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.