Schicht (erste aktive Schicht) 1106 aus In_1-XGa_XN mit Y = 0 in In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1), eine Barriereschicht 1107 aus Si-dotiertem n-InGaAlN, eine aktive Zwischenschicht (zweite aktive Schicht) 1108 aus In_1-X'Ga_x'N, eine Barriereschicht 1109 aus Si-dotiertem n-InGaAlN, eine obere aktive Schicht (dritte aktive Schicht) 1110 aus In_1-X''Ga_X''N und eine Barriereschicht 1111 aus InGaAlN. Auf der Barriereschicht 1111 sind eine 0,5 μm starke Mantelschicht (zweite Mantelschicht) 1112 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 1113 aus Mg-dotiertem P-GaN gebildet.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1114, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, ist auf der Kontaktschicht 1113 gebildet. Eine p-Metallelektrode 1115, die über das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 1113 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1114 gebildet. Obgleich nicht dargestellt, weist die p-Metallelektrode 1115 eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starke Palladiumschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1113 steht, eine 30 nm starke Platinschicht, die darauf gebildet ist, und eine 200 nm starke Goldschicht, die darauf gebildet ist. Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 1113 durch die Ablösetechnik strukturiert ist.
Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 1103 einen freigelegten Bereich, der durch teilweises Ätzen der jeweiligen darauf gebildeten Schichten gebildet ist, und eine n-Metallelektrode 1116 in diesem freigelegten Bereich aufweist. Obgleich nicht gezeigt, weist die n- Metallelektrode 1116 eine Mehrschichtstruktur auf, die durch eine 50 nm starke Titanschicht gebildet ist, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, eine 30 nm starke Platinschicht und eine 200 nm starke Goldschicht. Es ist zu beachten, dass die Metallelektrode 1116 durch die Ablösetechnik strukturiert ist.
In der Einrichtung, die die zuvor genannte Anordnung aufweist, wird die erste lichtemittierende Struktur durch die Barriereschicht 1105, die untere aktive Schicht 1106 und die Barriereschicht 1107 gebildet, die zweite lichtemittierende Struktur wird durch die Barriereschicht 1107, die aktive Zwischenschicht 1108 und die Barriereschicht 1109 gebildet und die dritte lichtemittierende Struktur wird durch die Barriereschicht 1109, die obere aktive Schicht 1110 und die Barriereschicht 1111 gebildet. Die Emissionswellenlängen der jeweiligen lichtemittierenden Strukturen werden durch Steuern der Zusammensetzungen und Stärken der jeweiligen aktiven Schicht auf die nachfolgend beschriebene Weise eingestellt, so dass die erste lichtemittierende Struktur die kürzeste Emissionswellenlänge aufweist und die dritte lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge aufweist. Das heißt, je näher sich die lichtemittierenden Strukturen am Einkristallsubstrat 1101 befinden, desto kürzer werden die Oszillationswellen (desto größer werden die Bandabstände). Daher tritt das Licht, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, aus der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 aus, ohne von der zweiten lichtemittierenden Struktur und der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert zu werden.
Das Licht, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur ersten lichtemittierenden Strukturseite austritt, tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 aus, ohne von der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert zu werden. Das Licht, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur dritten lichtemittierenden Strukturseite austritt, wird von der dritten lichtemittierenden Struktur absorbiert. Dieses absorbierte Licht wird in Licht gewandelt, das dem Licht entspricht, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, und tritt als Licht von der dritten lichtemittierenden Struktur von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 aus.
Das Licht, das von der ersten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur Seite des Einkristallsubstrats 1101 austritt, tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 aus, ohne einer Absorption wie der zuvor beschriebenen zu unterliegen. Das Licht, das von der ersten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur gegenüberliegenden Seite zum Einkristallsubstrat 1101 austritt, wird von der zweiten oder dritten lichtemittierenden Struktur absorbiert. Diese absorbierten Lichtkomponenten werden in Lichtkomponenten gewandelt, die Wellenlängen aufweisen, die denen von Lichtkomponenten gleichen, die von der zweiten oder dritten lichtemittierenden Struktur emittiert werden und von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 austreten.
In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, wird InGaN für jede aktive Schicht (Muldenschicht) verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. InN kann auch für eine aktive Schicht verwendet werden, indem die Stärke der aktiven Schicht und die Zusammensetzung einer Barriereschicht richtig eingestellt werden.
In der Einrichtung von 11 kann eine Weißlichtemission mit hoher Leistung mit unterdrücktem Verlust erzeugt werden, indem die Stapelreihenfolge der jeweiligen lichtemittierenden Strukturen unter Berücksichtigung der Positionsbeziehung betreffend die Lichtextraktionsrichtung konstruiert wird.
Die zuvor genannte lichtemittierende Halbleitereinrichtung, in der eine Mehrzahl lichtemittierender Strukturen, die von aktiven Schichten gebildet sind, übereinander gestapelt ist, wird nachfolgend beschrieben.
Herkömmlicherweise sind lichtemittierende Halbleitereinrichtungen, die als Weißlichtquellen verwendet werden können, allgemein in drei Arten von Strukturen eingeteilt. Die erste Art ist eine Struktur, die drei Arten von lichtemittierenden Dioden zum jeweiligen Emittieren von Lichtstrahlen aus drei Primärfarben, das heißt Rot, Grün und Blau verwendet und als Weißlichtquelle durch Überlagern von Lichtstrahlen, die von den Dioden emittiert werden, dient.
Die zweite Art ist eine Struktur, die eine lichtemittierende Blau-Grün-Diode verwendet, die eine Quantum-Well-Struktur aufweist, auf der eine Muldenschicht aus einem ZnCdSe-Kristall gebildet ist, der auf einem ZnSe-Substrat angewachsen ist und als Weißlichtquelle dient, die Lichtemissionen von der Diode außerhalb durch ZnSe als Substrat extrahiert. Gemäß dieser Struktur wird eine Blau-Grün-Lichtemission von dem Quantum-Well extrahiert, eine Orange-Lichtemission von einem tiefen Energiepegel, die SA-Emissionen genannt wird, wird dann von einem Defekt extrahiert, der in dem ZnSe-Substrat aufgrund des extrahierten Blau-Grün- Lichts vorhanden ist, und diese zwei Lichtkomponenten werden gemischt, um Weißlicht zu erhalten.
Die dritte Art ist eine Struktur, die durch Formen eines Halbleiterchips auf einer Blaulicht-emittierenden Diode mit einem Kunststoffmaterial erhalten wird, das mit einem Phosphorpulver gemischt wird. Das Phosphorpulver besteht aus einem Phosphormaterial, das Licht im Bereich von Gelb bis Rot emittiert. Das Phosphor in der Kunststoffform wird durch Blaulicht angeregt, das von dem Halbleiterchip (lichtemittierende Diode) emittiert wird, um Licht im Bereich von Gelb bis Rot zu emittieren. Diese dritte Struktur ist ausgestaltet, um Weißlicht durch Mischen von Blaulicht von dem Halbleiterchip mit Licht, das im Bereich von Gelb bis Rot liegt, von Phosphor zu erhalten.
Die erste Struktur erfordert lichtemittierende Diodenchips für Lichtstrahlen aus drei Farben. Gemäß einer praktischen Anordnung sind insgesamt drei lichtemittierende Diodenchips zum Emittieren von roten, grünen und blauen Lichtstrahlen integriert. In der ersten Struktur bestehen drei lichtemittierende Diodenchips aus unterschiedlichen Materialien und sind unabhängig als drei Farbeinrichtungen gebildet und werden dann auf dem gleichen Substrat integriert. Außerdem müssen gemäß der ersten Struktur die optischen Leistungen der drei lichtemittierenden Diodenchips angepasst werden, so dass die Summe von Lichtstrahlen, die von den drei lichtemittierenden Diodenchips emittiert werden, weiß wird.
Beispielsweise wurden Injektionsströme für die jeweiligen lichtemittierenden Diodenchips angepasst. In einigen Fällen wurde die Anzahl an Einrichtungen für jede Lichtemissionsfarbe angepasst. Wie zuvor beschrieben, müssen gemäß der ersten Struktur viele Einrichtungen integriert werden und Injektionsströme für die jeweiligen Einrichtungen müssen angepasst werden, was die Produktivität stört.
Die zweite Struktur erfordert ein ZnSe-Substrat, das zwei Größenordnungen teurer ist als Halbleitersubstrate, wie Si- und GaAs-Substrate, die eine breite Anwendung finden, und somit wird der Preis der Einrichtung hoch. Außerdem ist, wenn eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung unter Verwendung eines ZnSe-Substrats hergestellt werden soll, Molekularstrahlepitaxie (MBE) erforderlich, um eine Kristallschicht zu bilden, die mit einer n-Verunreinigung (Ladungsträger) dotiert ist. MBE hat insgesamt einen kleineren Durchsatz als andere Anwachsverfahren.
Angenommen, eine dotierte Kristallschicht kann durch MBE hergestellt werden. Selbst in diesem Fall sind die folgenden Behandlungen erforderlich, um einen Kristall zu erhalten, der den dotierten Ladungsträger aktivieren kann, um die Lichtleistung zu erhöhen: Ätzen des Substrats als Substratbehandlung vor dem Anwachsen des Kristalls mit einer besonderen Säure, die kein Zinkoxid erzeugt, und Entfernen eines Substratoxidfilms innerhalb des MBE-Reaktors mit einer Wasserstoffplasmabehandlung, die die Substratoberfläche nicht aufraut.
Um die zweite Struktur zu verwirklichen, muss die Neuanordnung einer Kristallfläche gesteuert werden. Aus diesem Grund muss ein hochenergetisches Elektronen-Reflektions-Beugungsbild gleichzeitig bei dem Prozess des Anwachsens beobachtet werden, um ein Quellenversorgungsverhältnis VI/II zwischen einem Material der Gruppe II und einem Material der Gruppe VI von 1.1 bis 1.3 zu steuern. Im Gegensatz dazu beträgt beim Anwachsen eines allgemeinen Kristalls der Gruppe III–V, wie GaAs, ein Quellenversorgungsverhältnis V/III ungefähr einige hunderte. Ein qualitativ hochwertiger Kristall zum Ausführen der zweiten Struktur kann nur unter Verwendung dieser fortschrittlichen Herstellungstechniken angewachsen werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelten diese Technik 1997 und erzielten den weltweit ersten Erfolg bei der Entwicklung eines Halbleiterlasers auf einem ZnSe-Substrat (A. Ohki, T. Ohno und T. Matsuoka, „Continuous-Wave Operation of ZnSe-Based Laser Diodes Homoepitaxially Grown an Semi-Insulation ZnSe Substrates", Electron. Lett., 33, 11, S. 990–991 (1997). T. Ohno, A. Ohki und T. Matsuoka, "Room-Temperature CW Operation of II–VI laser Grown an ZnSe Substrate Cleaned with Hydrogen Plasma", J. Crystal Growth, 184/185, S. 150–553 (1998). T. Ohno, a. Ohki und T. Matsuoka, "Surface Cleaning with Hydrogen Plasma for Low-Defect-Density ZnSe Homoepitaxial Growth", J. Vac. Sci. Technol. B., 16, 4, S. 2539–2545 (1998)).
Nach der zuvor genannten Entwicklung hat jedoch weder bei der Industrie noch auf akademischer Ebene ein Durchbruch in Bezug auf die zweite Struktur stattgefunden. Dies beruht darauf, dass der Kristall selbst zerbrechlich ist und dazu neigt, Defekte zu verursachen, was ein grundsätzliches Problem in Bezug auf das Material ist. Außerdem entsteht insbesondere in der zweiten Struktur ein Problem in Bezug auf die Intensität der SA-Emissionen. Um Weißlicht unter Verwendung der zweiten Struktur zu erhalten, muss das Verhältnis der Intensität von Blaulicht, das von der lichtemittierende Diode auf dem Substrat abgegeben wird, zu der der SA-Emissionen angepasst werden, indem die Stärke des ZnSe-Substrats gesteuert wird. Da die Intensität der SA-Emission in hohem Maße von den Eigenschaften eines Materials abhängt, muss diese Anpassung jedes Mal gemäß den Eigenschaften eines ZnSe-Substrats angepasst werden, wenn eine Einrichtung hergestellt wird. Dies ist eine Ursache, die die Produktivität stört.
Gemäß der dritten Struktur ist der Wirkungsgrad von Injektionsleistung in Licht gleich dem Produkt der Lichtausbeute eines Halbleiterchips und der Lichtausbeute eines Phosphors. Da jede Lichtausbeute niemals 100% betragen wird, wird der Lichtwirkungsgrad niedrig. Beispielsweise beträgt die Lichtausbeute einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung ungefähr 40% und die Lichtausbeute eines Phosphors beträgt ungefähr 50%. Daher beträgt der Wirkungsgrad von Injektionsleistung in Licht in der Weißlicht-emittierenden Einrichtung, die die dritte Struktur aufweist, nur ungefähr 20%. Gemäß dieser dritten Struktur sind, da der Wirkungsgrad fast gleich dem einer Glühlampe ist und niedriger als der einer Leuchtstofflampe, die Vorteile der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung (LED) vermindert.
Wie zuvor beschrieben, sind gemäß dem Stand der Technik viele Herstellungsschritte erforderlich, um eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung für Weißlicht herzustellen, und Anpassungen sind erforderlich, um Weißlicht zu erhalten. Dies macht es schwierig, eine kostengünstige Weißlicht-emittierende Halbleitereinrichtung mit hoher Lichtleistung herzustellen.
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Stand der Technik gibt es gemäß der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, keine Notwendigkeit, diskrete Einrichtungschips für die Lichtemission mit drei Farben vorzubereiten. Es ist keine besondere Herstellungsvorrichtung oder kein besonderes Herstellungsverfahren oder eine komplizierte Anpassung erforderlich. Daher kann gemäß der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, eine Einrichtung bei geringeren Kosten bereitgestellt werden.
Außerdem kann gemäß der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, eine Mehrzahl von Einrichtungen gleichzeitig auf einem einzigen Substrat gebildet werden, da jede Einrichtung in einem kleineren Bereichs als beim Stand der Technik gebildet werden kann. Daher können, wenn lichtemittierende Halbleitereinrichtungs-Chips erhalten werden sollen, indem sie ausgeschnitten werden, mehr Chips erhalten werden. Auch in dieser Hinsicht können aufgrund des so genannten Liefergrads Einrichtungen bei geringeren Kosten bereitgestellt werden. Da dünne Einrichtungen gebildet werden können, können sie außerdem in kleineren Vorrichtungen montiert werden.
Es kann außerdem ein Halbleiterlaser-Resonator ausgeführt werden, indem die Schichtanordnung verwendet wird, die in 11 gezeigt ist. 11 zeigt die Ausgangsendfläche des Halbleiterlaser-Resonators. In diesem Fall ist eine Rille mit einer Breite von 2 μm in der strombegrenzenden Isolierschicht 1114 gebildet, um sich in einer normalen Richtung zur Zeichnungsfläche von 11 zu erstrecken, so dass sie zwei Enden der Einrichtung erreicht. Die p-Metallelektrode 1115 ist entlang dieser Rille gebildet. Die Ausgangsendfläche ist durch Spaltung gebildet und eine optische Ausgabe wird von dieser Ausgangsendfläche in der normalen Richtung zur Zeichnungsfläche extrahiert.
Ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, wird nachfolgend beschrieben. Zuerst wird eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, für das Kristallwachstum für die Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet und als Ladungsträgergas und Spülgas wird Stickstoffgas für das Anwachsen einer Schicht, die In umfasst verwendet und Wasserstoffgas wird für das Anwachsen einer Schicht, die kein In umfasst, verwendet. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Beim Wachstum von Schichten wird zuerst die Substrattemperatur auf 1,050°C eingestellt, und die Fläche des Einkristallsubstrats 1101, das aus Saphir besteht, wird in einer Wasserstoffatmosphäre gereinigt. Die Substrattemperatur wird dann bei 550°C eingestellt, und die GaN-Pufferschicht 1102 durch Anwachsen gebildet. Beim Wachstum dieses GaN wird Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle verwendet, das einen geringen Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich einfach bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt und nicht zulässt, dass Kohlenstoff, der ein Elementarbestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird.
Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 1101 bei 1.050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 1102 in einen Einkristall zu bilden. Die Temperatur des Einkristallsubstrats 1101 wird dann bei 1.020°C eingestellt und Si-dotiertes n-GaN und Si-dotiertes n- Al_0,1Ga_0,9N werden nacheinander gezüchtet, um die Elektrodenschicht 1103 und die Mantelschicht 1104 zu bilden. Als Aluminiumquelle wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet. Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren. Es ist zu beachten, dass die gleiche Quelle für das Dotieren von Si im Anwachsprozess jeder Schicht (später beschrieben) verwendet wird.
Nachfolgend werden die Barriereschicht 1105, die untere aktive Schicht 1106, die Barriereschicht 1107, die aktive Zwischenschicht 1108, die Barriereschicht 1109, die obere aktive Schicht 1110 und die Barriereschicht 1111 durch kontinuierliches Kristallwachstum (metallorganische Dampfphasen-Epitaxie) gebildet. Beim Züchten dieser Schichten, die Indium umfassen, wird die Wachstumstemperatur auf ungefähr 500°C eingestellt, da der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck auf die Festphase von InN hoch ist. Als Indiumquelle wird Trimethylindium (TMI) verwendet. Als Galliumquelle beim Züchten dieser Schichten, die Indium umfassen, wird TEG verwendet. Dies hat den Grund, dass sich TEG bei niedriger Temperatur zersetzt und einen geringen Dampfdruck aufweist und somit für die Zusammensetzungssteuerung auf eine Kristallschicht im Vergleich zu TMG geeignet ist.
In diesem Fall wird beim Züchten jeder Schicht, die Indium umfasst, das Verhältnis (V/III) von Ammoniak als Stickstoffquelle zu einer Quelle der Gruppe III (TMI + TMA + TEG) auf ungefähr 660.000 eingestellt, um eine qualitativ hochwertige Legierungsschicht zu züchten, indem ein Abscheiden von metallischem Indium verhindert wird. Beim Züchten von Schichten, die Indium umfassen, wird Stickstoff sowohl als TMI-Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff als Ladungsträgergas oder Ähnliches die Zersetzung von Ammoniak unterdrückt (Referenz 5).
Nach dem Züchten der zuvor genannten Schichten, die Indium umfassen, wird das Quellengas so verändert, dass Mg-dotiertes p-Al_0,2Ga_0,9N und Mg-dotiertes p-GaN angewachsen werden, wodurch die Mantelschicht 1112 und die Kontaktschicht 1113 gebildet werden. Als Quelle für das Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Diese Quelle ist eine Flüssigkeit, die eine bessere Reproduzierbarkeit der Mg-Dotierungskonzentration zeigt, als bis(Cyclopentadienyl)magnesium, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Nachdem die Mantelschicht 1112 und die Kontaktschicht 1113 gebildet worden sind, wird die resultierende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das diesen Schichten zugegeben worden ist. Die strombegrenzende Isolierschicht 1114 aus SiO₂ ist auf der Kontaktschicht 1113 unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet, und ein Öffnungsfenster ist durch die bekannte Fotolithographietechnik und Ätztechnik in der Schicht gebildet. Nachdem das Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 1114 gebildet worden ist, werden nacheinander unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung ein 50 nm starker Palladiumfilm, ein 30 nm starker Platinfilm und ein 200 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1114, umfassend das Öffnungsfenster, gestapelt, wodurch die p-Metallelektrode 1115 gebildet wird. Diese Metallschicht wird durch die Ablösetechnik strukturiert.
Die Mantelschicht 1104 und die Elektrodenschicht 1103 werden dann teilweise von der strombegrenzenden Isolierschicht 1114 durch die bekannte Fotolithographietechnik und Ätztechnik entfernt, um einen Teil der Elektrodenschicht 1103 freizulegen. Die n-Metallelektrode 1116 ist auf dieser freigelegten Fläche gebildet. Die Kristallschichten, beispielsweise von der Kontaktschicht 1113 bis zur Mantelschicht 1104, können durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas als Ätzgas geätzt werden. Die n-Metallelektrode 1116 wird durch Stapeln eines 50 nm starken Titanfilms, eines 30 nm starken Platinfilms und eines 200 nm starken Goldfilms auf der freigelegten Fläche der Elektrodenschicht 1103 und durch Strukturieren der sich ergebende Mehrschichtstruktur durch die bekannte Ablösetechnik gebildet.
Nachdem die p-Metallelektrode 1115 und die n-Metallelektrode 1116 auf die zuvor beschriebene Weise gebildet worden sind, wird die untere Fläche des Einkristallsubstrats 1101 poliert, um das Einkristallsubstrat 1101 von 450 μm, was die ursprüngliche Stärke ist, auf 200 μm zu verringern. Die untere Fläche wird hochglanzpoliert. Nachdem die untere Fläche des Einkristallsubstrats 1101 hochglanzpoliert worden ist, wird die die sich ergebende Struktur gereinigt und das Einkristallsubstrat 1101 wird unter Verwendung eines Diamant-Schneidwerkzeugs auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch eine Einrichtung extrahiert wird. Die Einrichtungsgröße wird auf ungefähr 500 μm² eingestellt.
Wenn ein Strom der sich ergebenden Einrichtung zugeführt wird, die die p-Metallelektrode 1115 als Anode und die n-Metallelektrode 1116 als Katode aufweist, wird bläuliches Weißlicht beobachtet, das aus der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 austritt. Wie zuvor beschrieben ist die durch diese Ausführungsform erzielte Lichtemission bläulich Weiß. Es kann jedoch eine Emissionsfarbe mit einer gewünschten Eigenschaft erzielt werden, indem die Zusammensetzung einer Kristallschicht, die eine aktive Schicht bildet, und die Stärke der aktiven Schicht richtig gesteuert werden.
In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 11 sind die drei aktiven Schichten durch die Barriereschichten übereinander gestapelt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Indem die Zusammensetzungen der Kristalle, die die jeweiligen aktiven Schichten bilden, und die Stärke der Schichten richtig eingestellt werden und die Emissionsfarben der jeweiligen Schichten ausgestaltet werden, kann eine Lichtemission nahe Weiß erhalten werden, selbst durch eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung, die zwei aktive Schichten aufweist, die übereinander durch eine Barriereschicht gestapelt sind.
[Fünfte Ausführungsform]
In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 11 gezeigt ist, ist die n-Metallelektrode 1116 auf der Elektrodenschicht 1103 gebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine Elektrodenschicht kann auf einem der drei lichtemittierenden Abschnitte gebildet sein, und eine Metallelektrode kann auf dieser Schicht vorgesehen sein. Diese Struktur wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Die lichtemittierende Halbleitereinrichtung von 12 (Leuchtdiode) umfasst die folgenden Schichten auf der Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1201 aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃): eine 20 nm starke Pufferschicht 1202 aus GaN, eine 1-μm starke Kristallschicht 1203 aus GaN und eine 1-μm starke Mantelschicht (erste Mantelschicht) 1204 aus AlGaN. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1201 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann dieses Substrat aus einem Kristall wie einem Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Auf der Mantelschicht 1204 sind die folgenden Schichten gebildet: eine Barriereschicht 1205 aus InGaAlN, eine untere aktive Schicht (erste aktive Schicht) 1206 aus InN, eine Barriere schicht 1207 aus InGaAlN, eine aktive Zwischenschicht (zweite aktive Schicht) 1208 aus InN, eine Barriereschicht 1209 aus InGaAlN, eine Elektrodenschicht 1210 aus Si-dotiertem n-GaN, eine Barriereschicht 1211 aus Si-dotiertem n-InGaAln, eine obere aktive Schicht (dritte aktive Schicht) 1212 aus InN und eine Barriereschicht 1213 aus Mg-dotiertem InGaAlN.
Auf der Barriereschicht 1213 sind eine 0,5 μm starke Mantelschicht (zweite Mantelschicht) 1214 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 1215 aus Mg-dotiertem p-GaN gebildet.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1216, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen rundes Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, ist auf der Kontaktschicht 1215 gebildet. Eine p-Metallelektrode 1217, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 1215 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1216 gebildet. Die p-Metallelektrode 1217 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Palladiumschicht, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1215 steht, einer darauf gebildeten 30 nm starken Platinschicht und einer darauf gebildeten 200 nm starken Goldschicht besteht.
Außerdem weist die Elektrodenschicht 1210 in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 12 einen freigelegten Bereich, der durch teilweises Ätzen der jeweiligen darauf gebildeten Schichten gebildet ist, und eine n-Metallelektrode 1218 in diesem freigelegten Bereich auf. Die n-Metallelektrode 1218 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Titanschicht, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, einer 30 nm starken Platinschicht und einer 200 nm starken Goldschicht besteht.
In der Einrichtung von 12, die die zuvor genannte Mehrschichtstruktur aufweist, ist die erste lichtemittierende Struktur durch die Barriereschicht 1205 und die untere aktive Schicht 1206 gebildet, die zweite lichtemittierende Struktur ist durch die Barriereschicht 1207, die aktive Zwischenschicht 1208 und die Barriereschicht 1209 gebildet, und die dritte lichtemittierende Struktur ist durch die Barriereschicht 1211, die obere aktive Schicht 1212 und die Barriereschicht 1213 gebildet. Die Emissionswellenlängen der jeweiligen lichtemittierenden Strukturen sind so eingestellt, dass die erste lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge aufweist und die dritte lichtemittierende Struktur die kürzeste Wellenlänge aufweist.
Ein Teil des Lichts, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, wird in der zweiten lichtemittierenden Struktur und der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert, wodurch die jeweiligen lichtemittierenden Strukturen angeregt werden. Folglich emittieren die erste und zweite lichtemittierende Struktur Lichtstrahlen, die eindeutige Wellenlängen aufweisen. Ein Teil des Lichts, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das nicht in der ersten und zweiten lichtemittierenden Struktur absorbiert wird, tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1201 nach außen. Ein Teil des Lichts, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, wird in der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert und der verbleibende Teil tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1201 nach außen.
Die erste lichtemittierende Struktur kann auch durch das Licht angeregt werden, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur emittiert wird. Die erste lichtemittierende Struktur wird daher von dem Licht angeregt, das von der zweiten und dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, um Licht zu emittieren, das eine Wellenlänge aufweist, die für die erste lichtemittierende Struktur eindeutig ist. Eine Lichtemission mit hohem Wirkungsgrad mit unterdrücktem Verlust kann durch Stapeln/Anordnen der jeweiligen lichtemittierenden Strukturen unter Berücksichtigung der Positionsbeziehung betreffend der Lichtextraktionsrichtung erhalten werden. Durch die richtige Konstruktion der ersten, zweiten und dritten lichtemittierenden Struktur kann emittiertes Lichts von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1201 über einen breiten Wellenlängenbereich, umfassend den Infrarotbereich, den sichtbaren Bereich und den Ultraviolettbereich erhalten werden.
Gemäß der zuvor aufgeführten Beschreibung weist die erste lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge auf und die dritte lichtemittierende Struktur die kürzeste Emissionswellenlänge. Die zweite lichtemittierende Struktur kann jedoch die längste Emissionswellenlänge aufweisen. In diesem Fall erfüllen die jeweiligen Emissionswellenlängen zweite lichtemittierende Struktur > erste lichtemittierende Struktur > dritte lichtemittierende Struktur. In dieser Anordnung ist die Lichtausbreitung zum Einkristallsubstrat 1201, das heißt die Lichtextraktionsrichtung zu beachten. Das Licht, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, wird von der ersten und zweiten lichtemittierenden Struktur wie zuvor beschrieben absorbiert. Licht, das sich in der Lichtextraktionsrichtung ausbreitet, unterliegt jedoch keiner anderen Absorption als der zuvor genannten Absorption. Dies macht es einfach, eine lichtemittierende Struktur auszugestalten, um gewünschtes emittiertes Licht zu erhalten.
Ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die in 12 gezeigt ist, wird nachfolgend beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Als Ladungsträgergas wird Stickstoff verwendet. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Zuerst wird die Substrattemperatur auf 1.050°C eingestellt, und die Oberfläche des aus Saphir bestehenden Einkristallsubstrats 1201 wird in einer Wasserstoffatmosphäre gereinigt. Die Fläche wird dann in einer Ammoniakatmosphäre nitriert. Danach wird die Substratstemperatur auf 550°C eingestellt und die Pufferschicht 1202 wird durch Anwachsen von GaN gebildet. Beim Anwachsen dieses GaN wird als Galliumquelle Triethylgallium (TEG) verwendet, das einen niedrigen Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich bei einer niedrigen Temperatur von 550°C einfach zersetzt und nicht zulasst, dass Kohlenstoff, der ein Elementarbestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird.
Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 1201 bei 1.050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 1202 in einem Einkristall zu bilden. Ein GaN-Kristall wird auf der Pufferschicht 1202 gezüchtet, um die Kristallschicht 1203 zu bilden. Die Temperatur des Einkristallsubstrats 1201 wird dann auf 1,020°C eingestellt, Al_0,1Ga_0,9N wird gezüchtet, um die Mantelschicht 1204 zu bilden. Als Aluminiumquelle wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einem verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist.
Nachfolgend werden die Barriereschicht 1205, die untere aktive Schicht 1206, die Barriereschicht 1207, die aktive Zwischenschicht 1208, die Barriereschicht 1209, die Elektrodenschicht 1210, die Barriereschicht 1211, die obere aktive Schicht 1212, die Barriereschicht 1213, die Mantelschicht 1214, und die Kontaktschicht durch kontinuierliches Kristallwachstum (metallorganische Dampfphasen-Epitaxie) gebildet. Beim Wachstum dieser Schichten, die Indium enthalten, wird die Wachstumstemperatur auf ungefähr 500°C eingestellt, da der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck auf die Festphase von InN hoch ist. Als Indiumquelle wird Trimethylindium (TMI) verwendet. Als Galliumquelle wird beim Wachstum dieser Schichten, die Indium enthalten, TEG verwendet. Dies hat den Grund, dass sich TEG bei einer niedrigen Temperatur zersetzt und einen geringen Dampfdruck aufweist und somit für die Zusammensetzungssteuerung auf einer Kristallschicht im Vergleich zu TMG geeignet ist.
In diesem Fall wird beim Wachstum jeder Schicht, die Indium enthält, das Verhältnis (V/III) von Ammoniak als Stickstoffquelle zu einer Quelle der Gruppe III (TMI + TMA + TEG) auf 660.000 eingestellt, um eine qualitativ hochwertige Legierungsschicht zu züchten, indem das Abscheiden von metallischem Indium verhindert wird. Beim Wachstum der Schichten, die Indium enthalten, wird Stickstoff sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff als Ladungsträgergas oder Ähnliches die Zersetzung von Ammoniak unterdrückt (Referenz 5).
Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um eine vorbestimmte Schicht mit Si zu dotieren. Als Quelle für das Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Die Quelle ist eine Flüssigkeit, in die eine bessere Reproduzierbarkeit der Mg-Dotierungskonzentration zeigt, als bis(Cyclopentadienyl)magnesium, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Nachdem die Mantelschicht 1214 und die Kontaktschicht 1215 gebildet worden sind, wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das diesen Schichten hinzu gegeben wurde. Die strombegrenzende Isolierschicht 1216 aus SiO₂ ist auf der Kontaktschicht 1215 unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet, und ein Öffnungsfenster ist durch die bekannte Fotolithographietechnik und Ätztechnik in der Schicht gebildet. Nachdem das Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 1216 gebildet worden ist, werden nacheinander ein 50 nm starker Palladiumfilm, ein 30 nm starker Platinfilm und ein 200 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1216, umfassend das Öffnungsfenster, unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung aufgedampft, wodurch die p-Metallelektrode 1217 gebildet wird. Diese Metallschicht wird durch die Ablösetechnik strukturiert.
Die Barriereschicht 1211 und die Elektrodenschicht 1210 werden dann teilweise von der strombegrenzenden Isolierschicht 1216 durch die bekannte Fotolithographietechnik und die Ätztechnik entfernt, um einen Teil der Elektrodenschicht 1210 freizulegen. Die n-Metallelektrode 1218 wird auf dieser freigelegten Fläche gebildet. Kristallschichten, beispielsweise von der Kontaktschicht 1215 bis zur Barriereschicht 1211 können durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas als Ätzgas geätzt werden. Die n-Metallelektrode 1218 wird durch Stapeln eines 50 nm starken Titanfilms, eines 30 nm starken Platinfilms und eines 200 nm starken Goldfilms auf der freigelegten Fläche der Elektrodenschicht 1210 und durch Strukturieren der sich ergebenden Mehrschichtstruktur durch die bekannte Ablösetechnik gebildet.
Nachdem die p-Metallelektrode 1217 und die n-Metallelektrode 1218 auf die zuvor beschriebene Weise gebildet worden sind, wird die untere Fläche des Einkristallsubstrats 1201 poliert, um das Einkristallsubstrat 1201 von 450 μm, was die ursprüngliche Stärke ist, auf 200 μm zu verringern. Die untere Fläche wird hochglanzpoliert. Nachdem die untere Fläche des Einkristallsubstrats 1201 hochglanzpoliert worden ist, wird die sich ergebende Struktur gereinigt und das Einkristallsubstrat 1201 wird unter Verwendung eines Diamant-Schneidwerkzeugs auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch eine Einrichtung extrahiert wird. Die Einrichtungsgröße wird auf ungefähr 500 μm² eingestellt.
Wenn der sich ergebenden Einrichtung, die die p-Metallelektrode 1217 als Anode und die n-Metallelektrode 1218 als Katode aufweist, ein Strom zugeführt wird, wird bläulich weißes Licht beobachtet, das von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1201 austritt. Wie zuvor beschrieben, ist die Lichtemission, die durch diese Ausführungsform erhalten wird, bläulich weiß. Eine Emissionsfarbe mit einer gewünschten Charakteristik kann jedoch durch richtiges Steuern der Zusammensetzung einer Kristallschicht, die eine aktive Schicht bildet, und der Stärke der aktiven Schicht erhalten werden.
Durch richtiges Einstellen der Zusammensetzungen der Kristalle, die die jeweiligen aktiven Schichten bilden und der Stärke der Schichten, und durch Konstruieren von Emissionsfarben der jeweiligen Schichten kann eine Lichtemission nahe Weiß erhalten werden, selbst bei einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die zwei aktive Schichten aufweist, die durch eine Barriereschicht übereinander gestapelt sind.
[Sechste Ausführungsform]
13 zeigt ein Beispiel einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die aus drei Leuchtdioden gebildet ist, die auf dem gleichen Einkristallsubstrat gebildet sind, mittels eines Querschnitts in der Richtung der Filmstärke beim Kristallwachstum.
Diese Einrichtung umfasst die folgenden Schichten auf der oberen Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1301 aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃), dessen beide Oberflächen hochglanzpoliert sind: eine 20 nm starke Pufferschicht 1302 aus GaN und eine 4 μm starke Elektrodenschicht 1303 aus Si-dotiertem n-GaN. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1301 nicht auf Saphir beschränkt ist. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder LiGaO₂ hergestellt sein.
Auf der Elektrodenschicht 1303 sind eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1304 aus Si-dotiertem Al_0,1Ga_0,9N, ein Bereich A (erster lichtemittierender Abschnitt), ein Bereich B (zweiter lichtemittierender Abschnitt) und ein Bereich C (dritter lichtemittierender Abschnitt) gebildet. Die zuvor genannte Anordnung ist für die Bereiche A, B und C üblich, unterscheidet sich aber in ihren lichtemittierenden Bereichen, wie als Nächstes beschrieben wird. Zuerst umfasst der Bereich A auf der Mantelschicht 1304 eine d_A nm starke Barriereschicht 1305a aus Si-dotiertem n-Al_1-XAGa_XAN, eine aktive Schicht 1306a aus Al_1-YAGa_YAN und eine Barriereschicht 1307a aus Al_1-XAGa_XAN. Der Bereich B umfasst auf der Mantelschicht 1304 eine d_B nm starke Barriereschicht 1305b aus Si-dotiertem n-Al_1-XBGa_XBN, eine aktive Schicht 1306b aus In_1-YBGa_YBN und eine Barriereschicht 1307b aus Al_1-XBGa_XBN: der Bereich C umfasst auf der Mantelschicht 1304 eine d_C nm starke Barriereschicht 1305c aus Si-dotiertem n-Al_1-XCGa_XCN, eine aktive Schicht 1306c aus In_1-YCGa_YCN und eine Barriereschicht 1307c aus Al_1-XCGa_XCN.
Außerdem umfasst jeder der Bereiche A, B und C eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1308 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 1309 aus Mg-dotiertem p-GaN auf einer der entsprechenden Barriereschichten 1307a, 1307b und 1307c. Es ist zu beachten, dass InGaN, das jede aktive Schicht bildet, durch In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1) mit Y = 0 veranschaulicht ist.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1310, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen kreisförmige Öffnungsfenster aufweist, die jeweils einen Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweisen, um den Strominjektionsbereich zu begrenzen, ist allgemein in den Bereichen A, B und C gebildet. Eine p-Metallelektrode 1311, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit den jeweiligen Barriereschichten 1307a, 1307b und 1307c steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht gebildet. Die p-Metallelektrode 1311 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Nickelschicht und einer 200 nm starken Goldschicht gebildet ist.
Es ist zu beachten, dass eine n-Metallelektrode 1312 in einem anderen Bereich der Elektrodenschicht 1303 gebildet ist, als in den Bereichen A, B und C. Die n-Metallelektrode 1312 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Aluminiumschicht und einer 200 nm starken Goldschicht besteht.
Jede aktive Schicht ist von InN oder InGaN gebildet und enthält eine kleine Menge Ga. In den jeweiligen Bereichen A, B und C werden die Zusammensetzungen der aktiven Schichten und der Barriereschichten und die Stärken der aktiven Schichten so gesteuert, dass sie sich voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht es, eine gewünschte Lichtemissionsfarbe zu erhalten. Es ist zu beachten, dass die Bandabstandenergie jeder Barriereschicht so eingestellt ist, dass sie größer ist als die einer entsprechenden aktiven Schicht.
Die Verwendung von InN für jede aktive Schicht verbessert in hohem Maße die Reproduzierbarkeit und die In-Plane-Gleichförmigkeit des Substrats im Vergleich zur Verwendung von InGaN für jede aktive Schicht. Dies beruht darauf, dass sich die Zusammensetzung eines InGaN-Films in der Gasphase und in der Festphase beim Wachstumsprozess stark unterscheidet, was zu einer schlechten Steuerbarkeit führt.
9 zeigt ein Ergebnis der Zusammensetzungssteuerung bei InGaN. Beim Wachstum von InGa ist das Zusammensetzungsverhältnis einer Gasphase zu einer Festphase bei einer Wachstumstemperatur (Substrattemperatur) von 500°C linear. Es ist zu beachten, dass eine Zusammensetzung für InGaN in einem Bereich außerhalb des nicht mischbaren Bereichs, der in 6 gezeigt ist, ausgewählt wird. Bei einer Wachstumstemperatur von 800°C wird jedoch das Zusammensetzungsverhältnis einer Gasphase zu einer Festphase in einem Bereich, in dem das Zusammensetzungsverhältnis der Festphase von Indium (TMI) hoch ist, nichtlinear. Wie in dieser Grafik gezeigt, nimmt die Menge Indium, die in einem InGaN-Film beim Wachstumsprozess verwendet wird, bei der metallorganischen Dampfphasen-Epitaxie ab, da die Wachstumstemperatur zunimmt. Dies beruht darauf, dass der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck auf InN fünf Größenordnungen größer ist als der von GaN.
Wie zuvor beschrieben, beseitigt die Verwendung von InN für eine aktive Schicht die Notwendigkeit der Zusammensetzungssteuerung und ermöglicht es, die Reproduzierbarkeit eines Wachstumsprozesses und die Gleichförmigkeit der Kristallinität im Vergleich zur Verwendung von InGaN für eine aktive Schicht zu gewährleisten. Da grundsätzlich keine Phasentrennung auftritt, können außerdem Schichten mit gleichförmigen Zusammensetzungen erhalten werden.
In der Einrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird Licht, das von der unteren Flächenseite des Einkristallsubstrats 1301 austritt, als Ausgangslicht verwendet.
Die Durchmesser der Öffnungsabschnitte der strombegrenzenden Isolierschicht 1310 werden in den Bereichen A, B und C gleichförmig auf 20 μm eingestellt. Um Ausgangslicht zu erhalten, das einen gewünschten Farbton aufweist, kann der Durchmesser des Lochs in jedem Bereich verändert werden. Außerdem sind in der Einrichtung, die in 13 gezeigt ist, die Bereiche A, B und C auf einer geraden Linie angeordnet. Offensichtlicher Weise können sie jedoch auf willkürliche Art angeordnet sein.
Die allgemeine p-Metallelektrode 1311 ist an die Bereiche A, B und C angeschlossen. Die p-Metallelektroden können jedoch einzeln für die jeweiligen Bereiche vorgesehen sein. Außerdem hat diese Ausführungsform den Fall veranschaulicht, bei dem die drei Bereiche gebildet werden. Vier oder mehr Bereiche können jedoch auf einem einzelnen Substrat gebildet sein, um eine größere optische Leistung zu erhalten. In diesem Fall können viele Kombinationen von Bereichen, die jeweils durch drei Bereiche wie die von 13 gebildet werden, auf einem einzelnen Substrat montiert sein. Alternativ können Bereiche, die unterschiedliche Strukturen aufweisen, auf einem einzelnen Substrat montiert sein. Diese Anordnung ermöglicht es, den Bereich von Farbtönen optischer Leistung, die von der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung erzielt werden, auszuweiten und die optische Leistung zu erhöhen. Außerdem ist eine Mehrzahl von Kombinationen, die jeweils durch Bereiche zum jeweiligen Emittieren von roten, grünen und blauen Lichtstrahlen gebildet sind, in Form einer Matrix angeordnet, um eine Anzeige zu bilden.
Wie zuvor beschrieben, besteht, da eine Mehrzahl von lichtemittierenden Abschnitten, umfassend aktive Schichten, monolithisch auf einem einzelnen Substrat gebildet ist, keine Notwendigkeit, diskrete Einrichtung-Chips für eine Lichtemission mit drei Farben vorzusehen. Es ist keine besondere Herstellungsvorrichtung oder kein besonderes Herstellungsverfahren erforderlich, und es ist keine komplizierte Anpassung erforderlich. Daher kann eine Einrichtung bei geringeren Kosten bereitgestellt werden.
Außerdem kann gemäß der Einrichtung von 13 eine Mehrzahl Einrichtungen gleichzeitig auf einem einzelnen Substrat gebildet werden, da jede Einrichtung auf einer kleineren Fläche gebildet werden kann als beim Stand der Technik. Daher können, wenn Einrichtungs-Chips zu erhalten sind, indem sie ausgeschnitten werden, mehr Chips erhalten werden. Auch in dieser Hinsicht können aufgrund des so genannten Liefergrads Einrichtungen bei geringeren Kosten bereitgestellt werden. Da einzelne Einrichtungen gebildet werden können, können sie außerdem in kleineren Vorrichtungen montiert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 13 wird nachfolgend beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Als Ladungsträgergas wird Stickstoff verwendet. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Zuerst wird die Substrattemperatur auf 1.050°C eingestellt und die Oberfläche des Einkristallsubstrats 1301 aus Saphir wird in einer Ammoniakatmosphäre nitriert. Die Substrattemperatur wird dann auf 550°C eingestellt und die GaN-Pufferschicht 1302 wird durch Anwachsen von GaN gebildet. Beim Wachstum dieses GaN wird Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle verwendet, das einen niedrigen Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich einfach bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt und nicht zulässt, dass Kohlenstoff, der ein Elementarestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird.
Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 1301 bei 1.050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 1302 in einem Einkristall zu bilden. Die Temperatur des Einkristallsubstrats 1301 wird dann auf 1,020°C eingestellt, und Si-dotiertes n-GaN wird angewachsen, um die Elektrodenschicht 1303 zu bilden. Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren. Es ist zu beachten, dass die gleiche Quelle für das Si-Dotieren beim Wachstumsprozess jeder Schicht (später beschrieben) verwendet wird.
Nachfolgend werden die anderen Bereiche als Bereich A mit einem Siliziumoxidfilm bedeckt und Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N wird auf einem Abschnitt der Elektrodenschicht 1303, der in dem Bereich A freigelegt ist, um die Mantelschicht 1304 zu bilden, angewachsen. Der zuvor genannte Siliziumoxidfilm dient als selektive Wachstumsmaske. Als Aluminiumquelle wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist. Auf der Mantelschicht 1304 in dem Bereich A werden nacheinander Si-dotiertes n-Al_1-XAGa_XAN, In_1-YAGa_YAN und Al_1-XAGa_XAN durch aufeinander folgendes Kristallwachstum (metallorganische Dampfphasen-Epitaxie) abgewachsen, um die Barriereschicht 1305a, die aktive Schicht 1306a und die Barriereschicht 1307a zu bilden.
Nachdem die Barriereschicht 1307a gebildet worden ist, wird Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N aufgewachsen, um die Mantelschicht 1308 zu bilden. Mg-dotiertes p-GaN wird auf die Mantelschicht 1308 aufgewachsen, um die Kontaktschicht 1309 zu bilden. Als Quelle zum Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Diese Quelle ist eine Flüssigkeit, die bei der Reproduzierbarkeit der Dotierungskonzentration von Mg gegenüber bis(Cyclopentadienyl)magnesium vorteilhaft ist, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Beim Anwachsen dieser Schichten, die Indium umfassen, wird die Wachstumstemperatur auf ungefähr 500°C eingestellt, da der Sticktoff-Gleichgewichtsdampfdruck auf die Festphase von InN hoch ist. Als Indiumquelle wird Trimethylindium (TMI) verwendet. Als Galliumquelle beim Anwachsen dieser Schichten, die Indium umfassen, wird TEG verwendet. Dies hat den Grund, dass sich TEG bei niedriger Temperatur zersetzt und einen geringen Dampfdruck aufweist und somit für die Zusammensetzungssteuerung auf einer Kristallschicht im Vergleich zu TMG geeignet ist.
In diesem Fall wird beim Aufwachsen jeder Schicht, die Indium umfasst, das Verhältnis (V/III) von Ammoniak als Stickstoffquelle zu einer Quelle der Gruppe III (TMI + TMA + TEG) auf ungefähr 660.000 eingestellt, um eine qualitativ hochwertige Legierungsschicht zu züchten, indem die Abscheidung von metallischem Indium verhindert wird. Beim Anwachsen von Schichten, die Indium umfassen, wird Stickstoff sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff als Ladungsträgergas oder Ähnliches die Zersetzung von Ammoniak unterdrückt (Referenz 5). Die zuvor aufgeführte Beschreibung gilt für die Bereiche B und C (nachfolgend beschrieben).
Der Siliziumoxidfilm, der als selektive Wachstumsmaske aufgewachsen wird und die anderen Bereiche als den Bereich A bedeckt, wird unter Verwendung beispielsweise einer Fluorwasserstoffsäurelösung entfernt. Danach wird eine selektive Wachstumsmaske aus Siliziumoxid gebildet, um die anderen Bereiche als den Bereich B zu bilden. Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N wird auf die Elektrodenschicht 1303 angewachsen, die in dem Bereich B freigelegt ist, um die Mantelschicht 1304 zu bilden. Si-dotiertes n-Al_1-XBGa_XBN, In_1-YBGa_YBN und Al_1-XBGa_XBN werden nacheinander auf die Mantelschicht 1304 in dem Bereich B durch nachfolgendes Kristallwachstum angewachsen, um die Barriereschicht 1305b, die aktive Schicht 1306b und die Barriereschicht 1307b zu bilden. Nach der Bildung der Barriereschicht 1307b wird Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N aufgewachsen, um die Mantelschicht 1308 zu bilden. Mg-dotiertes p-GaN wird auf diese Mantelschicht angewachsen, um die Kontaktschicht 1309 zu bilden.
Die selektive Wachstumsmaske, die die anderen Bereiche als den Bereich B bedeckt, wird entfernt und eine selektive Wachstumsmaske, die die anderen Bereiche als den Bereich C bedeckt, wird gebildet. Danach wird auf die gleiche Weise wie zuvor beschrieben Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N auf die Elektrodenschicht 1303 angewachsen, die in dem Bereich C freigelegt ist, um die Mantelschicht 1304 zu bilden. Auf der Mantelschicht 1304 in dem Bereich C werden nacheinander Si-dotiertes n-Al_1-XCGa_XCN, In_1-YCGa_YCN und Al_1-XCGa_XCN auf der Mantelschicht 1304 in dem Bereich C durch nachfolgendes Kristallwachstum angewachsen, um die Barriereschicht 1305c, die aktive Schicht 1306c und die Barriereschicht 1307c zu bilden. Nach der Bildung der Barriereschicht 1307b wird Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N angewachsen, um die Mantelschicht 1308 zu bilden, und Mg-dotiertes p-GaN wird auf diese Mantelschicht angewachsen, um die Kontaktschicht 1309 zu bilden.
Nachfolgend wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das der Mantelschicht 1308 und der Kontaktschicht 1309 in den Bereichen A, B und C hinzu gegeben wurde. Die strombegren zende Isolierschicht 1310 aus SiO₂ ist auf der Kontaktschicht 1309 in den Bereichen A, B und C unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet und wird durch die bekannte Fotolithographietechnik und die Ätztechnik verarbeitet, um Öffnungsfenster für die jeweiligen Bereiche A, B und C zu bilden.
Nachdem die Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 1310 gebildet worden sind, werden nacheinander ein 50 nm starker Palladiumfilm, ein 30 nm starker Platinfilm und ein 200 nm starker Goldfilm auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1310, umfassend die Öffnungsfenster, unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung gestapelt, wodurch die p-Metallelektrode 1311 über die Bereiche A, B und C gebildet wird. Diese Metallschicht wird durch die Ablösetechnik strukturiert.
Die n-Metallelektrode 1312 ist auf einer anderen freigelegten Fläche der Elektrodenschicht 1303 als den Bereichen A, B und C gebildet. Die n-Metallelektrode 1312 wird durch Stapeln eines 50 nm starken Aluminiumfilms und eines 200 nm starken Goldfilms auf der freigelegten Fläche der Elektrodenschicht 1303 durch Strukturieren der sich ergebende Mehrschichtstruktur durch die bekannte Fotolithographietechnik und die Ätztechnik gebildet.
Ein Halbleiter-Laserresonator kann auch unter Verwendung der Schichtenanordnung von 13 ausgeführt sein, die die Ausgangsendfläche des Halbleiter-Laserresonators zeigt. In diesem Fall ist eine Rille mit einer Breite von 1,5 μm in der strombegrenzenden Isolierschicht 1310 gebildet, um sich in einer Normalenrichtung zur Zeichnungsfläche zu erstrecken, so dass die zwei Enden jedes der Bereiche A, B und C erreichen. Die p-Metallelektrode 1311 ist entlang jeder Rille gebildet. Es ist zu beachten, dass die Bereiche A, B und C in Intervallen von 10 μm angeordnet sind. Die Ausgangsendfläche ist durch Spalten gebildet, und ein optischer Ausgang ist von dieser Ausgangsendfläche in der Normalenrichtung zur Zeichnungsfläche extrahiert.
[Siebte Ausführungsform]
14A und 14B zeigen eine LED (Leuchtdiode), die die folgenden Schichten auf der oberen Fläche eines 300 μm starken Einkristallsubstrats 1401 aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) umfasst, dessen beide Oberflächen, das heißt die obere und die untere Fläche hochglanzpoliert sind: eine 20 nm starke Pufferschicht 1402 aus GaN, eine 4 μm starke Elektrodenschicht 1403 aus Si-dotiertem GaN und eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1404 aus Si-dotiertem n-Al_0,1Ga_0,9N. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1401 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Eine aktive Schicht 1405, die in 15B gezeigt ist, ist auf der Mantelschicht 1404 gebildet. Die aktive Schicht 1405 weist eine Struktur auf, in der eine Mehrzahl Inselabschnitte 1405a aus InN in der gleichen Ebene angeordnet ist. Beispielsweise ist jeder Inselabschnitt 1405a so gebildet, dass er einen Durchmesser von ungefähr 10 nm und eine Höhe von ungefähr 3 nm aufweist. Dadurch, dass die Größe jedes Inselabschnitts 1405a so eingestellt ist, dass sie gleich oder kleiner ist als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons, kann auf diese Weise ein Quanteneffekt erhalten werden. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die auf der aktiven Schicht 1405 basiert, wird nahezu durch die Größe jedes Inselabschnitts 1405a bestimmt. Es ist zu beachten, dass die Größe jedes Inselabschnitts 1405a nicht darauf beschränkt ist, gleich oder kleiner als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons zu sein und größer sein kann.
Obgleich 14B die Inselabschnitte 1405a zeigt, die halbkugelförmige Formen aufweisen, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die Inselabschnitte 1405a eine zylindrische, prismenförmige, pyramidenförmige oder kegelförmige Form aufweisen. Außerdem sind mit Bezug auf 14B die Inselabschnitte 1405a in gleichen Intervallen angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Inselabschnitte 1405a können in nicht gleichförmigen Intervallen angeordnet sein. Außerdem können die jeweiligen Inselabschnitte 1405a so ausgebildet sein, dass sie vollständig voneinander isoliert sind oder miteinander durch dünne InN-Filme verbunden sind, wodurch die Inselabschnitte 1405a gebildet werden. Es ist zu beachten, dass die jeweiligen Inselabschnitte 1405a so ausgebildet sind, dass sie fast die gleiche Größe aufweisen, um Licht zu erhalten, das mit einem schmalen Spektralbereich emittiert wird. Um das Licht zu erhalten, das mit breitem Spektralbereich von dieser Einrichtung emittiert wird, kann sich natürlich die Größe der Inseln unterscheiden.
Die aktive Schicht 1405, die von der Mehrzahl Inselabschnitte 1405a auf die zuvor genannte Weise gebildet wird, wird mit einer 10 nm starken Wachstumsdeckschicht (Barriereschicht) 1406 aus undotiertem GaN bedeckt.
Eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1407 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 1408 aus Mg-dotiertem p-GaN sind auf der Wachstumsdeckschicht 1406 gebildet. Eine strombegrenzende Isolierschicht 1409, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm zum Begrenzen eines Strominjektionsbereichs aufweist, ist auf der Kontaktschicht 1408 gebildet.
Eine p-Metallelektrode 1410, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 1408 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1409 gebildet. Die p-Metallelektrode 1410 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Nickelschicht, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1408 steht, und einer darauf gebildeten 200 nm starken Goldschicht besteht. Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 1403 einen freigelegten Bereich aufweist, der durch teilweises Ätzen der Metallschicht und der darauf gebildeten Kristallschicht gebildet wird, und eine n-Metallelektrode 1411 in diesem freigelegten Bereich. Die n-Metallelektrode 1411 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Aluminiumschicht besteht, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, und eine 200 nm starke Goldschicht, die darauf gebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen der Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform, die in 14A und 14B gezeigt ist, wird nachfolgend beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, die einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Als Ladungsträgergas wird Stickstoffgas verwendet. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Zuerst wird die Substrattemperatur auf 1.050°C eingestellt und die Fläche des Einkristallsubstrats 1401, das aus Saphir besteht, wird in einer Ammoniakatmosphäre nitriert. Danach wird die Substrattemperatur auf 550°C eingestellt, und die Pufferschicht 1402 wird durch Aufwachsen von GaN gebildet. Beim Wachstum des GaN wird Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle verwendet, das einen niedrigeren Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich einfach bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt und nicht zulässt, dass Kohlenstoff, der ein Elementarbestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird. Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 1401 bei 1.050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 1402 in einem Einkristall zu bilden.
Die Temperatur des Einkristallsubstrats wird dann auf 1.020°C eingestellt und Si-dotiertes n-GaN und Si-dotiertes n-Al_0,1Ga_0,9N werden nacheinander angewachsen, um die Elektrodenschicht 1403 und die Mantelschicht 1404 zu bilden. Als Aluminiumquelle für das Dampfphasenwachstum dieser Schichten wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist. Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren.
InN wird dann in Form von Inseln auf die Mantelschicht 1404 angewachsen, um die aktive Schicht 1405 zu bilden, die von der Mehrzahl Inselabschnitte 1405a gebildet wird. Beim Bilden der Inselabschnitte 1405a wird zuerst InN in Form eines Films oder eines filmähnlichen Zustands auf die Mantelschicht 1404 angewachsen. Beim Wachstum von InN wird die Substrattemperatur auf 500°C eingestellt, da der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck auf die Festphase von InN hoch ist. Außerdem wird bei dem Dampfphasenwachstum Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle verwendet. Bei diesem Wachstumsprozess wird das Verhältnis von Ammoniak zu TMI, das heißt V/III auf 660.000 eingestellt, um qualitativ hochwertiges InN zu züchten, indem die Abscheidung von metallischem Indium verhindert wird. Stickstoff wird sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff die Zersetzung von Ammoniak unterdrückt.
Nachdem InN in Form eines Films auf die zuvor genannte Weise gezüchtet worden ist, wird der Film in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 20 Minuten lang erwärmt. Die filmähnliche InN-Schicht wird durch diese Erwärmung in der Mehrzahl Inselabschnitte 1405a gebildet.
Die Inselabschnitte 1405a können auf folgende Weise gebildet werden. Qualitativ hochwertiges InN wird unter Verwendung der zuvor genannten Quellengase gezüchtet, während die Abscheidung von metallischem Indium verhindert wird, wobei das V/III-Verhältnis, die Wachstumstemperatur und die Wachstumsgeschwindigkeit so ausgelegt sind, dass die Wanderung von Indiumatomen unterstützt wird, die auf der Unterschicht absorbieren, wodurch InN in Form von Inseln gezüchtet wird.
Um das Ätzen auf der aktiven Schicht 1405 und eine Verschlechterung der Kristallinität dieser Schicht zu unterdrücken, wird dann bei gleicher Wachstumstemperatur wie die für InN unter Verwendung eines Stickstoff-Ladungsträgergases GaN gezüchtet, um die Wachstumsdeckschicht 1406 zu bilden, die die Inselabschnitte 1405a bedeckt. Die Wachstumsdeckschicht 1406 wird zu einer Barriereschicht in Bezug auf die Mehrzahl Inselabschnitte 1405a, die aus InN bestehen.
Nachdem die Wachstumsdeckschicht 1406 gebildet worden ist, wird die Substrattemperatur auf 1.020°C erhöht, um die Qualität der Wachstumsdeckschicht 1406 zu verbessern. Nachfolgend werden nacheinander Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N und Mg-dotiertes p-GaN angewachsen, um die Mantelschicht 1407 und die Kontaktschicht 1408 zu bilden. Als Quelle für das Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Diese Quelle ist eine Flüssigkeit, die bei der Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Dotierungskonzentration von Mg gegenüber bis(Cyclopentadienyl)magnesium vorteilhaft ist, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist.
Nachdem die Mantelschicht 1407 und die Kontaktschicht 1408 gebildet worden sind, wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das diesen Schichten hinzu gegeben worden ist.
Nachdem die jeweiligen zuvor beschriebenen Kristallschichten gebildet worden sind, wird die strombegrenzende Isolierschicht 1409 aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 1408 unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet, und ein Öffnungsfenster wird in der strombegrenzenden Isolierschicht unter Verwendung der Fotolithographietechnik und der Ätztechnik gebildet.
Nachdem das Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 1409 gebildet worden ist, werden nacheinander ein 50 nm starker Nickelfilm und ein 100 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1409, umfassend das Öffnungsfenster, unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung gestapelt, wodurch eine Metallschicht gebildet wird, die als p-Metallelektrode 1410 dient. Danach wird eine auf Novolac basierende positive Fotolackstruktur mittels der bekannten Fotolithographietechnik gebildet, und die Unterschicht wird unter Verwendung dieser Struktur als eine Maske geätzt, um einen freigelegten Bereich auf der Elektrodenschicht 1403 zu bilden. Dieses Ätzen beispielsweise Ätzen der Kristallschicht, erfolgt durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas.
Nach dem Ätzen für die Bildung des vorgenannten freigelegten Bereichs, dem Entfernen der Fotolackstruktur, und dem Reinigen des Einkristallsubstrats 1401 und der darauf gebildeten Struktur werden nacheinander ein 50 nm starker Aluminiumfilm und ein 200 nm starker Goldfilm auf dem freigelegten Bereich der Elektrodenschicht 1403 aufgedampft, und die sich ergebende Struktur wird strukturiert, um die n-Metallelektrode 1411 zu bilden.
Nachdem der Herstellungsprozess bis zur Bildung der n-Metallelektrode 1411 auf die zuvor genannte Weise beendet worden ist, wird die sich ergebende Struktur gereinigt und das Einkristallsubstrat 1401 unter Verwendung eines Diamant-Schneidwerkzeugs auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch eine Einrichtung extrahiert wird. Wenn der gewonnenen Einrichtung ein Strom zugeführt wird, damit sie arbeitet, wird emittiertes Licht von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1401 erhalten.
Wie zuvor beschrieben, besteht die aktive Schicht 1405 aus der Mehrzahl Inselabschnitte 1405a, die in Form von Inseln isoliert sind. Mit anderen Worten besteht die aktive Schicht 1405 aus einer Ansammlung diskreter Quantum-Well-Strukturen oder einer Mehrzahl Quantenpunkte. In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die diese Anordnung aufweist, ändert sich die Emissionswellenlänge abhängig von der Form jedes Inselabschnitts 1405a und der Zusammensetzung und Stärke jeder Schicht (Wachstumsdeckschicht 1406), die gebildet ist, um die Inselabschnitte 1405a zu bedecken. Dies beruht darauf, dass die Bandabstandenergie von InN, das die Inselabschnitte 1405a bildet, sich abhängig von einem Druck (hydrostatischer Druck) ändert, der dreidimensional auf die Inselabschnitte 1405a aus InN angelegt wird.
InGaAlN-basierende Materialien wie InN unterscheiden sich in ihren Gitterkonstanten in einem breiten Bereich im Vergleich zu InGaAsP-basierten Materialien, und somit kann ein hoher hydrostatische Druck einfach auf die Inselabschnitte 1405a angelegt werden, indem sie mit einer Schicht mit einer veränderten Zusammensetzung bedeckt werden. Die Verwendung eines InGaAlN-basierten Materials kann daher die Bandabstandenergie der Inselabschnitte 1405a im Vergleich zur Verwendung eines InGaAsP-basierten Materials in hohem Maße zu ändern.
Da die Bandabstandenergie auf diese Weise in hohem Maße verändert werden kann, können gemäß der Einrichtung von 14A und 14B Lichtemissionen in einem breiten Wellenlängenbereich von nahe 1,6 μm, was die Brandabstand-Wellenlänge von InN ist, bis zum Ultraviolettbereich erhalten werden, wobei Wellenlängen unterhalb von 1,3 μm nicht von der Erfindung umfasst sind.
Selbst wenn die Inselabschnitte 1405a aus einem anderen InGaAlN-basierten Material wie InGaN bestehen, kann ein ähnlicher Effekt wie die zuvor genannten erhalten werden. In dem die Inselabschnitte 1405a unter Verwendung von In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) mit einem größeren Brandabstand als InN gebildet werden, kann eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung erhalten werden, die ausgelegt ist, Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu emittieren.
Wenn die Inselabschnitte 1405a unter Verwendung von InN gebildet werden, kann eine hohe Reproduzierbarkeit und In-Plane-Gleichförmigkeit bei der Herstellung der Inselabschnitte 1405a im Vergleich zur Verwendung von InGaN erhalten werden. Die Gründe dafür werden als Nächstes beschrieben.
Grund 1
Beim Dampfphasenwachstum eines anderen Materials als InN, z. B. InGaN, unterscheidet sich die Zusammensetzung jedes Elements in einer Gasphase in hohem Maße von der in einer Festphase.
Wie in 9 gezeigt, nimmt das Verhältnis von In in InGaN zu, indem das Zuführverhältnis (TMI/(TMI + TEG)) von Trimethylindium (TMI) zur Summe von Triethylgallium (TEG) und TMI geändert wird.
Diese Beziehung Gasphase/Festphase ist bei einer Wachstumstemperatur von 500°C linear. Wenn jedoch die Wachstumstemperatur auf 800°C erhöht wird und InGaN mit einer hohen In-Zusammensetzung gezüchtet wird, wird die Beziehung Gasphase/Festphase nichtlinear.
Außerdem nimmt bei einem Temperaturanstieg die Menge des eingebrachten Indiums ab. Dies beruht darauf, dass der Stickstoff-Gleichgewichtsdampfdruck von InN fünf Größenordnungen größer ist als der von GaN.
Grund 2
Im Falle von InGaN tritt, wie in 6 gezeigt, häufig Phasentrennung auf.
Unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen gibt es einen Zusammensetzungsbereich, der nicht angewachsen werden kann, das heißt einen breiten Bereich, in dem Phasentrennung auftritt. Da InN eine binäre Verbindung ist, tritt jedoch grundsätzlich keine Phasentrennung wie die zuvor beschriebene auf. Die Verwendung von InN kann daher eine hohe Reproduzierbarkeit und In-Plane-Gleichförmigkeit bei der Herstellung der Inselabschnitte 1405a erzielen.
Grund 3
Die Unterschiede in der Absorptionsgeschwindigkeit und der Migrationsgeschwindigkeit zwischen In-Atomen und Ga-Atomen auf der Mantelschicht 1404 sind auch große Faktoren.
Mit Bezug auf 14A ist die aktive Schicht 1405 von einer Schicht mit der Mehrzahl Inselabschnitte 1405a gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die aktive Schicht 1405 kann durch Stapeln einer Mehrzahl Schichten, die jeweils aus einer Mehrzahl Inselabschnitte in 1405a bestehen, durch die Wachstumsdeckschicht 1406 gebildet sein.
[Achte Ausführungsform]
15 zeigt ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform. Diese Einrichtung ist eine Weißlicht-emittierende Diode, die drei lichtemittierende Schichten aufweist. 15 zeigt eine Querschnittansicht der Einrichtung in einer Richtung der Stärke des Kristallwachstums.
Die Leuchtdiode umfasst die folgenden Schichten auf der Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1501, das aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃) besteht: eine 20 nm starke Pufferschicht 1502 aus GaN und eine 4 μm starke Elektrodenschicht 1503 aus Si-dotiertem n-GaN. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1501 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Auf der Elektrodenschicht 1503 sind die folgenden Schichten gebildet: eine Barriereschicht 1504 aus Si-dotiertem n-InGaAlN, eine untere aktive Schicht 1505, die als Quantum-Well dient und aus In_XGa_1-XN besteht, eine Barriereschicht 1506 aus InGaAlN, eine aktive Zwischenschicht 1507, die als Quantum-Well dient und aus In_YGa_1-YN besteht und eine Barriereschicht 1508 aus InGaAlN. Es ist zu beachten, dass in der unteren aktiven Schicht 1505 und der aktiven Zwischenschicht 1507 X < Y gilt. Die Barriereschichten 1506 und 1508 können als n-Schichten gebildet sein, die mit einer kleineren Menge Si dotiert sind als die für die verbleibenden Schichten.
Eine obere aktive Schicht 1509, die von einer Schicht gebildet ist, die eine Struktur aufweist, in der eine Mehrzahl Inselabschnitte aus InN in der gleichen Ebene angeordnet sind, ist auf der Barriereschicht 1508 gebildet.
Beispielsweise weist jeder der Mehrzahl Inselabschnitte, die auf der oberen aktiven Schicht 1509 gebildet ist, einen Durchmesser von ungefähr 10 nm und eine Höhe von ungefähr 3 nm auf, wie die Inselabschnitte 1405a, die in 14B gezeigt sind. Indem die Größe jedes Inselabschnitts so eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner als die Wellengeschwindigkeit eines Elektrons ist, kann auf diese Weise ein Quanteneffekt erzielt werden. Die Emissionswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die auf der aktiven Schicht 1509 basiert, wird nahezu durch die Größe jedes Inselabschnitts bestimmt. Es ist zu beachten, dass die Größe jedes Inselabschnitts nicht darauf beschränkt ist, gleich oder kleiner als die Wellengeschwindigkeit eines Elektrons zu sein und größer sein kann.
Es ist zu beachten, dass die Form jedes Inselabschnitts nicht auf eine Halbkugelform beschränkt ist. Beispielsweise können die Inselabschnitte eine zylindrische, prismenförmige, pyramidenförmige oder kegelförmige Form aufweisen. Außerdem können die Inselabschnitte in gleichen Intervallen angeordnet sein oder in ungleichmäßigen Intervallen angeordnet sein. Außerdem sind die jeweiligen Strukturen lokalisiert, je kürzer die Emissionswellenlängen werden (je größer die Bandabstände werden). Daher tritt Licht, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1501 aus, ohne von der zweiten lichtemittierenden Struktur und der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert zu werden.
Licht, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur ersten Strukturseite austritt, tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1101 aus, ohne von der ersten Struktur absorbiert zu werden. Licht, das von der zweiten Struktur emittiert wird, das zur dritten lichtemittierenden Strukturseite austritt, wird teilweise von der dritten Struktur absorbiert. Die dritte Struktur wird angeregt, um Licht durch das Licht zu emittieren, das von der dritten Struktur absorbiert wird. Das heißt, das Licht, das von der zweiten lichtemittierenden Struktur austritt und von der dritten lichtemittierenden Struktur absorbiert wird, wird in Licht gewandelt, das eine Wellenlänge aufweist, die gleich der von Licht ist, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert wird. Dieses Licht trat von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1501 aus, ohne von der zweiten und ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert zu werden.
Ein Teil des Lichts, das von der ersten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zum Einkristallsubstrat 1501 austritt, tritt direkt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1501 aus. Ein Teil des Lichts, das von der ersten lichtemittierenden Struktur emittiert wird, das zur zweiten und dritten lichtemittierenden Struktur austritt, wird teilweise von jeder lichtemittierenden Struktur absorbiert, um in Licht gewandelt zu werden, das eine Wellenlänge aufweist, die gleich der von Licht ist, das von jeder lichtemittierenden Struktur emittiert wird. Wie zuvor beschrieben, tritt jedes gewandelte Licht als Licht von einer entsprechenden Struktur der lichtemittierenden Strukturen von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1501 aus. Auf diese Weise kann eine Lichtemission mit hohem Wirkungsgrad durch Ausgestalten der Stapelreihenfolge von lichtemittierenden Schichten unter Berücksichtigung der Positionsbeziehung betreffend die Lichtextraktionsrichtung erzielt werden. Es ist zu beachten, dass die Beziehung der Emissionswellenlänge zwischen den jeweiligen lichtemittierenden Strukturen nicht auf die zuvor beschriebene beschränkt ist. Beispielsweise kann die zweite lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge aufweisen.
Wenn ein Strom der sich ergebenden Einrichtung zugeführt wird, der die p-Metallelektrode 1514 als Anode und die n-Metallelektrode 1515 als Katode aufweist, wird bläulich weißes Licht beobachtet, das von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1501 austritt. Die Farbe der Lichtemissionen, die von dieser lichtemittierenden Halbleitereinrichtung erzielt wird, kann verändert werden, indem die Strukturfaktoren jeder aktiven Schicht, das heißt die Zusammensetzung und Stärke jeder Schicht, der Durchmesser jedes Inselabschnitts und die Zusammensetzung und Stärke einer Kristallschicht (Barriereschicht) um jeden Bereich geändert werden.
In der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 15 sind die drei aktiven Schichten übereinander durch die Barriereschichten gestapelt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Indem die Zusammensetzungen von Kristallen, die die jeweiligen aktiven Schichten bilden und die Stärken der Schichten richtig eingestellt werden und Emissionsfarben der jeweiligen Schichten ausgestaltet werden, kann eine Lichtemission nahe Weiß erzielt werden, selbst von einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die zwei aktive Schichten aufweist, die aufeinander durch eine Barriereschicht gestapelt sind.
Außerdem kann die untere aktive Schicht 1505 oder die aktive Zwischenschicht 1507 aus einer Mehrzahl Inselabschnitte aus InGaN oder InN bestehen.
Gemäß der Einrichtung von 15, wie bei der Einrichtung von 11, ist es nicht erforderlich, diskrete Einrichtungschips für die Lichtemission mit drei Farben bereitzustellen. Es ist keine spezielle Herstellungsvorrichtung oder kein spezielles Herstellungsverfahren erforderlich oder es ist keine komplizierte Anpassung erforderlich. Daher kann gemäß der Einrichtung von 15 eine Einrichtung bei geringeren Kosten bereitgestellt werden.
Außerdem kann gemäß der Einrichtung von 15, da jede Einrichtung auf einer kleineren Fläche gebildet werden kann als beim Stand der Technik, eine Mehrzahl Einrichtungen gleichzeitig auf einem einzelnen Substrat gebildet werden. Daher können mehr Chips erhalten werden, wenn lichtemittierende Halbleitereinrichtungs-Chips zu erhalten sind, indem sie ausgeschnitten werden. Auch in dieser Hinsicht können aufgrund des so genannten Liefergrads Einrichtungen bei geringeren Kosten bereitgestellt werden. Da die Einrichtungen gebildet werden können, können sie außerdem in kleineren Vorrichtungen montiert werden.
[Neunte Ausführungsform]
16 zeigt ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Einrichtung ist eine Weißlicht-emittierende Diode, die drei lichtemittierende Schichten aufweist. 16 zeigt eine Querschnittansicht dieser Einrichtung in einer Richtung der Stärke des Kristallwachstums.
Die Leuchtdiode umfasst die folgenden Schichten auf der Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1601 aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃): eine 20 nm starke Pufferschicht 1602 aus GaN und eine 1 μm starke Halbleiterschicht 1603 aus GaN. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1601 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Die folgenden Schichten sind auf der Halbleiterschicht 1603 gebildet: eine 1 μm starke Mantelschicht 1604 aus AlGaN, eine Barriereschicht 1605 aus InGaAlN und eine untere aktive Schicht 1606, die von einer Schicht gebildet ist, die eine Struktur aufweist, in der eine Mehrzahl Inselabschnitte aus InN in der gleichen Ebene angeordnet ist. Beispielsweise ist jeder der Mehrzahl Inselabschnitte, die die untere aktive Schicht 1606 bildet, so gebildet, dass er einen Durchmesser von ungefähr 10 nm und eine Höhe von ungefähr 3 nm aufweist, ähnlich wie die Inselabschnitte 1405a von 14B. Indem die Größe jedes Inselabschnitts 1405a so eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner ist als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons, kann auf diese Weise ein Quanteneffekt erzielt werden. Die Emissionswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die auf der unteren aktiven Schicht 1606 basiert, wird nahezu durch die Größe jedes Inselabschnitts bestimmt. Es ist zu beachten, dass die Größe jedes Inselabschnitts 1405a nicht darauf beschränkt ist, gleich oder kleiner zu sein als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons, und größer sein kann.
Es ist zu beachten, dass die Form jedes Inselabschnitts nicht auf eine Halbkugelform beschränkt ist. Beispielsweise können die Inselabschnitte eine zylindrische, prismenförmige, pyramidenförmige oder kegelförmige Form aufweisen. Außerdem können die Inselabschnitte in gleichen Intervallen angeordnet sein oder in ungleichmäßigen Intervallen angeordnet sein. Außerdem können die jeweiligen Inselabschnitte so gebildet sein, dass sie vollständig voneinander isoliert sind oder so, dass sie miteinander durch dünne InN-Filme verbunden sind, die die Inselabschnitte bilden. Es ist zu beachten, dass die jeweiligen Inselabschnitte so gebildet sind, dass sie fast die gleiche Größe aufweisen.
Die untere aktive Schicht 1606, die von einer Mehrzahl Inselabschnitte gebildet ist, die auf die zuvor genannte Weise gebildet ist, ist mit einer Barriereschicht 1607 aus InGaAlN bedeckt. Eine aktive Zwischenschicht 1608, die aus In_YGa_1-YN besteht und als Quantum-Well dient und eine Barriereschicht 1609 aus InGaAlN sind auf der Barriereschicht 1607 gebildet.
Eine Elektrodenschicht 1610 aus Si-dotiertem n-GaN ist auf der Barriereschicht 1609 gebildet. Eine Barriereschicht 1611 aus Si-dotiertem n-InGaAlN ist auf der Elektrodenschicht 1610 gebildet. Eine obere aktive Schicht 1612, die aus In_XGa_1-XN besteht und als Quantum-Well dient, ist auf der Barriereschicht 1611 gebildet. Es ist zu beachten, dass in der aktiven Zwischenschicht 1608 und der oberen aktiven Schicht 1612 X < Y gilt.
Eine Barriereschicht 1613 aus Mg-dotiertem p-InGaAlN ist auf der oberen aktiven Schicht 1612 gebildet. Eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1614 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 um starke Kontaktschicht 1615 aus Mg-dotiertem p-GaN sind auf der Barriereschicht 1613 gebildet.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1616, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, ist auf der Kontaktschicht 1615 gebildet. Eine p-Metallelektrode 1617, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 1615 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1616 gebildet. Obgleich nicht dargestellt, weist die p-Metallelektrode 1617 eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Palladiumschicht, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1615 steht, einer darauf gebildeten 30 nm starken Platinschicht und einer darauf gebildeten 200 nm starken Goldschicht besteht.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1616, die aus SiO₂ besteht und ein im Wesentlichen kreisförmiges Öffnungsfenster mit einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, ist auf der Kontaktschicht 1615 gebildet. Eine p-Metallelektrode 1617, die durch das Öffnungsfenster in Kontakt mit der Kontaktschicht 1615 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1616 gebildet. Obgleich nicht gezeigt, weist die p-Metallelektrode 1617 eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Palladiumschicht, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1615 steht, einer darauf gebildeten 30 nm starken Platinschicht und einer darauf gebildeten 200 nm starken Goldschicht besteht.
Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 1610 einem freigelegten Bereich aufweist, der durch teilweises Ätzen der darauf gebildeten jeweiligen Schichten gebildet ist, und eine n-Metallelektrode 1618 ist in diesem freigelegten Bereich gebildet. Obgleich nicht gezeigt, weist die n-Metallelektrode 1618 eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Titanschicht, die in direktem Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, einer 30 nm starken Platinschicht und einer 200 nm starken Goldschicht besteht. Die zuvor genannte lichtemittierende Halbleitereinrichtung kann durch das gleiche Verfahren hergestellt werden, wie das, das für die in 14A gezeigte Ausführungsform verwendet wurde.
In der Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform, die die zuvor genannte Anordnung aufweist, ist die erste lichtemittierende Struktur durch die Barriereschicht 1605, die untere aktive Schicht 1606 und die Barriereschicht 1607 gebildet. Die zweite lichtemittierende Struktur ist durch die Barriereschicht 1607, die aktive Zwischenschicht 1608 und die Barriereschicht 1609 gebildet. Die dritte lichtemittierende Struktur ist durch die Barriereschicht 1611, die obere aktive Schicht 1612 und die Barriereschicht 1613 gebildet.
Die Emissionswellenlängen der jeweiligen lichtemittierenden Strukturen werden durch Steuern der Zusammensetzungen und Stärken der jeweiligen aktiven Schichten eingestellt, so dass die erste lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge aufweist und die dritte lichtemittierende Struktur die kürzeste Wellenlänge aufweist. Das heißt, je weiter sich die lichtemittierenden Strukturen zum Einkristallsubstrat 1601 entfernt befinden, desto kürzer werden die Emissionswellenlängen (desto größer werden die Bandabstände). Daher wird Licht, das von der dritten lichtemittierenden Struktur nach der Strominjektion emittiert wird, teilweise von der zweiten und ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert und der verbleibende Teil, der nicht absorbiert wird, tritt von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1601 aus.
Die zweite lichtemittierende Struktur wird von dem Licht angeregt, das von der dritten lichtemittierenden Struktur emittiert und von der zweiten lichtemittierenden Struktur absorbiert wurde. Folglich wird eine Lichtemission mit einer Wellenlänge erzeugt, die eindeutig für die zweite lichtemittierende Struktur ist. Ein Teil der Lichtemission, die von der zweiten lichtemittierenden Struktur erzeugt wird, wird in der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert und der verbleibende Teil, der nicht in der ersten lichtemittierenden Struktur absorbiert wird, tritt von dem Einkristallsubstrat 1601 aus. Zuletzt absorbiert die erste lichtemittierende Struktur das Licht von der dritten und zweiten lichtemittierenden Struktur. Die erste lichtemittierende Struktur wird von dem absorbierten Licht erregt, um eine Lichtemission mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die eindeutig für die erste lichtemittierende Struktur ist. Das Licht tritt auch von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1601 aus.
Wie zuvor beschrieben, kann auch in dieser lichtemittierenden Halbleitereinrichtung von 16 eine Weißlichtemission mit hohem Wirkungsgrad bei geringem Verlust erzielt werden, indem die Stapelreihenfolge der ersten bis dritten lichtemittierenden Strukturen unter Berücksichtigung der Positionsbeziehung in Bezug auf das Einkristallsubstrat 1601, das als Lichtextraktionsfenster dient, ausgestaltet wird. Die richtige Ausgestaltung der ersten bis dritten lichtemittierenden Strukturen kann Lichtemissionen in einem breiten Wellenlängenbereich, umfassend den Infrarotbereich, den sichtbaren Bereich und den Ultraviolettbereich, erzielen. Es ist zu beachten, dass die Emissionswellenlängen-Beziehung zwischen den jeweiligen lichtemittierenden Strukturen nicht auf die zuvor beschriebene beschränkt ist. Beispielsweise kann die zweite lichtemittierende Struktur die längste Emissionswellenlänge aufweisen.
Wenn beispielsweise der sich ergebenden Einrichtung, die die p-Metallelektrode 1617 als Anode und die n-Metallelektrode 1618 als Katode aufweist, ein Strom zugeführt wird, wird bläulich weißes Licht beobachtet, das aus der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1601 austritt. Die Farbe der Lichtemission, die von dieser lichtemittierenden Halbleitereinrichtung erhalten wird, kann geändert werden, indem die Strukturfaktoren jeder aktiven Schicht gesteuert werden, das heißt die Zusammensetzung und Stärke jeder Schicht, der Durchmesser jedes Inselabschnitts und die Zusammensetzung und Stärke einer Kristallschicht (Barriereschicht) um jeden Bereich.
In 16 sind die drei aktiven Schichten durch die Barriereschichten übereinander gestapelt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Indem die Zusammensetzungen von Kristallen, die die jeweiligen aktiven Schichten bilden, und die Stärke der Schichten richtig eingestellt werden und die Emissionsfarben der jeweiligen Schichten ausgestaltet werden, kann selbst durch eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung, die zwei aktive Schichten aufweist, die durch eine Barriereschicht übereinander gestapelt sind, eine Lichtemission nahe Weiß erzielt werden.
Außerdem können die aktive Zwischenschicht 1608 und die obere aktive Schicht 1612 von einer Mehrzahl Inselabschnitte aus InGaN oder InN gebildet sein.
Ein Herstellungsverfahren wird als Nächstes beschrieben. Eine Ausrüstung für metallorganische Dampfphasen-Epitaxie, das einen vertikalen Reaktor aufweist, wird für das Kristallwachstum zur Bildung jeder Kristallschicht verwendet. Als Stickstoffquelle wird Ammoniak verwendet. Es ist zu beachten, dass als Ladungsträgergas Wasserstoffgas verwendet wird, sofern es nicht anders spezifiziert ist. Der Wachstumsdruck wird auf atmosphärischen Druck eingestellt.
Zuerst wird die Substrattemperatur auf 1.050°C eingestellt und die Fläche des Einkristallsubstrats 1601 aus Saphir wird in einer Ammoniakatmosphäre nitriert. Danach wird die Substrattemperatur auf 550°C eingestellt und die Pufferschicht 1602 wird durch Anwachsen von GaN gebildet. Beim Wachstum des GaN wird Triethylgallium (TEG) als Galliumquelle verwendet, das einen niedrigen Dampfdruck aufweist, geeignet ist, eine kleine Menge Ga zuzuführen, sich einfach bei einer niedrigen Temperatur von 550°C zersetzt und nicht zulässt, dass Kohlenstoff, der ein Elementarbestandteil der Quelle ist, in der angewachsenen Schicht aufgenommen wird. Nachfolgend wird das Einkristallsubstrat 1601 bei 1,050°C neun Minuten lang heiß geglüht, um die Pufferschicht 1602 in einem Einkristall zu bilden.
Die Temperatur des Einkristallsubstrats wird dann auf 1.020°C eingestellt und GaN und Al_0,1Ga_0,9N werden nacheinander gezüchtet, um die Halbleiterschicht 1603 und die Mantelschicht 1604 zu bilden. Als Aluminiumquelle für das Dampfphasenwachstum dieser Schichten wird Trimethylaluminium (TMA) verwendet. Als Galliumquelle wird Trimethylgallium (TMG) verwendet, das einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck aufweist.
InGaAlN, In_XGa_1-XN, InGaAlN, In_YGa_1-YN, InGaAlN, Si-dotiertes n-GaN und Si-dotiertes n-InGaAlN werden kontinuierlich auf die Mantelschicht 1604 angewachsen, um die Barriereschicht 1605, die untere aktive Schicht 1606, die Barriereschicht 1607, die aktive Zwischen schicht 1608, die Barriereschicht 1609, die Elektrodenschicht 1610 und die Barriereschicht 1611 zu bilden.
Beim Bilden der unteren aktiven Schicht 1606 wird InN in Form von Inseln aufgewachsen, um eine Mehrzahl Inselabschnitte zu bilden. Beim Bilden der Inselabschnitte wird zuerst InN in Form eines Films oder in einem filmähnlichen Zustand auf die Barriereschicht 1605 angewachsen. Beim Wachstum von InN wird, da der Gleichgewichtsdampfdruck von Stickstoff auf die Festphase von InN hoch ist, die Substrattemperatur auf 500°C eingestellt. Außerdem wird bei diesem Dampfphasenwachstum Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle verwendet. Bei diesem Wachstumsprozess wird, um qualitativ hochwertiges InN anzuwachsen, indem die Abscheidung von metallischem Indium verhindert wird, das Verhältnis von Ammoniak zu TMI, das heißt V/III auf 660.000 eingestellt. Stickstoff wird sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet.
Nachdem InN in Form eines Films auf die zuvor genannte Weise gezüchtet worden ist, wird der Film in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 20 Minuten lang erwärmt. Die filmähnliche InN-Schicht wird durch dieses Erwärmen in der Mehrzahl Inselabschnitte gebildet.
Beim Kristallwachstum jeder Schicht, die Indium enthält, wird, da der Gleichgewichtsdampfdruck von Stickstoff auf die Festphase von InN hoch ist, die Wachstumstemperatur (Substrattemperatur) auf ungefähr 550°C eingestellt. Als Indiumquelle wird Trimethylindium (TMI) verwendet. Als Ga-Quelle beim Wachstum jeder Schicht, die Indium enthält, wird TEG verwendet. Dies hat den Grund, dass sich TEG bei niedriger Temperatur zersetzt und einen niedrigen Dampfdruck aufweist, und somit im Vergleich zu TMG für die Zusammensetzungssteuerung auf einer Kristallschicht geeignet ist.
Beim Kristallwachstum jeder zuvor beschriebenen Schicht wird, um qualitativ hochwertiges InN anzuwachsen, indem die Ausscheidung von Indiummetall verhindert wird, das Verhältnis von Ammoniak zu (TMI + TMA + TEG), das heißt V/III, auf 660.000 eingestellt. Stickstoff wird sowohl als Ladungsträgergas als auch als Spülgas verwendet. Dies hat den Grund, dass die Verwendung von Wasserstoff als Ladungsträgergas die Zersetzung von Ammoniak verhindert (Referenz 7). Silan(SiH₄)-Gas, das mit Wasserstoff verdünnt wird und eine Konzentration von 1 ppm aufweist, wird verwendet, um jede Schicht mit Si zu dotieren.
Die obere aktive Schicht 1612 wird dann auf der Barriereschicht 1611 gebildet. Mg-dotiertes p-InGaAlN wird auf der oberen aktiven Schicht 1612 gezüchtet, um die Barriereschicht 1613 zu bilden, so dass die Inselabschnitte bedeckt werden.
Nachdem die Barriereschicht 1613 gebildet worden ist, werden nacheinander Mg-dotiertes p-Al_0,1Ga_0,9N und Mg-dotiertes p-GaN angewachsen, um die Mantelschicht 1614 und die Kontaktschicht 1615 zu bilden. Als Quelle für das Mg-Dotieren wird bis(Methylcyclopentadienyl)magnesium verwendet. Die Quelle ist eine Flüssigkeit, was bei der Reproduzierbarkeit der Dotierungskonzentration von Mg gegenüber bis(Cyclopentadienyl)magnesium, das eine allgemein verwendete feste Quelle ist, vorteilhaft ist.
Nachdem die Barriereschicht 1613, die Mantelschicht 1614 und die Kontaktschicht 1615 gebildet worden sind, wird die sich ergebende Struktur in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C 30 Minuten lang heiß geglüht, um Mg zu aktivieren, das diesen Schichten hinzu gegeben wurde.
Nachdem die zuvor beschriebenen jeweiligen Kristallschichten gebildet worden sind, wird die strombegrenzende Isolierschicht 1615 aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 1615 unter Verwendung einer HF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung gebildet und ein Öffnungsfenster wird durch die bekannte Fotolithographietechnik und Ätztechnik in der strombegrenzenden Isolierschicht 1616 gebildet.
Nachdem das Öffnungsfenster in der strombegrenzenden Isolierschicht 1616 gebildet worden ist, werden nacheinander ein 50 nm starker Nickelfilm und ein 100 nm starker Goldfilm aufgedampft und auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1616, umfassend das Öffnungsfenster, unter Verwendung einer Elektronenstrahl-Aufdampfvorrichtung und gestapelt, wodurch eine Metallschicht gebildet wird, die als p-Metallelektrode 1617 dient. Danach wird eine auf Novolac basierende positive Fotolackstruktur mittels der bekannten Fotolithographietechnik gebildet, und die Unterschicht wird unter Verwendung dieser Struktur als eine Maske geätzt, um einen freigelegten Bereich auf der Elektrodenschicht 1610 zu bilden. Dieses Ätzen, beispielsweise Ätzen der Kristallschicht, erfolgt durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von Chlorgas.
Nach dem Ätzen für die Bildung des vorgenannten freigelegten Bereichs, dem Entfernen der Fotolackstruktur, und dem Reinigen des Einkristallsubstrats 1601 und der darauf gebildeten Struktur werden nacheinander ein 50 nm starker Aluminiumfilm und ein 200 nm starker Goldfilm auf dem freigelegten Bereich der Elektrodenschicht 1610 aufgedampft, und die sich ergebende Struktur wird strukturiert, um die n-Metallelektrode 1618 zu bilden.
Nachdem der Herstellungsprozess bis zur Bildung der n-Metallelektrode 1611 auf die zuvor genannte Weise beendet worden ist, wird das Einkristallsubstrat 1601 poliert und zu einer Hochglanzfläche gedünnt. Die sich ergebende Struktur wird gereinigt und das Einkristallsubstrat 1601 wird unter Verwendung eines Diamant-Schneidwerkzeugs auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch eine Einrichtung extrahiert wird. Die Einrichtungsgröße wird auf ungefähr 500 μm² eingestellt.
Wenn der extrahierten Einrichtung, die die p-Metallelektrode 1617 als Anode und die n-Metallelektrode 1618 als Katode aufweist, ein Strom zugeführt wird, damit die Einrichtung arbeitet, kann Lichtemission von der unteren Fläche des Einkristallsubstrats 1601 erhalten werden. Beispielsweise ist die erhaltene Lichtemission bläuliches Weißlicht. Wie zuvor beschrieben, ist die durch diese Ausführungsform erhaltene Lichtemission bläulich-weiß. Eine Emissionsfarbe mit einer gewünschten Charakteristik kann jedoch erhalten werden, indem die Zusammensetzung einer Kristallschicht, die eine aktive Schicht bildet, und die Stärke der aktiven Schicht richtig gesteuert werden.
In der Einrichtung von 16 sind die drei aktiven Schichten durch die Barriereschichten übereinander gestapelt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Indem die Zusammensetzungen von Kristallen, die die jeweiligen aktiven Schichten bilden und die Stärke der Schichten richtig eingestellt werden und die Emissionsfarben der jeweiligen Schichten ausgestaltet werden, kann selbst durch eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung, die zwei aktiven Schichten aufweist, die übereinander durch eine Barriereschicht gestapelt sind, eine Lichtemission nahe Weiß erzielt werden.
[10. Ausführungsform]
17A und 17B zeigen ein Beispiel der Anordnung einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung gemäß dieser Ausführungsform. 17A zeigt eine Querschnittansicht eines Halbleiterlasers in einer Richtung, in der sich geleitetes Licht vor und zurück im Hohlraum ausbreitet, das heißt entlang einer Richtung senkrecht zur Achse des Hohlraums.
Der Halbleiterlaser umfasst die folgenden Schichten auf der Fläche eines 330 μm starken Einkristallsubstrats 1701 aus (0001)-ausgerichtetem Saphir (einkristallines Al₂O₃): eine 20 nm starke Pufferschicht 1703 aus GaN, das durch eine Nitridschicht 1702 mit einer Nitridierungstiefe von 1,2 nm gebildet ist, eine 4 μm starke Elektrodenschicht 1704 aus Si-dotiertem n-GaN und eine 0,5 μm starke Mantelschicht 1705 aus Si-dotiertem n-Al_0,1Ga_0,9N besteht. Es ist zu beachten, dass das Einkristallsubstrat 1701 nicht auf Saphir beschränkt ist. Beispielsweise kann das Substrat aus einem Kristall wie Siliziumkarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) oder Lithiumgallat (LiGaO₂) hergestellt sein.
Eine 0,6 μm starke Führungsschicht 1706 aus Si-dotiertem n-GaN ist auf einer Mantelschicht 1705 gebildet. Eine aktive Schicht 1707, die aus einer Schicht gebildet ist, die eine Struktur aufweist, in der eine Mehrzahl Inselabschnitte aus InN in der gleichen Ebene angeordnet sind, ist auf der Führungsschicht 1706 gebildet. Beispielsweise wird jeder der Mehrzahl Inselabschnitte, die die aktive Schicht 1707 bildet, so gebildet, dass er einen Durchmesser von ungefähr 2 nm und eine Höhe von ungefähr 1 nm aufweist, wie beispielsweise die Inselabschnitte 1405a, die in 14B gezeigt sind. Indem die Größe jedes Inselabschnitts so eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons ist, kann auf diese Weise ein Quanteneffekt erzielt werden. Die Emissionswellenlänge der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung, die auf der aktiven Schicht 1707 basiert, wird nahezu von der Größe jedes Inselabschnitts bestimmt. Es ist zu beachten, dass die Größe jedes Inselabschnitts nicht darauf beschränkt ist, gleich oder kleiner als die Geschwindigkeit der Wellenfunktion eines Elektrons zu sein, und größer sein kann.
Es ist zu beachten, dass die Form jedes Inselabschnitts nicht auf eine Halbkugelform beschränkt ist. Beispielsweise können die Inselabschnitte eine zylindrische, prismenförmige, pyramidenförmige oder kegelförmige Form aufweisen. Außerdem können die Inselabschnitte in gleichen Intervallen angeordnet sein oder in ungleichmäßigen Intervallen angeordnet sein. Außerdem können die jeweiligen Inselabschnitte so gebildet sein, dass sie vollständig voneinander isoliert sind oder so, dass sie miteinander durch dünne InN-Filme verbunden sind, die die Inselabschnitte bilden. Es ist zu beachten, dass die jeweiligen Inselabschnitte so gebildet sind, dass sie fast die gleiche Größe aufweisen.
Die folgenden Schichten sind auf der aktiven Schicht 1707, die auf die zuvor genannte Weise gebildet ist, gebildet: eine 10 nm starke Wachstumsdeckschicht 1708 aus undotiertem GaN, eine 0,55 μm starke Führungsschicht 1709 aus Mg-dotiertem p-Al_0,1Ga_0,9N und eine 0,1 μm starke Kontaktschicht 1711 aus Mg-dotiertem p-GaN.
Eine strombegrenzende Isolierschicht 1711, die aus SiO₂ besteht und eine Rille mit einer Breite von ungefähr 2 μm aufweist, um den Strominjektionsbereich zu begrenzen, ist auf der Kontaktschicht 1711 gebildet. Es ist zu beachten, dass die zuvor genannte Rille parallel zur reziproken Richtung des Lichts in dem Hohlraum des Halbleiterlasers gebildet ist. Eine p-Metallelektrode 1713, die durch die zuvor genannte Rille in Kontakt mit der Kontaktschicht 1711 steht, ist auf der strombegrenzenden Isolierschicht 1712 gebildet. Obgleich nicht gezeigt, weist die p-Metallelektrode 1713 eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Palladiumschicht, die in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht 1711 steht, einer auf der Palladiumschicht gebildeten 30 nm starken Platinschicht und einer auf der Platinschicht gebildeten 200 nm starken Goldschicht besteht. Diese Metallschichten werden unter Verwendung der Ablösetechnik strukturiert.
Es ist zu beachten, dass die Elektrodenschicht 1704 einen freigelegten Bereich aufweist, der durch teilweises Ätzen der jeweiligen darauf gebildeten Schichten gebildet wird, und eine n-Metallelektrode 1714 in diesem freigelegten Bereich. Obgleich nicht gezeigt, weist die n-Metallelektrode 1714 eine Mehrschichtstruktur auf, die aus einer 50 nm starken Titanschicht, die in direkten Kontakt mit dem freigelegten Bereich steht, einer 30 nm starken Platinschicht und einer 200 nm starken Goldschicht besteht. Die Hohlraumlänge des in 17 gezeigten Halbleiterlasers beträgt ungefähr 500 μm.
18 zeigt eine optische Leistung/Strom-Charakteristik (PI-Charakteristik) und Spannung/Strom-Charakteristik, die als Ergebnisse des Messen des Halbleiterlasers von 17 erhalten wurden, mit montierter Verbindung oben auf einem Kühlkörper, bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Gleichstroms. Der Halbleiterlaser verursachte bei Raumtemperatur eine PI-Oszillation mit einem Schwellenstrom von 80 mA. Die sich ergebende Oszillationswellenlänge betrug 1,60 μm. Die Betriebsspannung zu dieser Zeit betrug 2,7 V. Eine Diffusionsspannung V_b betrug ungefähr 1,5 V.
Wenn In_1-XGa_XN (0 < X < 0,4) für eine lichtemittierende Struktur verwendet wird, umfassend eine aktive Schicht wie beim Stand der Technik, ist die Diffusionsspannung V_b etwas geringer als 4 V. Im Vergleich dazu ist die Diffusionsspannung des Halbleiterlasers von 17 niedrig, weil InN mit einem kleinen Brandabstand für die aktive Schicht 1707 verwendet worden ist. Es ist zu beachten, dass der Halbleiterlaser von 17 den Laser unter Verwendung von InN für die aktive Schicht 1707 beispielhaft darstellt. Es kann jedoch In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1), das einen größeren Bandabstand als InN aufweist, für die aktive Schicht verwendet werden. In diesem Fall kann die Oszillationswellenlänge weiter herabgesetzt werden.
Auch in dieser Ausführungsform kann die aktive Schicht 1707 eine Struktur aufweisen, in der eine Schicht, die aus einer Mehrzahl Inselabschnitten und einer Wachstumsdeckschicht (Barriereschicht) besteht, übereinander gestapelt sind.
Wie zuvor beschrieben worden ist, umfasst die erfindungsgemäße lichtemittierende Halbeitereinrichtung mindestens die erste Mantelschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, die lichtemittierende Struktur, die aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) besteht und auf der ersten Mantelschicht gebildet ist, und die zweite Mantelschicht, die auf der lichtemittierenden Struktur gebildet ist.
Als Folge dieser Anordnung ist die aktive Schicht in der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Halbleitereinrichtung aus einem Material mit kleinem Auger-Effekt gebildet. Außerdem weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Schichtenanordnung auf, die es ermöglicht, einen großen ΔEc zu haben. Folglich ist die erfindungsgemäße lichtemittierende Halbleitereinrichtung robust gegenüber Temperaturänderungen in einer Betriebsumgebung und kann Hochleistungsbetrieb ausführen.

Claims

Lichtemittierende Halbleitereinrichtung, umfassend mindestens: eine erste Mantelschicht (105), die auf einem Substrat (101) gebildet ist; eine lichtemittierende Struktur umfassend eine aktive Schicht (107), die aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) hergestellt und auf der ersten Mantelschicht gebildet ist; und eine zweite Mantelschicht (110), die auf der lichtemittierenden Struktur gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswellenlänge der aktiven Schicht zwischen 1,30 μm und 1,65 μm liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht aus InN hergestellt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend erste und zweite Halbleiterschichten (106, 109), die gebildet sind, um die aktive Schicht sandwichartig zu umgeben, wobei die ersten und zweiten Halbleiterschichten aus In_1-X'-Y'Ga_X'Al_Y'N (0 ≤ X', Y' ≤ 1, 0 ≤ X' + y' ≤ 1) und In_1-X''-Y''Ga_X''Al_Y''N (0 ≤ X'', Y'' ≤ 1, 0 ≤ X'' + Y'' ≤ 1) hergestellt sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Struktur aus einer ersten lichtemittierenden Struktur und einer darauf gebildeten zweiten lichtemittierenden Struktur besteht, die erste lichtemittierende Struktur aus einer ersten aktiven Schicht (1106) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1105, 1107) liegt, die zweite lichtemittierende Struktur aus einer zweiten aktiven Schicht (1108) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1107, 1109) liegt, und die ersten und zweiten lichtemittierenden Strukturen unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen, wobei die Emissionswellenlänge mindestens einer der ersten und zweiten aktiven Schichten zwischen 1,30 μm und 1,65 μm liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Struktur aus einer ersten lichtemittierenden Struktur, einer darauf gebildeten zweiten lichtemittierenden Struktur und einer darauf gebildeten dritten lichtemittierenden Struktur besteht, die erste lichtemittierende Struktur aus einer ersten aktiven Schicht (1106) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1105, 1107) liegt, die zweite lichtemittierende Struktur aus einer zweiten aktiven Schicht (1108) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1107, 1109) liegt, die dritte lichtemittierende Struktur aus einer dritten aktiven Schicht (1110) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1109, 1111) liegt, und die ersten, zweiten und dritten lichtemittierenden Strukturen unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen, wobei die Emissionswellenlänge mindestens einer der ersten, zweiten und dritten aktiven Schichten zwischen 1,30 μm und 1,65 μm liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Struktur aus einer ersten lichtemittierenden Struktur (A), einer zweiten lichtemittierenden Struktur (B) und einer dritten lichtemittierenden Struktur (C) besteht, die auf dem Substrat angeordnet sind, die erste lichtemittierende Struktur aus einer ersten aktiven Schicht (1306a) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1305b, 1307a) liegt, die zweite lichtemittierende Struktur aus einer zweiten aktiven Schicht (1306b) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1305b, 1307b) liegt, die dritte lichtemittierende Struktur aus einer dritten aktiven Schicht (1306c) gebildet ist, die sandwichartig zwischen Barriereschichten (1305c, 1307c) liegt, und die ersten, zweiten und dritten lichtemittierenden Elemente unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die ersten, zweiten und dritten lichtemittierenden Halbleiterelemente aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen gebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die ersten, zweiten und dritten lichtemittierenden Halbleiterelemente aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) mit unterschiedlichen Filmstärken gebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Barriereschichten aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1) mit höherer Bandabstandenergie als die ersten bis dritten aktiven Schichten hergestellt sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (1405) aus einer Schicht gebildet ist, die aus einer Mehrzahl Inselabschnitten (1405a) besteht, die in der gleichen Ebene angeordnet sind, und die Inselabschnitte aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y < 1) hergestellt sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die jeweiligen Inselabschnitte so angeordnet sind, dass sie voneinander isoliert sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Schicht, die aus der Mehrzahl der in der gleichen Ebene angeordneten Inselabschnitten besteht, mit einer aus In_1-X-YGa_XAl_YN (0 ≤ X, Y ≤ 1, 0 ≤ X + Y ≤ 1) hergestellten Barriereschicht (1406) bedeckt ist, die eine höhere Bandabstandenergie als die Inselabschnitte aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die aktive Schicht eine Mehrschichtstruktur umfasst, die durch Stapeln der Schicht, die aus den in der gleichen Ebene angeordneten Inselabschnitten besteht, und der Barriereschicht gebildet wird.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Inselabschnitte aus InN hergestellt sind.