DE112005002319T5 - Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Makoto Tsukuba Sasaki
Tomoyuki Tsukuba Takada
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der
eine n-Schicht,
eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und
eine Mehrfachquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und mindestens zwei Quantentopfstrukturen, die zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfassen, aufweist, umfasst;
und wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 % beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid (InN) ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter mit einer p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) und einer Quantentopfstruktur, die Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfasst.
  • Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der Formel IndGaeAlfN (d+e+f=1, 0≦d≦1, 0≦e≦1, 0≦f≦1) wird derzeit als lichtemittierende Vorrichtung, die die Farben Grün, Blau, Violett oder Ultraviolett emittiert, verwendet.
  • Die weißes Licht emittierenden Vorrichtungen in einer Kombination mit lichtemittierenden Materialien und fluoreszierenden Materialien wurden zur Anwendung für Hintergrundbeleuchtungen oder Beleuchtung untersucht. Da spezielle Kristalle, die Indiumnitrid enthalten, beispielsweise eine Änderung der Wellenlänge der Lichtemission durch die Änderung des Molenbruchs von Indiumnitrid (InN) derselben ermöglichen, sind sie als Anzeigevorrichtung oder Lichtquelle, die fluoreszierendes Material anregt, verwendbar.
  • Es wurden Anstrengungen unternommen, eine Schicht des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters auf verschiedenen Substraten, die aus Substanzen wie Saphir, GaAs und ZnO bestanden, zu züchten. Da jedoch die Gitterkonstante und die chemischen Eigenschaften der Substrate von denen des Verbindungshalbleiters ganz verschieden sind, wurden Kristalle, die ausreichend hohe Qualitätsstandards erfüllen, noch nicht produziert. Es wurde vorgeschlagen, einen GaN-Kristall, dessen Gitterkonstante und chemische Eigenschaften ähnlich denen eines Verbindungshalbleiters sind, zu züchten und anschließend darauf den Verbindungshalbleiter zu züchten, um eine lichtemittierende Vorrichtung zu erhalten (geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. S55-3834).
  • Es wurde auch vorgeschlagen, einen Verbindungshalbleiter mit einer Quantentopfstruktur der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zu züchten, um eine lichtemittierende Vorrichtung zu erhalten (japanisches Patent Nr. 3064891).
  • Die in diesen Dokumenten offenbarten lichtemittierenden Vorrichtungen sind im Hinblick auf die Leuchtdichte nicht zufriedenstellend.
  • Ein Verfahren ist bekannt, wobei eine InGaN-Schicht auf einem mit Silicium dotierten GaN bei 660 bis 780 °C unter 100 bis 500 Torr gezüchtet wird und die Temperatur 5 bis 10 s gehalten wird, worauf ein Züchten des GaN folgt, ab dann eine InGaN-Schicht und GaN wiederholt unter diesen Bedingungen gezüchtet werden, wobei eine Mehrfachquantentopfstruktur gebildet wird, worauf eine p-GaN-Schicht bei 1040 °C gezüchtet wird, wobei ein Verbindungshalbleiter produziert wird.
  • Bei diesem Verfahren kommt es während des Züchtens einer p-GaN-Schicht zum Brechen der InGaN-Schicht unter Abscheidung von Indiummetall oder Indiumnitridkristall, was zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Leuchtdichte führt (Journal of Crystal Growth, 248, 498, 2003).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der in günstiger Weise als lichtemittierende Vorrichtung mit hoher Leuchtdichte verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung des obigen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten einen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter und gelangten infolgedessen zur vorliegenden Erfindung.
  • Durch die vorliegende Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der
    eine n-Schicht,
    eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und
    eine Mehrfachquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und mindestens zwei Quantentopfstrukturen, die zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfassen, aufweist, umfasst;
    und wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 % beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid (InN) ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung erfolgt die Bereitstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der
    eine n-Schicht,
    eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und
    eine Einzelquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten aufweist, umfasst; und wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid (InN) ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.
  • Ferner erfolgt durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der eine n-Schicht, eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) und eine Quantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und p-Schicht existiert und eine Quantentopfstruktur, die mindestens zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfasst, aufweist, umfasst,
    wobei das Verfahren die Stufen
    des Haltens der Quantentopfschicht zur Unterbrechung des Kristallwachstums zwischen der Beendigung der Quantentopfschichtzüchtung und dem Beginn der Barriereschichtzüchtung bei der Züchtungstemperatur der Quantentopfschicht bei einer Temperatur, die gleich der oder höher als die Züchtungstemperatur der Quantentopfschicht ist, und
    des Züchtens einer p-Schicht mit einer Dicke von 300 nm oder mehr umfasst.
  • Ferner erfolgt durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung eines Gruppe- III-V-Verbindungshalbleiters, die den oben beschriebenen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter umfasst.
  • 1 erläutert die Struktur einer Ausführungsform des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters der vorliegenden Erfindung.
    • 1
    n-GaN-Schicht
    2
    undotierte GaN-Schicht
    3
    GaN-Schicht
    4
    InGaN-Quantentopfschicht
    5
    GaN-Barriereschicht
    6
    GaN-Abdeckschicht
    7
    Mg-dotierte AlGaN-Abdeckschicht
    8
    p-GaN-Schicht
    9
    n-Elektrode
    10
    p-Elektrode.
  • Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter
  • Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter der vorliegenden Erfindung weist eine n-Schicht und eine p-Schicht auf.
  • Die p-Schicht wird durch die Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0≦b<1, 0≦c<1) dargestellt und sie weist eine Dicke von 300 nm oder mehr auf. Wenn die Dicke der p-Schicht erhöht wird, wird die elektrostatische Entladungseigenschaft des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters verstärkt. Die Dicke der p-Schicht beträgt vorzugsweise 400 nm oder mehr, noch günstiger 500 nm oder mehr, noch besser 600 nm oder mehr. Ferner wird, wenn die Dicke der p-Schicht 500 nm oder mehr beträgt, die Lichtleistung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters ebenfalls verstärkt. Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der die p-Schicht einer Dicke von 500 nm oder mehr umfasst, wird vorzugsweise als lichtemittierende Vorrichtung, die hervorragend im Hinblick auf deren Lichtleistung und elektrostatische Entladungseigenschaft ist, verwendet. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Dicke der p-Schicht zu dick ist, ein Verziehen des Substrats verursacht oder ein langer Zeitraum zur Produktion benötigt. Die Dicke der p-Schicht beträgt üblicherweise 3 μm oder weniger.
  • Die p-Schicht kann mit einem Fremdatom dotiert sein. Beispiele für das Fremdatom umfassen Mg, Zn und Ca. Die Fremdatome können einzeln oder in einer Mehrzahl verwendet werden. Die Fremdatomkonzentration beträgt üblicherweise 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1021 cm–3.
  • Ferner weist der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter mindestens eine Quantentopfstruktur auf. Die Quantentopfstruktur umfasst eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) und mindestens zwei Barriereschichten. Die Quantentopfschicht befindet sich zwischen den Barriereschichten.
  • Die Quantentopfstruktur kann als lichtemittierende Schicht der lichtemittierenden Vorrrichtung oder als Substrat zur Verbesserung der Kristallinität durch Verringerung einer Versetzung und dergleichen verwendet werden. Die Quantentopfstruktur kann eine Einzelquantentopfstruktur, die eine Quantenschicht und Barriereschichten umfasst, oder eine Mehrfachquantentopfstruktur, die mindestens zwei Quantentopfschichten und Barriereschichten umfasst, sein. Wenn die Quantentopfstruktur als lichtemittierende Schicht verwendet wird, ist eine Mehrfachquantentopfstruktur im Hinblick auf das Erreichen einer hohen Lichtleistung bevorzugt.
  • Die Quantentopfschicht weist eine Dicke von üblicherweise 0,5 nm oder mehr, vorzugsweise 1 nm oder mehr, noch günstiger 1,5 nm oder mehr und üblicherweise 9 nm oder weniger, vorzugsweise 7 nm oder weniger, noch günstiger 6 nm oder weniger auf.
  • Die Quantentopfschicht kann mit einem Fremdatom dotiert sein oder auch nicht. Wenn die Quantentopfschicht als lichtemittierende Schicht verwendet wird, ist eine undotierte im Hinblick auf das Erreichen einer starken Lichtemission mit günstiger Farbreinheit bevorzugt. Im Falle der Dotierung der Quantentopfschicht mit einem Fremdatom beträgt, da eine zu hohe Dotierungskonzentration die Kristallinität möglicherweise beeinträchtigt, die Konzentration üblicherweise 1021 cm–3 oder weniger, vorzugsweise 1019 cm–3 oder weniger, noch besser 1017 cm–3 oder weniger. Beispiele für die Fremdatome umfassen Si, Ge, S, O, Zn und Mg. Die Fremdatome können einzeln oder in einer Mehrzahl dotiert sein.
  • Die Barriereschicht ist üblicherweise eine Gruppe-III-V-Verbindung der Formel IndGaeAlfN (d+e+f=1, 0≦d<1, 0≦e≦1, 0≦f≦1). Die zwei an die Quantentopfschicht angrenzenden Barriereschichten können gleich oder verschieden sein.
  • Die Barriereschicht weist eine Dicke von üblicherweise 1 nm oder mehr, vorzugsweise 1,5 nm oder mehr, noch günstiger 2 nm oder mehr und üblicherweise 100 nm oder weniger, vorzugsweise 50 nm oder weniger, noch günstiger 20 nm oder weniger auf.
  • Die Barrierschicht kann mit einem Fremdatom dotiert sein oder auch nicht. Beispiele für das Fremdatom umfassen Si, Ge, S, O, Zn und Mg. Die Fremdatome können einzeln oder in einer Mehrzahl dotiert sein. Wenn die Barriereschicht mit dem Fremdatom dotiert ist, beträgt die Fremdatomkonzentration üblicherweise 1017 cm–3 bis 1021 cm–3. Wenn die Mehrfachquantentopfstruktur als lichtemittierende Schicht verwendet wird, können einige der Barriereschichten mit einem Fremdatom dotiert sein. Durch Eindotieren des Fremdatoms kann es möglich sein, den Elektroleitfähigkeitstyp der Barriereschicht zu steuern und Elektronen oder Löcher effektiv zu injizieren. Da eine Fremdatomdotierung die Kristallinität der lichtemittierenden Schicht, die an die dotierte Barriereschicht angrenzt, beeinträchtigen kann, kann eine Barriereschicht, die mit einer nicht als Lichtemissionsschicht verwendeten Quantentopfschicht in Kontakt steht, mit dem Fremdatom dotiert werden.
  • Wenn der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst, umfasst die Mehrfachquantentopfstruktur mindestens zwei Quantentopfschichten, die die gleiche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen, die gleiche Dicke und unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, unterschiedliche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen oder unterschiedliche Dicke und unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ferner umfasst die Mehrfachquantentopfstruktur mindestens zwei Barriereschichten, die die gleiche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen, die gleiche Dicke und unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, unterschiedliche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen oder unterschiedliche Dicke und unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Wenn die Mehrfachquantentopfstruktur als lichtemittierende Schicht verwendet wird, weist die Mehrfachquantentopfstruktur vorzugsweise mindestens zwei Quantentopfschichten, die die gleiche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen, und mindestens zwei Barriereschichten, die die gleiche Dicke und die gleiche Zusammensetzung aufweisen, auf. Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter mit einer derartigen Dicke und Zusammensetzung emittiert Licht mit erhöhter Farbreinheit aufgrund von von mindestens zwei Quantentopfschicht emittiertem Licht.
  • Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter weist ein Verhältnis R/α von nicht mehr als 42,5 %, vorzugsweise 40 % oder weniger, noch günstiger 35 % oder weniger, noch besser 30 % oder weniger auf.
  • R ist der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht. Der Wert von R kann durch Analysieren der Quantentopfstruktur unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers ermittelt werden.
  • Wenn der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst, wird der Molenbruch von InN (W) in der Mehrfachquantentopfstruktur aus einer Satellitenreflexion, die von der Überstruktur der Mehrfachquantentopfstruktur herrührt, ermittelt und dann R aus dem entsprechenden Wert von W und dem Verhältnis der Dicke der Quantentopfschicht zu der der Barriereschicht berechnet.
  • Wenn der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter die Einzelquantentopfstruktur umfasst, wird der Molenbruch von InN (W) in der Einzelquantentopfstruktur ebenfalls durch Röntgenbeugung ermittelt.
  • Im Falle des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der eine Quantentopfschicht aufweist, die mit einem Fremdatom niedriger Konzentration, beispielsweise 1021 cm–3 oder weniger, vorzugsweise 1019 cm–3 oder weniger, noch besser 1017 cm–3 oder weniger, dotiert ist, und eine aufgrund von Strominjektion erzeugte Bandkantenemission zeigt, kann α aus der Wellenlänge des aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts nach den im folgenden angegebenen Verfahren berechnet werden.
  • Die Wellenlänge λ (nm) von Licht, das aus einem für Lichtemissionsvorrichtungen verwendeten Halbleiter emittiert wird, wird allgemein durch die folgende Gleichung dargestellt, wenn die Bandlückenenergie des Halbleiters als Eg (eV) bezeichnet wird. λ = 1240/Eg (1)
  • Die Bandlückenenergie eines Halbleiters kann aus dem Molenbruch desselben berechnet werden. Beispielsweise wird im Falle von InαGa1-αN, das ein Mischkristall von InN und GaN ist, da die Bandlückenenerge von InN 0,8 eV beträgt und die von GaN 3,42 eV beträgt, die Bandlückenenergie (Eg) des Halbleiters wie folgt dargestellt: Eg = 0,8 α + 3,42 (1 – α) (2)
  • Folglich wird α des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters gemäß den Gleichungen (1) und (2) berechnet. α = [3,42 – (1240/λ)]/(3,42 – 0,8) (3)
  • Wenn die Wellenlänge von emittiertem Licht 470 nm beträgt, ist α 0,298.
  • Im Falle eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der eine Quantentopfschicht aufweist, die mit einem Fremdatom hoher Konzentration dotiert ist, und der die von der Fremdatommenge herrührende Lichtemission zeigt, kann α aus dem Energiewert der Fremdatommenge berechnet werden. Beispielsweise offenbart Journal of Vacuum Science and Technology A, Band 13(3), Seite 705, dass das Energieniveau von Zn in einer Leuchtdiode, die eine Zn- und Si-dotierte InGaN-Schicht als lichtemittierende Schicht aufweist, 0,4 bis 0,5 eV entsprechend der Ermittlung aus der Peakwellenlänge der Lichtemission beträgt.
  • Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter kann eine Abdeckschicht der Formel IniGajAlkN (i+j+k=1, 0≦i≦1, 0≦j≦1, 0≦k≦1) zwischen der Quantentopfschicht und der p-Schicht aufweisen. Die Abdeckschicht kann in der Einzahl oder Mehrzahl gezüchtet werden. Für den Fall, dass ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter einen AlN-Mischkristall umfasst, weist der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter eine erhöhte Wärmestabilität auf, was zu einer Verringerung eines Thermoabbaus, beispielsweise einer Phasentrennung der Lichtemissionsschicht, führt. Die Abdeckschicht kann mit einem p-Dotierungsstoff, wie Mg, Zn und Ca, oder einem n-Dotierungsstoff, wie Si, O, S und Se, dotiert sein.
  • Eine Ausführungsform der Vorrichtungsstruktur, die den oben beschriebenen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter umfasst, wird in 1 erläutert.
  • Der in 1 erläuterte Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter umfasst die folgenden Schichten 1 bis 8 in der im folgenden angegebenen Reihenfolge:
    eine n-GaN-Schicht 1,
    eine undotierte GaN-Schicht 2, die auf der n-GaN-Schicht 1 montiert ist,
    eine Mehrfachquantentopfstruktur, die
    eine GaN-Schicht 3, die als Barriereschicht fungiert,
    InGaN-Schichten 4, die als Quantentopfschicht fungieren, und
    GaN-Schichten 5, die als Barriereschicht fungieren, die abwechselnd in einem 5-maligen Zyklus geschichtet sind,
    eine GaN-Schicht 6,
    eine AlGaN-Schicht 7, die mit Mg dotiert ist, und
    eine p-GaN-Schicht 8; und
    eine n-Elektrode 9 und
    eine p-Elektrode 10, die auf der p-GaN-Schicht 8 montiert ist.
  • Das Anlegen einer Spannung an den p-n-Übergang einer Vorrichtung in Durchlassrichtung ergibt die Rekombination der inji zierten Elektronen und der Löcher miteinander in der Mehrfachquantentopfschicht, wodurch bewirkt wird, dass die Vorrichtung Licht emittiert.
  • Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters
  • Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter kann in vorteilhafter Weise durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (hierin im folgenden als MOCVD abgekürzt), Molekularstrahlepitaxie (hierin im folgenden als MBE abgekürzt), Hydridgasphasenepitaxie (hierin im folgenden als HVPE abgekürzt), vorzugsweise MOCVD, hergestellt werden. MOCVD ist in Bezug auf Schichthomogenität, Steilheit der Grenzfläche und Massenproduktionsvermögen hervorragend. Kristallzüchtung kann durch Verwenden einer im Handel erhältlichen Vorrichtung durchgeführt werden.
  • Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter kann üblicherweise durch ein Verfahren der Zufuhr von Ausgangsmaterialien zu einem Substrat in einem Reaktor hergestellt werden.
  • Beispiele für ein bei der Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters zu verwendendes Substrat umfassen Saphir, ZnO, ein Metallborid (ZrB2), SiC, GaN und AlN. Diese Substrate können einzeln verwendet werden oder zwei oder mehrere derselben können in Kombination verwendet werden.
  • Beispiele für ein Ausgangsmaterial für ein Element der Gruppe III umfassen ein Trialkylgallium der allgemeinen Formel R1R2R3Ga (worin R1, R2 und R3 für Niederalkylgruppen stehen), wie Trimethylgallium (TMG) und Trierthylgallium (TEG); ein Trialkylaluminium der allgemeinen Formel R1R2R3Al (worin R1, R2 und R3 für Niederalkylgruppen stehen), wie Trimethylaluminium (TMA), Triethylaluminium (TEA) und Triisobutylalu minium; Trimethylaminalan [(CH3)3N:AlH3], ein Trialkylindium der allgemeinen Formel R1R2R3In (worin R1, R2 und R3 für Niederalkylgruppen stehen), wie Trimethylindium (TMI) und Triethylindium; eine Verbindung wie Diethylindiumchlorid, wobei 1 bis 3 Alkylgruppen von Trialkylindium durch Halogenelemente ersetzt sind; und ein Indiumhalogenid der allgemeinen Formel InX (worin X für ein Halogenelement steht), wie Indiumchlorid. Diese Ausgangsmaterialien können einzeln verwendet werden oder zwei oder mehrere derselben können in Kombination verwendet werden.
  • Beispiele für ein Ausgangsmaterial für Elemente der Gruppe V umfassen Ammoniak, Hydrazin, Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhydrazin, 1,2-Dimethylhydrazin, tert.-Butylamin und Ethylendiamin, vorzugsweise Ammoniak und Hydrazin. Ammoniak und Hydrazin enthalten keine Kohlenstoffatome in den Molekülen und sie verhindern eine Kohlenstoffkontamination der Halbleiter. Diese Ausgangsmaterialien können einzeln verwendet werden oder es können zwei oder mehrere derselben in Kombination verwendet werden.
  • Die Quantentopfstruktur mit dem im Vorhergehenden genannten Verhältnis R/α kann durch eine Wärmebehandlung gezüchtet werden. Die Züchtung der Quantentopfschicht wird üblicherweise bei 650 °C bis 850 °C in einem Reaktor durchgeführt. Die Züchtung der Barriereschicht wird üblicherweise bei 650 °C bis 1000 °C in einem Reaktor durchgeführt.
  • Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird zur Unterbrechung des Kristallwachstums zwischen dem Züchtungsende der Quantentopfschicht und dem Züchtungsbeginn der Barriereschicht die Quantentopfschicht bei einer Temperatur, die gleich der oder höher als die Züchtungstemperatur der Quantentopfschicht ist, gehalten.
  • Für den Fall, dass die Quantentopfschicht bei der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht gehalten wird, beträgt die Verweilzeit üblicherweise 10 min oder mehr, vorzugsweise 15 min oder mehr und üblicherweise 60 min oder weniger. Der Druck beträgt üblicherweise mehr als 30 kPa. Für den Fall eines Drucks von 20 kPa oder weniger beträgt die Verweilzeit vorzugsweise 1 bis 5 min.
  • Für den Fall, dass die Quantentopfschicht bei einer höheren Temperatur als der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht gehalten wird, ist die minimale Temperatur 10 °C, vorzugsweise nicht weniger als 30 °C, noch besser nicht weniger als 50 °C höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht und die maximale Temperatur 100 °C oder weniger höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht. Die Verweilzeit variiert in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei sie üblicherweise 1 min oder mehr, vorzugsweise 3 min oder mehr, noch günstiger 5 min oder mehr, noch besser 7 min oder mehr und üblicherweise 60 min oder weniger beträgt. Vorzugsweise ist die Haltezeit gleich dem Intervall zum Erhöhen der Temperatur von der Beendigung der Quantentopfschichtzüchtung bis zum Beginn der Barriereschichtzüchtung.
  • In der Haltestufe wird dem Reaktor üblicherweise kein Ausgangsmaterial für Elemente der Gruppe III zugeführt. Im Gegensatz dazu können ein Ausgangsmaterial für Elemente der Gruppe V und ein Trägergas zugeführt werden oder auch nicht. Im Hinblick auf das Verhindern einer verringerten Konzentration an Stickstoff in der Quantentopfschicht wird vorzugsweise ein Ausgangsmaterial für Elemente der Gruppe V dem Reaktor zugeführt.
  • Nach der Züchtung der Quantentopfstruktur wird die p-Schicht mit einer Dicke von 300 nm oder mehr gezüchtet. Die Tempera tur des Züchtens der p-Schicht beträgt üblicherweise 700 bis 1100 °C. Für den Fall, dass ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter eine p-Schicht der Formel IngGahN (g+h=1, 0<g≦1, 0≦h<1) aufweist, wird die p-Schicht vorzugsweise bei einer relativ niedrigen Temperatur, beispielsweise 650 bis 950 °C, gezüchtet und daher ein Thermoabbau des Quantentopfschicht während der Züchtung der p-Schicht verhindert.
  • Nach der Beendigung der Züchtung der p-Schicht kann der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter einem Glühen, um eine günstige Kontaktbeständigkeit gegenüber einer Elektrode zu erhalten, vor oder nach der Elektrodenbildung unterzogen werden. Die Atmosphäre für das Glühen kann ein Inertgas oder ein im wesentlichen Wasserstoff enthaltendes Gas sein oder derartigen Atmosphärengasen kann ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugesetzt werden. Diese Gase können einzeln verwendet werden oder zwei oder mehrere derselben können in Kombination verwendet werden. Die Temperatur für das Glühen beträgt 200 °C oder mehr, vorzugsweise 400 °C oder mehr.
  • Die Haltestufe und die Züchtungsstufe können unter Verwendung eines herkömmlichen Reaktors durchgeführt werden. Der Reaktor ist mit einem Zufuhrelement ausgestattet, das ein Ausgangsmaterial einem Substrat von der Oberseite desselben oder der Seite desselben zuführen kann. In dem Reaktor wird das Substrat nahezu mit der Oberseite nach oben, als Alternative mit der Oberseite nach unten platziert. Für den Fall, dass das Substrat mit der Oberseite nach unten platziert ist, kann ein Ausgangsmaterial von der Unterseite des Substrats oder einer Seite des Substrats zugeführt werden. Der Winkel des Substrats im Reaktor ist nicht zwangsläufig exakt horizontal, er kann nahezu oder vollständig vertikal sein.
  • Die Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters kann unter herkömmlichen Bedingungen mit Ausnahme der Haltestufe und der Züchtungsstufe der p-Schicht durchgeführt werden. Für den Fall, dass eine Quantentopfschicht, Barriereschicht oder p-Schicht mit einem Fremdatom dotiert wird, wird das Fremdatom vorzugsweise in der Form eines Organometalls zugeführt.
  • Die Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters kann unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt werden, die gleichzeitig Schichten auf mehreren Substraten züchten kann, in der Substrate und Zufuhrelemente angeordnet sind. Im Hinblick auf die Zufuhr von Ausgangsmaterialien können die Ausgangsmaterialien für Elemente der Gruppe III und die für Elemente der Gruppe V von jeweiligen Quellen eingeführt werden und gemischt werden, bevor sie einem Reaktor zugeführt werden, um eine Vorreaktion zwischen den Ausgangsmaterialien zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, die nicht als Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollten, detaillierter beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Die tieftemperaturgezüchtete GaN-Pufferschicht wurde auf C-Flächen-Saphir bei 490 °C gezüchtet, wobei TMG und Ammoniak als die Ausgangsmaterialien und Wasserstoff als das Trägergas zugeführt wurden.
  • Nachdem die TMG-Zufuhr aufgehört hatte, wurde die Temperatur auf 1090 °C erhöht und dann wurden TMG, Ammoniak und Silan als die Ausgangsmaterialien und Wasserstoff als das Trägergas zum Züchten einer n-GaN-Schicht mit einer Dicke von 3 μm zugeführt, worauf nach der Beendigung der Zufuhr von Silan eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 300 nm gezüchtet wurde. Nach der Beendigung der Zufuhr von TMG und Silan und dann Abkühlen auf 785 °C wurden TEG und Ammoniak als die Ausgangsmaterialien und Stickstoff als das Trägergas zum Züchten einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 100 nm zugeführt und dann folgte unter fünfmaligem Wiederholen des Verfahrens das Verfahren, dass TEG, TMI und Ammoniak als die Ausgangsmaterialien und Stickstoff als das Trägergas unter einem Druck von 50 kPa zum Züchten einer InGaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm und einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm zugeführt wurden. Die Einzelheiten dieses Züchtungsverfahrens waren die folgenden: Ammoniak, TEG und TMI wurden zum Züchten einer InGaN-Schicht in einer Dicke von 3 nm zugeführt; dann wurde die Zufuhr von TEG und TMI beendet, worauf nur Ammoniak und das Trägergas unter Halten während 15 min zugeführt wurden; und dann eine undotierte GaN-Schicht in einer Dicke von 15 nm gezüchtet wurde.
  • Nach fünfmaliger zyklischer Durchführung dieses Verfahrens wurden TEG und Ammoniak zum Züchten einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 3 nm kontinuierlich zugeführt, was zu einer Enddicke der undotierten GaN-Schicht von 18 nm führte. Danach wurde die TEG-Zufuhr beendet und dann wurde die Temperatur auf 940 °C erhöht, worauf TEG, TMA, Ammoniak und Bisethylcyclopentadienylmagnesium als Quelle für einen p-Dotierungsstoff zum Züchten einer magnesiumdotierten AlGaN-Schicht mit einer Dicke von 30 nm zugeführt wurden. Nach der Beendigung der Zufuhr von TEG, TMA und Bisethylcyclopentadienylmagnesium wurde die Temperatur auf 1010 °C erhöht, worauf TMG, Ammoniak und Bisethylcyclopentadienylmagnesium als Quelle für einen p-Dotierungsstoff zum Züchten einer p-GaN-Schicht mit einer Dicke von 600 nm zugeführt wurden.
  • Nachdem der erhaltene Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter einem Ätzen unterzogen worden war, wurde eine p-Elektrode aus NiAu und eine n-Elektrode aus Al ausgebildet, wobei eine LED erhalten wurde.
  • Wenn an die LED ein Strom von 20 mA in Durchlassrichtung angelegt wurde, zeigte jeder Prüfling eine klare blaue Lichtemission. Die Leuchtdichte betrug 6028 mcd und die Peakwellenlänge der Lichtemission betrug 473 nm. Entsprechend der Lichtemissionswellenlänge wurde der Molenbruch von InN (α) mit 30,4 % gemäß den oben beschriebenen Gleichungen (3) berechnet.
  • Gemäß der Beurteilung im Hinblick auf die durch Röntgenbeugung bestimmten Satellitenreflexion der Mehrfachquantentopfstruktur betrug der Molenbruch von InN (W) 1,93 % ausgedrückt als der Mittelwert der gesamten Mehrfachquantentopfstruktur, woraus sich ein Molenbruch von InN (R) von 11,58 % ergab. Das Verhältnis R/α betrug 38,1 %.
  • Die LED wurde durch einen elektrostatischen Entladungstest beurteilt und sie wies eine elektrostatische Entladungsdurchbruchspannung in Sperrrichtung von 225 V auf. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.
  • Beispiel 2
  • Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Dicke der p-GaN-Schicht auf 450 nm geändert wurde. Die LED wurde unter den gleichen Bedingungen wie von Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
  • Beispiel 3
  • Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Dicke der p-GaN-Schicht auf 300 nm geändert wurde. Die LED wurde unter den gleichen Bedingungen wie von Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
  • Referenzbeispiel 1
  • Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Dicke der p-GaN-Schicht auf 150 nm geändert wurde. Die LED wurde unter den gleichen Bedingungen wie von Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Eine LED wurde gemäß Referenzbeispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Haltestufe nach der Züchtung der InGaN-Schicht nicht durchgeführt wurde und die GaN-Schicht anschließend gezüchtet wurde. Die LED wurde unter den gleichen Bedingungen wie von Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 erhalten, wobei jedoch die Haltestufe nach der Züchtung der InGaN-Schicht nicht durchgeführt wurde und die GaN-Schicht anschließend gezüchtet wurde. Die LED wurde unter den gleichen Bedingungen wie von Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. TABELLE 1
    Figure 00200001
    TABELLE 2
    Figure 00200002
  • Durch Verwendung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters der vorliegenden Erfindung wird eine lichtemittierende Vorrichtung mit hoher Leuchtdichte und hervorragender elektrostatischer Entladungseigenschaft bereitgestellt.
  • Durch Verwendung des Verfahrens zur Herstellung des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters der vorliegenden Erfindung wird die oben beschriebene lichtemittierende Vorrichtung ohne weiteres hergestellt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter und Verfahren zur Herstellung desselben
  • Ein Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter wird beschrieben. Der Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter umfasst eine n-Schicht, eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und eine Mehrfachquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert, mindestens zwei Quantentopfstrukturen, die zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht InxGayAlzN zwischen den Barriereschichten umfassen, aufweist, wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 % beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.

Claims (5)

  1. Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine n-Schicht, eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und eine Mehrfachquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und mindestens zwei Quantentopfstrukturen, die zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfassen, aufweist, umfasst; und wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 % beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid (InN) ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.
  2. Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter, der eine n-Schicht, eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) mit einer Dicke von nicht weniger als 300 nm und eine Einzelquantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten aufweist, umfasst; und wobei das Verhältnis R/α nicht mehr als 42,5 % beträgt, wobei R der durchschnittliche Molenbruch von Indiumnitrid (InN) in der Quantentopfschicht ist, der durch Röntgenbeugung ermittelt wird, und α der Molenbruch von Indiumnitrid (InN) ist, der aus der Wellenlänge des von dem Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter aufgrund von Strominjektion emittierten Lichts berechnet wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, der eine n-Schicht, eine p-Schicht der Formel InaGabAlcN (a+b+c=1, 0≦a<1, 0<b≦1, 0≦c<1) und eine Quantentopfstruktur, die zwischen der n-Schicht und der p-Schicht existiert und eine Quantentopfstruktur, die mindestens zwei Barriereschichten und eine Quantentopfschicht der Formel InxGayAlzN (x+y+z=1, 0<x<1, 0<y<1, 0≦z<1) zwischen den Barriereschichten umfasst, aufweist umfasst, wobei das Verfahren die Stufen des Haltens der Quantentopfschicht zwischen der Beendigung der Quantentopfschichtzüchtung und dem Beginn der Barriereschichtzüchtung bei der Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht bei einer Temperatur, die gleich der oder höher als die Temperatur des Züchtens der Quantentopfschicht ist, und des Züchtens einer p-Schicht bis zu einer Gesamtdicke des Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters von 300 nm oder mehr umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Haltestufe ohne Zufuhr von Ausgangsmaterial für Elemente der Gruppe III durchgeführt wird.
  5. Lichtemittierende Vorrichtung eines Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiters, die den Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
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