EP1228539A2 - Hocheffiziente uv-emitter auf nitridhalbleiterbasis - Google Patents

Hocheffiziente uv-emitter auf nitridhalbleiterbasis

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Publication number
EP1228539A2
EP1228539A2 EP00993057A EP00993057A EP1228539A2 EP 1228539 A2 EP1228539 A2 EP 1228539A2 EP 00993057 A EP00993057 A EP 00993057A EP 00993057 A EP00993057 A EP 00993057A EP 1228539 A2 EP1228539 A2 EP 1228539A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
light
semiconductor
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00993057A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Brandt
Patrick Waltereit
Klaus H. Ploog
Adrian Mahlkow
Peter Rotsch
Hartmut Illner
Wolfgang Eibner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SLI Miniature Lighting GmbH
Paul Drude Institut fuer Festkoerperelektronik
Original Assignee
SLI Miniature Lighting GmbH
Paul Drude Institut fuer Festkoerperelektronik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SLI Miniature Lighting GmbH, Paul Drude Institut fuer Festkoerperelektronik filed Critical SLI Miniature Lighting GmbH
Publication of EP1228539A2 publication Critical patent/EP1228539A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/32025—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth non-polar orientation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the invention relates generally to a layer structure with a substrate and at least one semiconductor layer based on a nitride semiconductor compound, a layered semiconductor crystal based on at least one nitride compound, light-emitting semiconductor components which contain at least one such layer structure or such a semiconductor crystal, and methods for producing the Layer structure, the semiconductor crystal or the components.
  • nitride semiconductors e.g. molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • multilayer systems are constructed from hexagonal nitrides (GaN, AIN and InN) as multiple quantum wells (MQWs).
  • MQWs multiple quantum wells
  • the band gap varies from 1.8 eV (InN) to 3.4 eV (GaN) to 6.2 eV (AIN).
  • the entire visible spectrum and the near UV can thus be covered with hexagonal nitride compounds.
  • the two types of white LEDs mentioned above can be implemented.
  • the unitary cell of hexagonal GaN has a hexagonal GaN (0001) plane (C plane, basal plane) and six rectangular GaN (1-100) planes (M planes, prism planes).
  • the c-axis runs perpendicular to the C-surface, while the equivalent a-axes point from the center of the hexagon to its corners (see Fig. 2).
  • Analogous names apply to nitride compounds (Al, In, Ga) N.
  • a special feature of the hexagonal nitride semiconductors are the enormous electrical polarization fields (in the range of 0.1 C / m 2 ) along the c-axis.
  • the polarization fields exist both in untensioned and in tensioned layers as spontaneous or piezo-polarization.
  • At the interfaces between different nitride compounds there is a discontinuity in the electrical polarization, which can lead to the formation of huge electrical fields. This effect is particularly pronounced with quantum wells, whose layer thickness d is in the range of a few nm, and leads to field strengths F in the range of several MV / cm, see FIG. 1 (b).
  • the object of the invention is to provide an improved semiconductor layer structure based on nitrides, which has a high wavelength stability and an emission in the UV region with a high quantum efficiency.
  • the semiconductor layer structure should, in particular, enable an increased radiation transition rate in light-emitting MQW structures.
  • the object of the invention is also to provide a light-emitting semiconductor component which contains such a layer structure and is distinguished by an increased luminous efficiency with high wavelength stability in the UV range. In particular, a white light-emitting diode with a constant color impression and particularly high and reproducible intensity should be created.
  • the object of the invention is also to provide methods for producing such a layer structure or such a light-emitting semiconductor component.
  • the basic idea of the invention consists in the production of a semiconductor layer structure, a layered semiconductor crystal or a light-emitting semiconductor component (LED or laser diode), in which one or more semiconductor layers based on group III nitride compounds with a hexagonal structure also have such an orientation is provided that the c-axes of the hexagonal structure parallel to the respective Substrate surface or layer level run.
  • At least one semiconductor layer made of a group III-N ⁇ tr ⁇ dverbmdung with a hexagonal structure on a flat, crystalline substrate is provided, which forms a monocrystalline epitaxial layer, the entire semiconductor layer being oriented so that the c-axis of the hexagonal structure parallel to the substrate surface proceeds.
  • the group III nitride compound eg GaN
  • the semiconductor layer is deposited epitaxially from the pure Group III nitride compound free of mixed phases.
  • a particularly advantageous feature of the invention is that the semiconductor layer has no internal spontaneous polarization.
  • the layer structure according to the invention thus differs fundamentally from conventional mixed phase systems, which in particular contain C-plane phases.
  • FIG. 1 (a) shows the situation in a semiconductor layer structure according to the invention, which is given without polarizations or electrical fields perpendicular to the MQW structure.
  • the valence and conduction bands are not inclined.
  • the spatial separation of the electron and hole states is avoided. This increases the overlap between the wave functions and the radiating recombination rate.
  • a concept for a UV diode is provided which contains a hexagonal nitride semiconductor, but has no electric fields parallel to the growth direction (perpendicular to the layer direction).
  • the avoidance of electrical polarization is realized by a special crystal orientation, the field freedom of which has been recognized by the inventors.
  • An M area is chosen as the growth area.
  • the M surface is non-polar (J.
  • the invention also relates to a method for growing crystalline group III nitride semiconductor layers on a substrate, in which the layer growth takes place during a first nucleation phase at a lower substrate temperature than during a later growth phase.
  • the drawing of M-level growth in the sequence of nucleation and growth phases according to the invention is a surprising result. After the previous growth attempts with GaN, for example on LAO, the growth could be done with the better lattice adaptation (M-level growth) at a high substrate temperature expected in the nucleation phase. At a high temperature, more energy was available to take up a layer structure with optimal lattice adaptation. hen. However, the inventors have found that a lower substrate temperature during the nucleation phase is important for the M-plane growth.
  • the invention has the following advantages.
  • the electrical fields in the layer growth direction are excluded in layer structures according to the invention.
  • the luminous efficiency of appropriately constructed light emitters increases considerably.
  • the M-level growth is not only isolated or dominant, but takes place over the whole area on wafer sizes, as are of interest for the construction of light-emitting components.
  • the M-plane growth also occurs with larger layer thicknesses above 1 ⁇ m.
  • known deposition methods e.g. MBE or MOCVD can be used.
  • an LED or laser diode which simultaneously fulfills requirements with regard to the high luminous efficiency and a stable emission (in particular a stable wavelength that is independent of the pump power) in the UV range.
  • Layer-shaped semiconductor crystals according to the invention are extremely easy to handle. A large number of layer-shaped semiconductor crystals can be used to construct so-called solid-state light sources, which are distinguished by a considerably improved use of energy due to the increased quantum efficiency.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the orientation of hexagonal nitride compounds in a (a) and conventional (b) layer structure according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the growth of M-plane GaN on an LAO substrate
  • FIG 8 shows schematic illustrations of layer structures or light-emitting components according to the invention.
  • the inventors have succeeded in producing hexagonal M-surface GaN on ⁇ -L ⁇ A10 2 (100) substrates of particularly good crystalline and morphological quality. They use the LiAlO 2 (100) surface mentioned above, but are by no means restricted to this material.
  • the substrate of a layer structure according to the invention The structure consists of ⁇ -L ⁇ A10 2 (LAO) and is oriented with its surface (100).
  • FIG. 2 The differences in the structure structure of the inventive layer structures in comparison with conventional GaN layers are illustrated schematically in FIG. 2.
  • a semiconductor layer 1 with a hexagonal crystal structure is arranged on a substrate 2 such that the c-axes lie in reference planes that run parallel to the substrate surface 3.
  • the three a-axes are arranged parallel or inclined relative to the substrate surface 3.
  • the semiconductor layer 1 consists of GaN, AIN or InN or a mixed composition (Ga, AI, In) N.
  • the substrate 2 is an LAO substrate (for details see FIG. 3), the substrate surface 3 being aligned parallel to the (100) surface of the LAO stall.
  • the (100) area of LAO is illustrated schematically in FIG. 3.
  • the GaN c-axis is oriented parallel to the LAO (010) direction. Two examples of M surfaces are shown in FIG. 3. However, other substrate materials such as ZnO or special areas of sapphire or SiC could also be suitable.
  • the substrate wafer is manufactured as follows. LAO crystals with a diameter of 35 mm are grown in a manner known per se using a fully automated Czochralski method with RF induction heating. The temperature gradients are set with an active post-heater and a floor heater, which is connected to additional turns of the RF coil. The growth rate is 2 mm / h at a rotation frequency of 40 Hz. The growth takes place in a nitrogen atmosphere. The wafers with a size of 10 ⁇ 10 mm 2 are cut and polished from the grown crystal, as is known per se from semiconductor technology, for example from the processing of Si wafers. The wafers are characterized by a high structural and morphological quality.
  • X-ray diffraction measurements result in symmetrical XRC signals (so-called rockmg curves) with characteristic latitudes below 25 arc seconds.
  • a scanning force microscopic examination reveals a roughness (“mountain-valley roughness”) of less than 10 nm over an area of 10 ⁇ 10 ⁇ m 2 .
  • the LAO wafers are then immediately subjected to the further process or stored in a dry atmosphere.
  • the wafer is then cleaned. It has been found that careful substrate cleaning is of great importance for achieving the desired crystal orientation in layered structures according to the invention.
  • the cleaning is preferably carried out in an anhydrous solvent with simultaneous ultrasound treatment. For example, 100% pure acetone is used as the solvent.
  • the GaN layer on the wafer is grown using a commercially available MBE apparatus, e.g. with a standard Riber system equipped with conventional effusion cells and an EPI-RF plasma cell for the release of active nitrogen.
  • the MBE apparatus is also equipped with a RHEED device to observe the layer growth.
  • the substrate temperature is monitored pyro etrically.
  • the layers are deposited in two phases.
  • a lower substrate temperature in the range of around 550 ° C to 600 ° C
  • the temperatures are preferably 570 ° C in the first phase and 700 ° C in the second phase.
  • GaN is nucleated on the LAO wafer until a layer thickness of approx. 20 to 30 n is achieved.
  • the first phase (nucleation phase) at the lower substrate temperature lasts with a growth rate of approximately 0.3 ⁇ m / h. 3 minutes.
  • the temperature is then increased to the higher value.
  • the approx. 3 min phase of the temperature transition the layer Growth continued.
  • the increased substrate temperature is then increased.
  • the layer growth takes place at a speed in the range from 0.3 ⁇ m / h to 1 ⁇ m / h.
  • the crystal orientation of the M-plane GaN and the phase purity of the layers produced according to the invention is determined by the methods described below with reference to FIGS. 4 to 6 characterized.
  • phase purity of the layer and its orientation relative to the substrate are examined using X-ray and Raman measurements.
  • 6 shows a high-resolution X-ray examination, a symmetrical three-crystal ⁇ / 2 ⁇ profile.
  • the signal at 16.15 ° corresponds exactly to the Ga (1-100) planes
  • the substrate is represented by the LAO (200) peak at 17.32 °.
  • Possible portions of C-GaN were characterized by a signal at 17.28 °, the GaN (0002) reflex.
  • the production of phase-pure M-GaN is thus proven within the measuring accuracy.
  • "x-ray rocking curves" hm no tilting of the M-GaN area relative to the
  • LAO (200) faces can be found.
  • the surface morphology of the M-surface oriented GaN layers is also characterized by a low roughness.
  • Atomic force microscopic investigations showed a "mountain valley roughness" of approximately 1 n to 5 x 5 ⁇ m 2 .
  • an MQW structure 10 according to FIG. 8 (a) continues the growth phase described above with successively different layer compositions Fig. 9 (b) formed.
  • the MQW structure 10 comprises a sequence of thin InGaN layers 11 (thickness approximately 2 to 3 nm) and thicker GaN layers 12 (thickness approximately 10 mm).
  • FIG. 8 (c) A light-emitting component that is constructed with an MQW structure according to FIG. 8 (b) is illustrated schematically in FIG. 8 (c).
  • a first electrical contact 21 m in connection with the lowermost sublayer and a second electrical contact 22 in connection with the uppermost sublayer are illustrated.
  • 8 (c) is only a schematic illustration. Basically, a light-emitting component is constructed in terms of the dimensions, the introduction of dopings to form pn junctions and the attachment of the electrical contacts, as is known from conventional light emitters ,
  • a key point of the invention is a UV diode with a stable emission wavelength, which is achieved by field freedom within the MQW.
  • the inventors have grown GaN / (Al, Ga) N MQW structures on the conventional C surface and the novel M surface. 7 shows photoluminescence spectra of these samples at room temperature.
  • C-area-oriented MQWs have a lower transition energy (due to the internal field F) and a reduced quantum efficiency.
  • the luminescence of the M-area oriented MQWs corresponds exactly to that which is determined by means of self-consistent Schrodmger-Poisson calculations for such a layer sequence in the absence of any internal fields.
  • the theoretically predicted field freedom has also been shown experimentally. In addition to the improvement of the internal
  • the inventors also presented quantum efficiency as a concept for improving the coupling-out efficiency.
  • External quantum efficiency is the product of internal quantum efficiency and decoupling efficiency.
  • the former denotes the fraction of the internally radiant recombining electron-hole pairs, the latter the fraction of the photons internally generated by radiative recombination, which leave the material.
  • the goal must therefore be to maximize the fraction of the internally generated photons that can leave the material after the first internal emission act. This goal can be achieved by the concept of the integrated thin film LED, which was developed in 1993 by Schnitzer et al. ("Appl. Phys. Lett.”, Vol.
  • the substrate is removed and the epitaxial layer bonded to a reflector. This measure prevents the absorption of the light in the substrate or the lateral decoupling of the light with a transparent substrate and thus the need for an external reflector.
  • the surface is statistically textured. This texturing reduces the internal reflection and therefore means that a much larger part of the light can be coupled out than with the usual planar design.
  • the external quantum efficiency of (AI, Ga) As LEDs is more than tripled.
  • structured texturing is carried out using a sacrificial mask. Compared to the conventional dome design of an LED can be based on this
  • SMD surface mounted devices
  • the substrate material LAO was not considered as substrate material of interest before the invention, because it is chemically highly reactive. This property is advantageously used in the production of layered crystals according to the invention.
  • the self-supporting layer 30, which can also be a multi-layer according to FIG. 8 (b), can then be used to construct an on-chip LED, which is shown schematically in plan view in FIG. 8 (e).
  • An on-chip LED comprises a plurality of MQW structures 10, which are arranged as lighting elements on a common carrier 20.
  • the individual MQWs 10 have a size of 200 x 200 ⁇ m 2 , for example. They can be extremely dense with mutual distances of less than 50 ⁇ m are arranged. In the distances between the MQWs
  • the carrier 20 can be formed by any suitable flat or curved substrate material.
  • the carrier 20 is preferably a foreign substrate which is adapted to the application of the light-emitting component, that is to say preferably serves as a reflector.
  • the size of the individual lighting elements is essentially given by possible thermal stresses between the MQW structure and the carrier substrate and can be brought into the range of square centimeters by a suitable choice. This represents an essential advantage of the invention. Such large lighting elements cannot be produced with conventional semiconductor components.
  • the MQW structures 10 are arranged on the carrier 20 as follows. First, according to FIG. 8 (d), MQW structures are produced as self-supporting layers. When dissolving the original LAO substrate z. B. in water, the crystal layers 30 float on the water surface. For the transfer to the target substrate 20, the crystal layers 30 are fished out from the water surface and arranged accordingly on the carrier 20 as MQW structures 10. An additional fastening is not necessary since a physical bond (van der Waals bond) is formed between the MWQ structures 10 and the carrier 20.
  • the light emitting device shown in Fig. 8 (e) is with
  • the carrier 20 itself is formed by a reflector.
  • a fluorescent layer is applied over the MQW structures 10, as is known from discharge fluorescent tubes. The UV emission of the MQW structures 10 excites the phosphor to emit visible light.

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Abstract

Es werden ein Halbleiter-Schichtaufbau, ein schichtförmiger Halbleiterkristall und ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement (LED oder Laser-Diode) beschrieben, bei denen eine oder mehrere Halbleiterschichten auf der Basis von Gruppe-III-Nitridverbindungen mit hexagonaler Struktur mit einer derartigen Orientierung vorgesehen sind, dass die c-Achsen der hexagonalen Struktur parallel zur jeweiligen Substratoberfläche oder Schichtebene verlaufen. Mit dieser Schichtorientierung werden die Nachteile herkömmlicher Halbleiterbauelemente hinsichtlich der Leuchteffizienz, der Wellenlängenstabilität und der Reproduzierbarkeit von Emissionseigenschaften überwunden.

Description

Hocheffiziente UV-Emitter auf Nitπdhalbleiterbasis
Die Erfindung betrifft allgemein einen Schichtaufbau mit einem Substrat und mindestens einer Halbleiterschicht auf der Basis einer Nitridhalbleiterverbmdung, einen schichtformigen Halbleiterkristall auf der Basis mindestens einer Nitridverbindung, lichtemittierende Halblei- terbauelemente, die mindestens einen derartigen Schichtaufbau oder einen derartigen Halbleiterkristall enthalten, und Verfahren zur Herstellung des Schichtauf- baus, des Halbleiterkristalls bzw. der Bauelemente.
Es gibt in der Beleuchtungstechnologie starke Bestrebungen, konventionelle Lampen durch weiße Emitter auf Basis von Halbleiterdioden zu ersetzen. Dies hatte den Vorteil einer erheblich gesteigerten Lebensdauer. Dies fuhrt, etwa in der Automobilmdustrie, zu deutlich gesenkten Kosten für Reparaturen. Es gibt zur Zeit zwei Ansätze für Weißlichtdioden . In einer ersten Variante pumpt eine blaue Leuchtdiode einen gelben Phosphor, der resultierende Gesamteindruck ist weiß. Neuerdings wird auch an einem zweiten Ansatz geforscht. Eine UV-Leuchtdiode pumpt einen weißen Phosphor, das Ergebnis ist wiederum weißes Licht. Wegen der Lichtumwandlung wird dieses Bauelement auch Lu- coled (Lummescence conveision led) genannt. Es ist erkennbar, daß die erste Variante problematischer ist, da zwei Farben gemischt werden müssen. Eine solche Mischung kann beim Betrachter eventuell einen anderen Eindruck als weißes Licht erwecken, falls die Wellenlange der blauen Diode schwankt. Es gibt daher große Anstrengungen, eine hocheffiziente Leuchtdiode im UV für die Anregung eines weißen Phosphors zu realisieren. Dies ist mit hexagonalen Nitridhalbleitern möglich, da diese im UV emittieren können. Allerdings liegt die Leuchtleistung von state-of- the-art UV-Dioden aus Nitridhalbleitern im Bereich von 5-10 lm/W. Selbst bei einer kompletten Umwandlung des UV- Lichtes in weißes Licht können heutige weiße LEDs zu Beleuchtungszwecken nicht mit konventionellen Glühlampen
(12-20 lm/W) oder gar Halogen- oder Gasentladungslampen
(30 bzw. 70 lm/W) konkurrieren.
Zur Herstellung von Bauelementen auf Nitridhalbleiterbasis werden die verschiedensten Abscheidungsverfahren, wie z.B. die Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) , eingesetzt. Zur Herstellung von Halbleiter-Leuchtdioden und - Laserdioden werden aus hexagonalen Nitriden (GaN, AIN und InN) Mehrfachschichtsysteme als Multiple Quantum Wells (MQWs) aufgebaut. Je nach Zusammensetzung variiert dabei die Bandlucke von 1.8 eV (InN) über 3.4 eV (GaN) bis 6.2 eV (AIN) . Somit laßt sich das gesamte sichtbare Spektrum sowie das nahe UV mit hexagonalen Nitridverbindungen abdecken. Insbesondere lassen sich die beiden oben genannten weißen Leuchtdiodentypen realisieren.
Die Einheitszelle von hexagonalem GaN besitzt eine sechseckige GaN (0001) -Ebene (C-Flache, Basalebene) sowie sechs rechteckige GaN ( 1-100) -Ebenen (M-Flachen, Prismenflachen) . Die c-Achse verlauft dabei senkrecht zur C-Flache, wahrend die äquivalenten a-Achsen vom Zentrum des Hexa- gons zu dessen Ecken zeigen (s. Fig. 2) . Bei Nitridverbindungen (Al,In,Ga)N gelten analoge Bezeichnungen.
Eine Besonderheit der hexagonalen Nitridhalbleiter sind die enormen elektrischen Polarisationsfelder (im Bereich von 0.1 C/m2) entlang der c-Achse. Zur Zeit wird aus- schließlich entlang der c-Achse gewachsen, abgesehen von einzelnen Versuchen auf vizmalen GaN (0001) -Flachen. Die Polarisationsfeider existieren sowohl in unverspannten als auch in verspannten Schichten als spontane bzw. Pie- zo-Polaπsation. An Grenzflachen zwischen verschiedenen Nitridverbindungen ergibt sich eine Diskontinuität der elektrischen Polarisation, die zur Ausbildung riesiger elektrischer Felder fuhren kann. Dieser Effekt ist besonders bei Quantum Wells, deren Schichtdicke d im Bereich weniger nm liegt, ausgeprägt und fuhrt zu Feldstarken F im Bereich mehrerer MV/cm, siehe Fig. 1 (b) . Im Quantum Well fuhrt dies zu einer raumlichen Trennung der Wellen- funktionen von Elektronen und Lochern. Diese Trennung ist im allgemeinen vergleichbar mit d. Dies hat zwei wichtige Konsequenzen von erheblichem Nachteil. Erstens wird die Emissionsenergie um etwa F x d herabgesenkt (Stark- Effekt), zweitens ist der Elektron-Loch-Uberlapp stark reduziert (verringertes Matrix-Element). Der kleinere Überlapp fuhrt zu einer Erhöhung der strahlenden Lebenszeit xr und damit einer Verringerung der internen Quanteneffizienz η. Hierbei ist η= xnr / ( xnr + xr) mit der Lebenszeit xnr nichtstrahlender Konkurrenzprozesse.
Im Falle von GaN Quantum Wells und (Al,Ga)N Barrieren laßt sich der Überlapp durch Beimischung geringer Mengen von In in den Quantum Well verbessern. Dieser Effekt wurde z. B. von T. Mukai et al. ( „J. Cryst. Growth", Bd. 189/190, 1998, S. 778 ff.) durch eine Lokalisierung von Ladungsträgern an statistischen (In,Ga)N Kompositionsfluktuation erklart. Diese Dotierung mit In hat jedoch zwei entscheidende Nachteile: Die Emissionsenergie wird erstens weiter verringert (wobei doch gerade eine UV- Emission erwünscht wäre) und zweitens in einer unreproduzierbaren Art und Weise. Zwar kann die gemittelte Dotie- rung mit In bekannt sein, jedoch fuhren statistische
Fluktuationen zu einer keineswegs im nm-Bereich reproduzierbaren Wellenlange. Die über einen Wafer hinweg instabile Wellenlange kann damit den weißen Phosphor nur verschieden stark pumpen, die Intensität des Weißlichtemitters schwankt. Im Falle einer Mischung aus blauem LED-Licht und gelben Phosphors fuhrt eine Schwankung der Wellenlange zu der oben genannten Problematik des Gesamtfarbeindruckes sowie ebenfalls zu einer Intensitatsfluk- tuation .
Von der Vielzahl verfugbarer Substratmaterialien für lichtemittierende Bauelemente werden gegenwartig vor allem Saphir und wurtzitformiges 6H-SiC untersucht. Diese besitzen verschiedene Vor- und Nachteile, können unter jeweils geeigneten Wachstumsbedingungen aber exzellente hexagonale Nitridhalbleiterschichten liefern (s. z.B. S. Nakamura, G. Fasol in "The Blue Laser Diode", Springer- Verlag, 1997). Allerdings bildet sich auf beiden Substraten stets C-Flachen GaN, welches die oben genannten elektrischen Felder impliziert.
Von P. Waltereit et al. ("Appl. Phys . Lett.", s. o.) und von E. S. Hellman et al. (s. "Internet Journal of Nitride Semiconductor Research", Bd. 2, 1997, Artikel 30) wurde das C-Flachen-Wachstum auch auf LiA102 ( 100) -Substraten beobachtet. Allerdings erwähnt E. S. Hellman et al . , daß die M-Flachen von GaN eine sogar bessere Gitteranpassung an LiAlO2(100) haben sollten. In der Publikation wird kein Hinweis darauf gegeben, wie die Herstellung von M-Ebenen- GaN ganz oder teilweise ausgeführt werden konnte. Es werden lediglich theoretische Erkenntnisse in Bezug auf die Gittereigenschaften beschrieben, die jedoch nicht in die Praxis umgesetzt werden konnten. Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Halbleiter-Schichtaufbau auf der Basis von Nitriden bereitzustellen, der eine hohe Wellenlangenstabilitat und eine Emission im UV-Bereich mit hoher Quantenausbeute besitzt. Der Halbleiter-Schichtaufbau soll insbesondere eine erhöhte strahlende Ubergangsrate in lichtemittierenden MQW-Strukturen ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bereitzustellen, das einen derartigen Schichtaufbau enthalt und sich durch eine erhöhte Leuchteffizienz bei hoher Wellenlangenstabilitat im UV-Bereich auszeichnet. Es soll insbesondere eine Weißlichtleuchtdiode mit konstantem Farbeindruck sowie besonders hoher und reproduzierbarer Intensität geschaffen werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schichtaufbaus bzw. eines derartigen licht-emittierenden Halbleiterbauelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Schichtaufbau, einen Halbleiterkristall, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement und ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6, 7 bzw. 11 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung besteht in der Herstellung eines Halbleiter-Schichtaufbaus, eines schichtformigen Halbleiterkristalls bzw. eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (LED oder Laser-Diode) , bei denen eine oder mehrere Halbleiterschichten auf der Basis von Grup- pe-III-Nitridverbindungen mit hexagonaler Struktur mit einer derartigen Orientierung vorgesehen sind, daß die c- Achsen der hexagonalen Struktur parallel zur jeweiligen Substratoberflache oder Schichtebene verlaufen. Mit dieser Schichtorientierung werden die oben erläuterten Nachteile herkömmlicher Halbleiterbauelemente hinsichtlich der Leuchteffizienz, der Schichtstabilitat und der Reproduzierbarkeit von Emissionseigenschaften überwunden.
Es ist insbesondere mindestens eine Halbleiterschicht aus einer Gruppe-III-Nιtrιdverbmdung mit einer hexagonale Struktur auf einem ebenen, kristallinen Substrat vorgesehen, die eine monokristallme Epitaxieschicht bildet, wobei die gesamte Halbleiterschicht so orientiert ist, dass die c-Achse der hexagonalen Struktur parallel zur Substratoberflache verlauft. Die Gruppe-III-Nitridverbmdung (z. B. GaN) wird vorzugsweise als M-Ebenen-Schicht mit (1-100) -Orientierung gebildet. Die Halbleiterschicht wird epitaktisch aus der reinen Gruppe-III-Nitridverbmdung frei von Mischphasen abgeschieden.
Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Halbleiterschicht keine innere spontane Polarisation aufweist. Damit unterscheidet sich der er- fmdungsgemaße Schichtaufbau grundsatzlich von herkömmlichen Mischphasensystemen, die insbesondere C-Ebenen- Phasen enthalten.
In Fig. l(a) ist die Situation m einem erfmdungsgemaßen Halbleiter-Schichtaufbau gezeigt, die ohne Polarisationen bzw. elektrische Felder senkrecht zur MQW-Struktur gegeben ist. Die Valenz- und Leitungsbander sind nicht geneigt. Außerdem wird die räumliche Trennung der Elektronen- und Lochzustande vermieden. Damit wird der Überlapp zwischen den Wellenfunktionen und die strahlende Rekombinationsrate vergrößert. Es wird ein Konzept für eine UV-Diode bereitgestellt, die einen hexagonalen Nitridhalbleiter enthalt, jedoch keine elektrischen Felder parallel zur Wachstumsrichtung (senkrecht zur Schichtrichtung) besitzt. Die Vermeidung elektrischer Polarisation wird durch eine spezielle Kristallorientierung realisiert, deren Feldfreiheit von den Erfindern erkannt worden ist. Als Wachstumsflache wird eine M-Flache gewählt. Die M-Flache ist unpolar (J. Neugebauer et al., "Phys. Rev. B", Bd. 53, 1996, S. R10477 ff.) und besitzt somit keine spontane Polarisation. Weiterhin findet bei Mehrschichtsystemen keine Piezopolarisation senkrecht zu dieser M-Flache statt, da die Elemente ε3i und ε32 des Verspannungstensors verschwinden (siehe den piezoelektrischen Tensor für hexagonale Nitridhalbleiter z. B. in W. Ludwig: "Festkörperphysik", Akademische Verlagsgesellschaft, Wiesbaden, 1978). Somit können sich keine elektrischen Felder parallel zur Wachstumsrichtung ausbilden, und die beiden oben angeführten Nachteile dieser Felder können nicht auftreten.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Wachstum kristalliner Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter- schichten auf einem Substrat, bei dem das Schichtwachstum wahrend einer ersten Nukleationsphase bei einer geringeren Substrattemperatur als wahrend einer spateren Wachstumsphase erfolgt. Die Auslosung von M-Ebenen-Wachstum bei der erfindungsgemaßen Abfolge von Nukleations- und Wachstumsphasen stellt ein überraschendes Ergebnis dar. Nach den früheren Wachstumsversuchen mit GaN z.B. auf LAO konnte das Wachstum mit der besseren Gitteranpassung (M- Ebenen-Wachstum) bei einer hohen Substrattemperatur in der Nukleationsphase erwartet werden. Bei einer hohen Temperatur wurde mehr Energie zur Einnahme einer Schichtstruktur mit optimaler Gitteranpassung zur Verfugung ste- hen. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß gerade eine niedrigere Substrattemperatur wahrend der Nukleationsphase von Bedeutung für das M-Ebenen-Wachstum ist.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Im Vergleich zum herkömmlichen C-Ebenen-GaN werden in erfin- dungsgemaßen Schichtstrukturen die elektrischen Felder in Schichtwachstumsrichtung (senkrecht zur Substratebene) ausgeschlossen. Dadurch steigt die Leuchteffizienz von entsprechend aufgebauten Lichtemittern erheblich. Es hat sich gezeigt, daß das M-Ebenen-Wachstum nicht nur vereinzelt oder domanenhaft, sondern ganzflachig auf Wafer- Großen erfolgt, wie sie für den Aufbau lichtemittierender Bauelemente von Interesse sind. Das M-Ebenen-Wachstum erfolgt auch bei größeren Schichtdicken oberhalb 1 μm. Zur Herstellung der erfindungsgemaßen Schichtstrukturen können an sich bekannte Abscheidungsverfahren, wie z.B. MBE oder MOCVD, verwendet werden.
Mit der Erfindung wird erstmalig eine LED- oder Laserdiode geschaffen, die simultan Anforderungen in Bezug auf die hohe Leuchteffizienz und eine stabile Emission (insbesondere stabile, von der Pumpleistung unabhängige Wellenlange) im UV-Bereich erfüllt. Erfindungsgemaße schichtformige Halbleiterkristalle lassen sich hervorragend handhaben. Eine Vielzahl von schichtformigen Halbleiterkristallen laßt sich zum Aufbau sogenannter Solid- State-Lichtquellen verwenden, die sich durch eine erheblich verbesserte Energieausnutzung aufgrund der erhöhten Quantenausbeute auszeichnen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefugten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Kurvendarstellungen von Bandprofilen in erfin- dungsgemaßen (a) bzw. herkömmlichen (b) MQW-Strukturen,
Fig. 2 eine schematische Illustration der Orientierung hexagonaler Nitridverbindungen in einem erfindungsgemaßen (a) und herkömmlichen (b) Schichtaufbau,
Fig. 3 eine schematische Illustration des Wachstums von M-Ebenen-GaN auf einem LAO-Substrat ,
Fig. 4 RHEED-Muster zum Nachweis der Kristallorientierung in erfindungsgemaßen Schichtstrukturen,
Fig. 5 Raman-Spektren zum Nachweis der Phasenreinheit erfindungs emäßer SchichtStrukturen,
Fig. 6 ein Rontgen-Spektrum zum Nachweis der Kristallorientierung in erfindungsgemaßen Schichtstrukturen,
Fig. 7 Lumineszenzspektren von erfindungsgemaßen (a) bzw. herkömmlichen (b) MQW-Strukturen, und
Fig. 8 schematische Illustrationen von erfindungsgemaßen Schichtstrukturen bzw. lichtemittierenden Bauelementen.
Den Erfindern ist es erstmalig gelungen, hexagonales M- Flachen-GaN auf γ-LιA102 (100 ) -Substraten von besonders guter kristalliner und morphologischer Qualität herzustellen. Sie benutzen dafür die oben erwähnte LiAlO2(100)- Flache, beschranken sich aber keineswegs auf dieses Material. Das Substrat einer erfindungsgemaßen Schichtstruk- tur besteht also exemplarisch aus γ-LιA102 (LAO) und ist mit seiner Oberflache (100) orientiert.
Die Unterschiede der Kπstallstrukturoπentierung erfin- dungsgemaßer Schichtstrukturen im Vergleich mit herkömmlichen GaN-Schichten sind in Fig. 2 schematisch illustriert. Gemäß dem oberen Teil (a) von Fig. 2 ist eine Halbleiterschicht 1 mit hexagonaler Kristallstruktur auf einem Substrat 2 so angeordnet, daß die c-Achsen in Bezugsebenen liegen, die parallel zur Substratoberflache 3 verlaufen. Die drei a-Achsen sind parallel oder geneigt relativ zur Substratoberflache 3 angeordnet. Die Halbleiterschicht 1 besteht aus GaN, AIN oder InN oder einer gemischten Zusammensetzung (Ga, AI, In)N. Das Substrat 2 ist ein LAO-Substrat (Einzelheiten s. Fig. 3), wobei die Substratoberflache 3 parallel zur (100) -Flache des LAO- Kπstalls ausgerichtet ist.
Bei einer herkömmlichen GaN-Schicht 1 ' auf einem Substrat 2', beispielsweise aus Saphir, wie sie im unteren Teil von Fig. 2 illustriert ist, verlaufen die c-Achse senkrecht und die C-Ebenen parallel zur Substratoberflache 3'. Dadurch bauen sich die oben erläuterten elektrischen Felder senkrecht zur Substratoberflache 3 ' parallel zu den c-Achsen auf.
LAO (100) besitzt eine tetragonale Einheitszelle mit den Dimensionen a = b = 5.1687 Ä und c = 6.2679 Ä (s. M. Ma- rezio in "Acta Cryst.", Bd. 19, 1965, S. 396 ff.) Es gehört zur Raumgruppe P4x2ι2. Die (100) -Flache von LAO ist schematisch in Fig. 3 illustriert. Die Erfinder haben erstmals experimentell bestätigt, daß die M-Flache von GaN mit den Gitterkonstanten aGaN = 3.1876 Ä und cGaN = 5.1846 Ä hervorragend an die (100) -Flache des LAO- Substrats angepaßt ist. Dabei orientiert sich die c-Achse von GaN parallel zur LAO (010) -Richtung . Zwei Beispiele von M-Flachen sind in Fig. 3 eingezeichnet. Allerdings konnten auch andere Substratmaterialien wie etwa ZnO oder spezielle Flachen von Saphir oder SiC dafür geeignet sein.
Im folgenden wird die Herstellung einer einzelnen GaN- Schicht mit Wurtzit-Struktur auf einem LAO ( 100) -Substrat beschrieben. Es wird beispielhaft auf die Herstellung einer GaN-Schicht mit einer Dicke von 1.5 μm auf einem 200 μm dicken ( 100) -orientierten LAO-Wafer mittels MBE Bezug genommen .
Der Substrat-Wafer wird wie folgt hergestellt. In an sich bekannter Weise werden mit einem vollständig automatisierten Czochralski-Verfahren mit RF-Induktionsheizung LAO-Kristalle mit einem Durchmesser von 35 mm gezüchtet. Die Temperaturgradienten werden mit einem aktiven Nachheizer und einem Bodenheizer eingestellt, der mit zusatzlichen Windungen der RF-Spule verbunden ist. Die Wachstumsrate betragt 2 mm/h bei einer Rotationsfrequenz von 40 Hz. Das Wachstum erfolgt in einer Stickstoffatmospha- re . Aus dem gezüchteten Kristall werden die Wafer mit einer Große von 10 x 10 mm2 geschnitten und poliert, wie es an sich aus der Halbleitertechnologie, z.B. von der Bearbeitung von Si-Wafern, bekannt ist. Die Wafer zeichnen sich durch eine hohe strukturelle und morphologische Qualltat aus. Rontgenbeugungsmessungen ergeben symmetrische XRC-Signale (sogenannte rockmg curves) mit charakteristischen Breiten unterhalb von 25 Bogensekunden. Eine ras- terkraftmikroskopische Untersuchung ergibt eine Rauhigkeit ( "Berg-Tal-Rauhigkeit" ) von weniger als 10 nm über einer Flache von 10 x 10 μm2. Die LAO-Wafer werden an- schließend unmittelbar dem weiteren Verfahren unterzogen oder in einer trockenen Atmosphäre gelagert.
Anschließend erfolgt eine Wafer-Reinigung . Es wurde festgestellt, daß eine sorgfältige Substratreinigung von großer Bedeutung für die Erzielung der gewünschten Kristallorientierung in erfindungsgemäßen Schichtstrutkuren ist. Die Reinigung erfolgt vorzugsweise in einem wasserfreien Lösungsmittel bei gleichzeitiger Ultraschallbehandlung. Als Losungsmittel wird beispielsweise 100% reines Aceton verwendet .
Das Wachstum der GaN-Schicht auf dem Wafer erfolgt mit einer kommerziell verfugbaren MBE-Apparatur, z.B. mit einem Standard-Riber-System, die mit herkömmlichen Effu- sions-Zellen und einer EPI-RF-Plasmazelle zur Freisetzung aktiven Stickstoffs ausgestattet ist. Die MBE-Apparatur ist zur Beobachtung des Schichtwachstums auch mit einer RHEED-Einrichtung ausgestattet. Die Substrattemperatur wird pyro etrisch überwacht.
Die Schichtabscheidung erfolgt in zwei Phasen. Wahrend der ersten Phase wird eine niedrigere Substrattemperatur (im Bereich von rd . 550°C bis 600°C) eingestellt als in der zweiten Phase (rd. 650°C bis 750°C) . Die Temperaturen betragen vorzugsweise 570°C in der ersten Phase und 700°C in der zweiten Phase. Wahrend der ersten Phase erfolgt die Nukleation von GaN auf dem LAO-Wafer, bis eine Schichtdicke von rd. 20 bis 30 n erzielt ist. Die erste Phase (Nukleationsphase) bei der niedrigeren Substrattemperatur dauert mit einer Wachstumsrate von ungefähr 0.3 μm/h rd. 3 Minuten. Anschließend wird die Temperatur auf den höheren Wert gesteigert. Während der ungefähr 3 min dauernden Phase des Temperaturubergangs wird das Schicht- Wachstum fortgesetzt. Bei der erhöhten Substrattemperatur
(Wachstumsphase) erfolgt das Schichtwachstum mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0.3 μm/h bis 1 μm/h.
Die Kristallorientierung des M-Ebenen-GaN und die Phasenreinheit der erfindungsgemaß hergestellten Schichten wird durch die im folgenden beschriebenen Methoden unter Bezug auf die Fign. 4 bis 6 charakterisiert.
Fig. 4 (a)-(d) zeigen vier RHEED-Beugungsmuster einer 1.5 μm-dicken GaN-Schicht. Aus den Abstanden der Gitterstabe im reziproken Raum laßt sich eindeutig auf die Periodizi- tat der Oberflache im Realraum schließen. Die Richtung dieser Periodizitat ist senkrecht zum Azimuth des RHEED- Strahles. Im vorliegenden Fall wurden für die vier Winkel 0°, 38°, 58°, 90° die Periodizitaten 5.18 Ä, 2.01 Ä, 2.70 Ä und 3.15 Ä gefunden. Innerhalb der Meßgenauigkeit entsprechen diese Kombinationen aus Azimuth und Periodizitat gerade der Prismenflache (1-100) von hexagonalem GaN. Die beobachteten Azimuthe sind in Abb. (e) skizziert. Die Abwesenheit anderer Beugungsbeitrage ist ein erster Hinweis auf die Phasenreinheit der Schicht.
Die Phasenreinheit der Schicht und ihre Orientierung relativ zum Substrat wird mittels Röntgen- und Ramanmessun- gen untersucht. Fig. 6 zeigt eine hochauflosende Rontgen- untersuchung, ein symmetrisches Dreikristall ω/2θ Profil. Das Signal bei 16.15° entspricht gerade den Ga (1-100)- Ebenen, das Substrat ist durch den LAO (200) Peak bei 17.32° repräsentiert. Mögliche Anteile von C-GaN waren durch ein Signal bei 17.28°, dem GaN (0002 ) -Reflex, gekennzeichnet. Innerhalb der Meßgenauigkeit ist damit die Herstellung von phasenreinem M-GaN nachgewiesen. In Zweikristallmessungen, "x-ray rocking curves", konnte weiter- hm keine Verkippung der M-GaN-Flache relativ zu den
LAO (200) -Flachen festgestellt werden.
Ein weiterer Nachweis der Phasenreinheit ist durch die Ramanmessungen m Fig. 5 gegeben. Hierbei wurden zunächst die Phononen der Schicht identifiziert (parallele Messung an unbewachsenem Substrat) und mit den experimentell gefundenen Auswahlregeln (siehe T. Azuhata et al . , "J. Phys. C", Bd. 7, 1995, L129 ff.) einer M-GaN Spaltflache einer dicken C-GaN Schicht verglichen. Die exzellente Übereinstimmung ist wegen der extrem hohen Eindringtiefe des Teststrahls ein Nachweis der Phasenreinheit der gesamten Schicht. Weiterhin konnte die Orientierung der M- GaN Schicht relativ zum LAO-Substrat bestimmt werden. Die LAO (001) -Richtung ist dabei senkrecht zur GaN (0001)- Richtung. Dies entspricht gerade der in Fig. 3 dargestellten Orientierung.
Die Oberflachenmorphologie der M-Flachen orientierten GaN-Schichten zeichnet sich zudem durch eine niedrige Rauhigkeit aus. Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen ergaben eine "Berg-Tal-Rauhigkeit" von etwa 1 n auf 5 x 5 μm2.
Fig. 8 illustriert verschiedene Gestaltungen erfmdungs- gemaßer Schichtaufbauten (a, b) , den Aufbau eines licht- emittierenden Bauelements (c) , die Herstellung eines schichtformigen Kristalls (d) und einer on-chip- Leuchtdiode mit einer Vielzahl lichtemittierender Elemente (e) . Ausgehend von einer Schichtstruktur mit einer einzelnen Halbleiterschicht 1 auf einem Substrat 2 gemäß Fig. 8(a) wird m Fortsetzung der oben beschriebenen Wachstumsphase mit aufeinanderfolgend verschiedenen Schichtzusammensetzungen eine MQW-Struktur 10 gemäß Fig. 9(b) gebildet. Die MQW-Struktur 10 umfaßt eine Abfolge von dünnen InGaN-Schichten 11 (Dicke rd. 2 bis 3 nm) und dickere GaN-Schichten 12 (Dicke rd. 10 mm) . Ein lichtemittierendes Bauelement, das mit einer MQW-Struktur gemäß Fig. 8 (b) aufgebaut ist, ist schematisch in Fig. 8 (c) illustriert. Zusatzlich zur MQW-Struktur 10 auf dem Substrat 2 sind ein erster elektrischer Kontakt 21 m Verbindung mit der untersten Teilschicht und ein zweiter elektrischer Kontakt 22 in Verbindung mit der obersten Teilschicht illustriert. Fig. 8 (c) stellt lediglich eine schematische Illustration dar. Grundsätzlich ist ein lichtemittierendes Bauelement in Bezug auf die Dimensionierung, die Einbringung von Dotierungen zur Bildung von pn-Ubergangen und die Anbringung der elektrischen Kontakte so aufgebaut, wie es von herkömmlichen Lichtemittern bekannt ist.
Ein Kernpunkt der Erfindung ist eine UV-Diode mit stabiler Emissionswellenlange, die durch Feldfreiheit innerhalb des MQW erreicht wird. Dazu haben die Erfinder GaN/(Al,Ga)N MQW Strukturen auf der konventionellen C- Flache sowie der neuartigen M-Flache gezüchtet. Fig. 7 zeigt Photolumineszenzspektren dieser Proben bei Raumtemperatur. Man erkennt deutlich die oben genannten Konsequenzen elektrischer Felder auf die Emission. C-Flachen- orientierte MQWs besitzen eine kleinere Ubergangsenergie (durch das interne Feld F) sowie eine verminderte Quanteneffizienz. Die Lumineszenz der M-Flachen orientierten MQWs entspricht dabei genau derjenigen, die mittels selbstkonsisten Schrodmger-Poisson-Rechnungen für eine deartige Schichtfolge bei Abwesenheit jeglicher interne Felder bestimmt wird. Die theoretisch vorhergesagte Feldfreiheit ist damit auch experimentell gezeigt worden. Zusatzlich zur bisher genannten Verbesserung der internen
Quanteneffizienz wird von den Erfindern auch ein Konzept zur Verbesserung der Auskoppeleffizienz vorgestellt. Die externe Quanteneffizienz ist das Produkt aus interner Quanteneffizienz und der Auskoppeleffizienz. Erstere bezeichnet den Bruchteil der intern strahlend rekombinierenden Elektron-Loch-Paare, letztere den Bruchteil der durch strahlende Rekombination intern erzeugten Photonen, die das Material verlassen. Bei einer internen Quanteneffizienz kleiner eins fuhren die Totalreflektion an der Oberflache sowie Reabsorption in der aktiven Zone zu zusatzlichen Verlusten und damit zu einer weiter erniedrigten externen Quanteneffizienz. Ziel muß daher sein, den Bruchteil der intern erzeugten Photonen, die das Material nach dem ersten internen Emissionsakt verlassen können, zu maximieren. Dieses Ziel kann durch das Konzept der integrierten Dunnfilm-LED erreicht werden, das 1993 von Schnitzer et al. ("Appl. Phys . Lett.", Bd. 63 , 1993, S. 2174 ff.) vorgestellt wurde und aus zwei einfachen Prozeß-Schritten besteht. Im ersten Schritt wird das Substrat entfernt und die epitaktische Schicht auf einen Reflektor gebondet . Diese Maßnahme verhindert die Absorption des Lichts im Substrat bzw. die seitliche Auskopplung des Lichts bei transparentem Substrat und damit die Notwendigkeit eines externen Reflektors. Im zweiten Schritt wird die Oberflache statistisch texturiert . Diese Texturierung reduziert die interne Reflektion und bewirkt damit, daß ein weitaus größerer Teil des Lichtes ausgekoppelt werden kann als beim gewohnlichen planaren Design. Mit diesem Konzept konnte laut Schnitzer et al . die externe Quanteneffizienz von (AI, Ga) As-LEDs mehr als verdreifacht werden. Erfindungsgemaß wird im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken eine strukturierte Texturierung mit einer Opfermaske vorgenommen. Verglichen mit dem kon- ventionellen Dom-Design einer LED lassen sich auf diese
Art und Weise sogenannte SMD ("surface mounted devices") herstellen, die sich durch besonders kleine Ausmaße auszeichnen. Weiterhin ist die Prozeßfuhrung preiswerter.
Eine Texturierung von hexagonalem GaN ist technologisch etabliert, man benutzt etwa reaktives Ionenatzen mit Chlor. Ein Ablosen der Schicht vom Substrat ist auf herkömmlichen Saphir- oder SiC-Substraten allerdings nicht möglich, da diese nicht selektiv geatzt werden können. Eine mechanische Entfernung scheidet aber wegen der starken Schädigung der Schicht aus.
Das Substratmaterial LAO wurde vor der Erfindung auch deshalb nicht naher als interessierendes Substratmaterial in Betracht gezogen, da es chemisch stark reaktiv ist. Diese Eigenschaft wird bei der Herstellung erfindungsge- maßer schichtformiger Kristalle mit Vorteil ausgenutzt. Es besteht die Möglichkeit, nach Züchtung einer Schichtstruktur mit M-Flachen-Halbleitern 1 anschließend das LAO-Substrat 2 mit Wasser oder einer wassπgen Losung oder einer Saure aufzulösen, so daß eine freitragende Kristallschicht 30 entsteht, in der die c-Achsen der hexagonalen Halbleiterstruktur parallel zur Schichtebene ausgerichtet sind. Die freitragende Schicht 30, die auch eine Mehrfachschicht gemäß Fig. 8 (b) sein kann, kann dann zum Aufbau einer on-chip-LED verwendet werden, die in Draufsicht schematisch m Fig. 8 (e) gezeigt ist.
Eine on-chip-LED umfaßt eine Vielzahl von MQW-Strukturen 10, die als Leuchtelemente auf einem gemeinsamen Trager 20 angeordnet sind. Die einzelnen MQWs 10 besitzen beispielsweise eine Große von 200 x 200 μm2. Sie können extrem dicht mit gegenseitigen Abstanden von weniger als 50 μm angeordnet werden. In den Abstanden zwischen den MQWs
10 verlaufen (nicht dargestellt) elektrische Verbindungsleitungen zur Versorgung der einzelnen Elemente. Anstelle elektrischer Verbindungsleitungen können aber auch unter bzw. über der Ebene mit den MWQ-Strukturen großflächige, elektrisch leitfahige Kontaktelektroden vorgesehen sein, die alle Elemente simultan mit Injektionsstromen beaufschlagen. Der Trager 20 kann durch jedes geeignete ebene oder gekrümmte Substratmaterial gebildet werden. Vorzugsweise ist der Trager 20 ein Fremdsubstrat, das an die Anwendung des licht-emittierenden Bauelements angepaßt ist, also vorzugsweise als Reflektor dient.
Die Große der einzelnen Leuchtelemente ist im wesentlichen durch mögliche thermische Spannungen zwischen MQW- Struktur und Tragersubstrat gegeben und kann durch geeignete Wahl in den Bereich von Quadratzentimetern gebracht werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar. Derart große Leuchtelemente können mit herkömmlichen Halbleiterbauelementen nicht hergestellt werden.
Die MQW-Strukturen 10 werden wie folgt auf dem Trager 20 angeordnet. Zunächst werden gemäß Fig. 8 (d) MQW- Strukturen als freitragende Schichten hergestellt. Bei Auflosung des ursprunglichen LAO-Substrats z. B. in Wasser schwimmen die Kristallschichten 30 auf der Wasseroberflache auf. Zur Übertragung auf das Zielsubstrat 20 werden die Kristallschichten 30 von der Wasseroberflache abgefischt und entsprechend als MQW-Strukturen 10 auf dem Trager 20 angeordnet. Eine zusatzliche Befestigung ist nicht erforderlich, da sich zwischen den MWQ-Strukturen 10 und dem Trager 20 eine physikalische Bindung (van der Waals-Bindung) ausbildet. Das lichtemittierende Bauelement gemäß Fig. 8 (e) wird mit
Vorteil als Lichtquelle verwendet. Hierzu wird der Trager 20 selbst durch einen Reflektor gebildet. Zudem wird über den MQW-Strukturen 10 eine LeuchtstoffSchicht angebracht, wie es von Entladungs-Leuchtstoffröhren bekannt ist. Die UV-Emission der MQW-Strukturen 10 regt den Leuchtstoff zur Emission sichtbaren Lichtes an.
Die m der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Halbleiter-Schichtaufbau mit mindestens einer kristallinen Halbleiterschicht aus einer Gruppe-III-Nitridverbindung mit einer hexagonalen Struktur und einem ebenen, kristallinen Substrat, dadurch gekennzeichnet., dass die Halbleiterschicht auf dem Substrat eine monokristalline Epitaxieschicht bildet und die gesamte Halbleiterschicht so orientiert ist, dass die c-Achse der hexagonalen Struktur parallel zur Substratoberflache verlauft.
2. Halbleiter-Schichtaufbau gemäß Anspruch 1, bei der die Halbleiterschicht frei von Orientierungsmischphasen ist und keine innere spontane Polarisation aufweist.
3. Schichtaufbau gemäß einem oder beiden der Ansprüche 1 und
2, bei dem die Nitridverbindung GaN, AIN, InN oder Mischkristalle aus diesen umfasst.
4. Schichtaufbau gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, bei dem das Substrat LiA102 oder ZnO umfasst.
5. Schichtaufbau gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, der Teil eines lichtemittierenden Bauelements ist.
6. Schichtformiger Halbleiterkristall, der aus mindestens einer kristallinen Halbleiterschicht aus einer Gruppe-III- Nitridverbindung mit einer hexagonalen Struktur besteht, wobei die c-Achse der Kristallstruktur parallel zur Schichtebene verlauft und der hergestellt wird, indem ein Schichtaufbau gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 auf einem γ- LiA102-Substrat , dessen Substratoberflache der (100) -Flache von γ-LiA102 entspricht, abgeschieden und anschließend das Substrat nasschemisch aufgelost wird.
7. Lichtemittierendes Bauelement, das einen Schichtaufbau oder einen Halbleiterkristall gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 enthalt.
8. Lichtemittierendes Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem mindestens ein schichtformiger Halbleiterkristall auf einem thermisch angepassten Substrat mittels Wafer-Bondens oder anderer Verbindungs-Technologien angeordnet ist, die auf der Ausbildung von van-der-Waals-Krafte beruhen, wobei die Große der strahlungsaktiven Flache des lichtemittierenden Bauelements durch die Zahl der auf dem Substrat angeordneten schichtformigen Halbleiterkristalle bestimmt ist.
9. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem oder beiden Ansprüchen 7 und 8, bei dem die Halbleiteroberflache eine strukturierte, statistische Texturierung aufweist.
10. Lichtemittierendes Bauelement gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, das eine Leucht- oder Laserdiode oder eine Solid-State-Lichtquelle bildet.
11. Verfahren zum Wachstum mindestens einer kristallinen Halbleiterschicht auf der Basis einer Gruppe-III- Nitridverbindung durch Schichtabscheidung auf einem kristallinen Substrat nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtabscheidung in zwei Phasen erfolgt, wobei die Substrattemperatur wahrend der ersten Phase (Nukleationsphase) geringer als wahrend der zweiten Phase (Wachstumsphase) ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Substrattemperatur wahrend der Nukleationsphase im Bereich von 550 bis 600°C und wahrend der Wachstumsphase im Bereich von
650 bis 750°C liegt.
13. Verfahren gemäß einem oder beiden Ansprüchen 11 und 12, bei dem die Substrattemperatur wahrend der Nukleationsphase im Bereich von 560 bis 580 °C und wahrend der Wachstumsphase im Bereich von 690 bis 710°C liegt.
14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Schichtabscheidung mittels Molekularstrahlepitaxie erfolgt .
15. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Schichtabscheidung mittels metall-organischer chemischer Dampfabscheidung erfolgt.
16. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Schichtabscheidung auf einem γ-LiA102-Substrat erfolgt .
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