DE69333829T2

DE69333829T2 - Lichtemittierende Vorrichtung auf Basis einer Galliumnitrid-Halbleiterverbindung

Info

Publication number: DE69333829T2
Application number: DE69333829T
Authority: DE
Inventors: Shuji Anan-shi Nakamura; Takashi Anan-shi Mukai; Naruhito Anan-shi Iwasa
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2013-11-20
Also published as: EP0599224B2; US6469323B1; EP0599224B1; KR100406200B1; US5747832A; US5578839A; DE69319854T2; KR100289626B1; US6791103B2; US6078063A; EP0844675B1; US5880486A; KR940012684A; EP0844675A3; DE69319854D1; KR100406201B1; EP0599224A1; US20030216011A1; US5734182A; KR100445524B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung auf der Basis eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters und betrifft insbesondere eine lichtemittierende Verbindungshalbleitereinrichtung mit einer Doppel-Heterostruktur, die imstande ist, mit hoher Leistung sichtbares Licht im Bereich von nahem Ultraviolett bis Rot je nach Wunsch zu emittieren, indem man die Zusammensetzung eines Verbindungshalbleiters ändert, der eine aktive Schicht (lichtemittierende Schicht) bildet.
Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis wie z.B. Galliumnitrid (GaN), Galliumaluminiumnitrid (GaAlN), Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Indiumaluminiumgalliumnitrid (InAlGaN) haben eine direkte Bandlücke, und ihre Bandlücken ändern sich im Bereich von 1,95 eV bis 6 eV. Aus diesem Grund sind die genannten Verbindungshalbleiter vielversprechend als Materialien für lichtemittierende Einrichtungen wie z.B. eine lichtemittierende Diode und eine Laserdiode.
Als lichtemittierende Einrichtung, die einen Galliumnitrid-Halbleiter benutzt, wurde eine blaues Licht emittierende Einrichtung vorgeschlagen, in der eine Homogen-Sperrschichtstruktur auf einem normalerweise aus Saphir gefertigten Substrat über eine AlN-Pufferschicht gebildet ist. Die Homogen-Sperrschichtstruktur enthält eine lichtemittierende Schicht, die aus einer mit p-Typ-Fremdstoff dotiertem GaN-Schicht auf einer n-leitenden GaN-Schicht gebildet ist. Als p-Typ-Fremdstoff für die Dotierung der lichtemittierenden Schicht wird normalerweise Magnesium oder Zink verwendet. Jedoch hat der GaN-Kristall selbst im Falle der Dotierung mit p-Typ-Fremdstoff eine schlechte Qualität und bleibt ein i-leitender Kristall mit einem hohen spezifischen Widerstand, fast wie ein Isolator. Das heißt, die herkömmliche lichtemittierende Einrichtung hat praktisch eine MIS-Struktur. In den Japanischen Patentanmeldungen von KOKAI mit den Veröffentlichungsnummern 4-10665, 4-10666 und 4-10667 sind als lichtemittierende Einrichtungen mit MIS-Struktur geschichtete Strukturen beschrieben, in denen Si- und Zn-dotierte i-leitende GaAlN-Schichten (lichtemittierende Schichten) auf n-leitenden CaAlN-Schichten gebildet sind.
In den lichtemittierenden Einrichtungen, welche die MIS-Struktur haben, sind jedoch sowohl die Leuchtdichte als auch die Lichtemissions-Ausgangsleistung zu gering für eine praktische Anwendung.
Außerdem ist die lichtemittierende Einrichtung mit homogener Sperrschicht unpraktisch wegen ihrer von Natur aus niedrigen Ausgangsleistung. Um eine praktisch anwendbare lichtemittierende Einrichtung mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten, ist es erforderlich, eine lichtemittierende Einrichtung mit einer Einfach-Heterostruktur, besser noch einer Doppel-Heterostruktur, zu realisieren.
Es sind jedoch keine lichtemittierenden Halbleitereinrichtungen mit einer Doppel-Heterostruktur bekannt, in denen die Doppel-Heterostruktur gänzlich aus Verbindungshalbleitern niedrigen spezifischen Widerstandes auf Galliumnitrid-Basis gebildet ist und die eine lichtemittierende Schicht haben, die aus mit Fremdstoff dotiertem InGaN mit niedrigem spezifischen Widerstand besteht.
Die Japanischen Patentanmeldungen von KOKAI mit den Veröffentlichungsnummern 4-2095,77, 4-236477 und 4-234478 offenbaren eine lichtemittierende Einrichtung mit einer Doppel-Heterostruktur, in welcher eine InGaN-Lichtemissionsschicht zwischen eine n-leitende InGaAlN-Überzugsschicht und eine p-leitende InGaAlN-Überzugsschicht eingefügt ist. Die lichtemittierende Schicht ist jedoch nicht mit einem Fremdstoff dotiert, und es wird weder offenbart noch explizit angeregt, die lichtemittierende Schicht mit einem Fremdstoff zu dotieren. Außerdem ist die p-leitende Überzugsschicht in Wirklichkeit eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand. Eine ähnliche Struktur ist in der Japanischen Patentanmeldung von KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 64-17484 offenbart.
Die Japanische Patentanmeldung von KOKAI gemäß Veröffentlichung 4-213878 offenbart eine Struktur, in welcher eine undotierte lichtemittierende InGaAlN-Schicht auf einem elektrisch leitenden ZnO-Substrat gebildet und auf dieser eine InGaN-Schicht hohen spezifischen Widerstandes gebildet wird.
Die Japanische Patentanmeldung von KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 4-68579 offenbart eine Doppel-Heterostruktur mit einer p-leitenden GaInN-Schicht, die auf einer mit Sauerstoff dotierten, n-leitenden GaInN-Lichtemissionsschicht gebildet ist. Eine weitere Überzugsschicht besteht jedoch aus elektrisch leitendem ZnO. Die Dotierung der lichtemittierenden Schicht mit Sauerstoff erfolgt zum Zwecke der Gitteranpassung an das ZnO. Die Emissionswellenlänge der diese Doppel-Heterostruktur aufweisenden lichtemittierenden Einrichtung beträgt 365 bis 406 nm.
Alle herkömmlichen lichtemittierenden Einrichtungen sind sowohl hinsichtlich der Ausgangsleistung als auch hinsichtlich der Leuchtdichte ungenügend und haben keine zufriedenstellende Helligkeit.
Die Druckschrift EP-A-0 496 030 beschreibt lichtemittierende Halbleitereinrichtungen mit einer epitaxialen Schicht, von der eine Gitteranpassung mit einem Substratkristall hergestellt wird. Die epitaxiale Schicht ist aus Mischkristallen einer Vielzahl von Gruppe-III–V-Verbindungshalbleitern auf dem Substrat hergestellt, das aus ZnO gebildet ist. Eine epitaxiale Schicht aus Mischkristallen der Reihen GaInN oder AlGaInN wird auf das Substrat aufgewachsen. Die lichtemittierenden Einrichtungen sind für eine Emission eines Laserstrahls vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Doppel-Heterostruktur zu schaffen, in der die lichtemittierende Schicht (aktive Schicht) und die Überzugsschichten sämtlich aus niederohmigen Verbindungshalbleitern auf Galliumnitrid-Basis mit Elementen der III. und V. Gruppe des Periodensystems gebildet sind, wodurch eine Halbleitereinrichtung erhalten wird, die eine verbesserte Leuchtdichte und/oder Lichtemissions-Ausgangsleistung zeigt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer lichtemittierenden Einrichtung mit hervorragender Helligkeit.
Eine wiederum andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung, die Licht von Ultraviolett bis Rot mit einer Wellenlänge im Bereich von 265 bis 620 nm emittiert.
Diese Aufgaben werden durch eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Insbesondere wird eine lichtemittierende Halbleitereinrichtung auf der Basis eines Galliumnitrid-Verbindungshalbleiters bereitgestellt, die eine Doppel-Heterostruktur aufweist, umfassend:
eine lichtemittierende Schicht (aktive Schicht), die eine erste und eine zweite Hauptfläche hat und aus einem mit einem Fremdstoff dotierten, einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisenden In_xGa_1-xN-Verbindungshalbleiter (mit 0 < x < 1) gebildet ist;
eine erste Überzugsschicht, die mit der ersten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht verbunden ist und aus einem n-leitenden Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis mit einer Zusammensetzung gebildet ist, die durch die folgende Formel: Ga_yAl_1-yN (0 < y < 1)
repräsentiert wird und mit Si dotiert ist und
eine zweite Überzugsschicht, die mit der zweiten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht verbunden ist und aus einem p-leitenden Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet ist, der einen niedrigen spezifischen Widerstand hat und aus einer Zusammensetzung besteht, die durch die folgende Formel repräsentiert wird: Ga_zAl_1-zN (0 < z < 1)
und mit Mg dotiert ist, wobei
eine n-Typ-Kontaktschicht, die aus n-Typ-Galliumnitrid, das mit Si dotiert ist, geformt ist, mit der ersten Überzugsschicht verbunden ist und eine p-Typ-Kontaktschicht, die aus p-Typ-Galliumnitrid, das mit Mg dotiert ist, gebildet ist, mit der zweiten Überzugsschicht verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung läßt sich in größerer Vollständigkeit aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen, in denen:
1 eine Ansicht ist, die eine Grundstruktur einer lichtemittierenden Halbleiterdiode zeigt;
2 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen der Lichtintensität und der Dicke einer lichtemittierenden Schicht in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
3 ein Photolumineszenzspektrum einer n-leitenden lichtemittierenden In_xGa_1-xN-Schicht niedrigen spezifischen Widerstandes zeigt;
4 ein Photolumineszenzspektrum einer undotierten lichtemittierenden In_xGa_1-xN-Schicht zeigt;
5 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer p-Typ-Fremdstoffkonzentration in der lichtemittierenden Schicht und der Lichtintensität in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
6 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer p-Typ-Fremdstoffkonzentration in einer p-leitenden Überzugsschicht und den Lichtemissionseigenschaften in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
7 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration in der lichtemittierenden Schicht und den Lichtemissionseigenschaften in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
8 ein Schaubild ist, das die Lichtemissionseigenschaften der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
9 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer n-Typ-Fremdstoffkonzentration in einer lichtemittierenden Schicht und den Lichtemissionseigenschaften in einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
10 ein Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer p-Typ-Fremdstoffkonzentration in einer p-leitenden Überzugsschicht und den Lichtemissionseigenschaften in der lichtemittierenden Halbleitereinrichtung zeigt;
11 eine Struktur einer lichtemittierenden Diode gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und
12 eine Ansicht ist, die eine Struktur einer Laserdiode der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Erfindung bringt eine Doppel-Heterostruktur, in welcher die lichtemittierende Schicht und die Überzugsschichten, zwischen denen die lichtemittierende Schicht liegt, aus einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisenden Halbleitern einer Verbindung von Elementen der III. und der V. Gruppe des Periodensystems auf Galliumnitridbasis gebildet sind und gleichzeitig die lichtemittierende Schicht aus einem mit Fremdstoff dotierten In_xGa_1-xN-Verbindungshalbleiter niedrigen spezifischen Widerstandes gebildet ist, wodurch zum erstenmal eine sichtbares Licht emittierende Halbleitereinrichtung realisiert ist, die hervorragende Ausgangsleistung, Leuchtdichte und Helligkeit hat.
Halbleitereinrichtungen nach der vorliegenden Erfindung umfassen lichtemittierende Dioden (LED) und Laserdioden (LD).
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In allen Zeichnungen sind gleiche Teile mit jeweils den selben Bezugszahlen bezeichnet.
Die 1 zeigt eine Grundstruktur einer LED. Wie in 1 gezeigt, hat eine erfindungsgemäße LED 10 eine Doppel-Heterostruktur 22, bestehend aus einer lichtemittierenden Schicht (aktive Schicht) 18, die aus mit Fremdstoff dotiertem In_xGa_1-xN geringen spezifischen Widerstandes (niederohmig) gebildet ist, einer ersten Überzugsschicht 16, die mit der unteren Oberfläche (erste Hauptfläche) der lichtemittierenden Schicht 18 verbunden ist und aus einem n-leitenden niederohmigen III–V-Verbindungshalbleiter auf GaN-Basis gebildet ist, und einer zweiten Überzugsschicht 20, die mit der oberen Oberfläche (zweite Hauptfläche) der lichtemittierenden Schicht 18 verbunden ist und aus einem p-leitenden, niederohmigen III–V-Verbindungshalbleiter auf GaN-Basis gebildet ist. Das In_xGa_1-xN der lichtemittierenden Schicht 18 ist ein III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis.
Wegen der Doppel-Heterostruktur ist die Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters (mit Ausnahme der Fremdstoffe) in der ersten Überzugsschicht 16 anders als in der lichtemittierenden Schicht 18. Die Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters in der zweiten Überzugsschicht 20 ist ebenfalls anders als in der lichtemittierenden Schicht 18. Die Zusammensetzungen der Verbindungshalbleiter in den Überzugsschichten 16 und 20 können einander gleich oder verschieden sein.
Die Urheber der vorliegenden Erfindung haben umfassende Studien an den lichtemittierenden Einrichtungen durchgeführt, die alle eine Doppel-Heterostruktur von III–V-Verbindungshalbleitern auf Galliumnitridbasis mit guten Lichtemissionseigenschaften aufweisen, und haben gefunden, daß wenn die lichtemittierende Schicht aus In_xGa_1-xN gebildet ist und die Verhältniszahl x für Indium (In) innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 geändert wird, eine lichtemittierende Einrichtung erhalten werden kann, die imstande ist, sichtbares Licht im Bereich von nahem Ultraviolett bis Rot zu emittieren. Die Urheber der vorliegenden Erfindung haben außerdem gefunden, daß wenn Fremdstoff in In_xGa_1-xN dotiert wird und In_xGa_1-xN einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, eine lichtemittierende Einrichtung erhalten werden kann, die verbesserte Lichtemissionseigenschaften hat, insbesondere eine hohe Ausgangsleistung, eine hohe Leuchtdichte und eine hohe Helligkeit.
Die lichtemittierende Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung emittiert ultraviolettes Licht, wenn der Wert von x im In_xGa_1-xN der lichtemittierenden Schicht nahe an 0 ist. Mit steigendem Wert von x fällt die Emission in den längerwelligen Bereich. Wenn der Wert von x nahe an 1 ist, emittiert die Einrichtung rotes Licht. Liegt der Wert von x im Bereich 0 < x < 0,5, dann emittiert die lichtemittierende Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung blaues bis gelbes Licht im Wellenlängenbereich von 450 bis 550 nm.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet Fremdstoff (auch Dotierstoff genannt) einen p-Typ-Fremdstoff oder einen n-Typ-Fremdstoff oder beides. Bei der vorliegenden Erfindung sind p-Typ-Fremdstoffe Elemente der II. Gruppe des Periodensystems wie z.B. Cadmium, Zink, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium. Als p-Typ-Fremdstoff ist Zink besonders vorzuziehen. Die n-Typ-Fremdstoffe sind Elemente der IV. Gruppe wie z.B. Silicium, Germanium und Zinn, und Elemente der VI. Gruppe wie z.B. Selen, Tellur und Schwefel.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet die Wortbeifügung "niederohmig" oder "niedriger spezifischer Widerstand", wenn sie im Zusammenhang mit einem p-leitenden Verbindungshalbleiter benutzt wird, daß der p-leitende Verbindungshalbleiter einen spezifischen Widerstand von 1·10⁵ Ω·cm oder weniger hat, und wenn sie im Zusammenhang mit einem n-leitenden Verbindungshalbleiter benutzt wird, daß der n-leitende Verbindungshalbleiter einen spezifischen Widerstand von 10 Ω·cm oder weniger hat.
Deswegen enthält bei der vorliegenden Erfindung das In_xGa_1-xN der lichtemittierenden Schicht 18 ein niederohmiges p-leitendes In_xGa_1-xN dotiert mit einem p-Typ-Fremdstoff, ein niederohmiges n-leitendes In_xGa_1-xN dotiert mit mindestens einem p-Typ-Fremdstoff oder ein n-leitendes In_xGa_1-xN dotiert mit einem n-Typ-Fremdstoff.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die erste Überzugsschicht 16 aus einem niederohmigen n-leitenden III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet. Obwohl der n-leitende III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis zur n-Leitfähigkeit tendiert, selbst wenn er undotiert ist, sollte vorzugsweise ein n-Typ-Fremdstoff eingebaut werden, um unbedingt einen n-leitenden Verbindungshalbleiter zu schaffen. Der die erste Überzugsschicht 16 bildende Verbindungshalbleiter entspricht der nachstehenden Formel: Ga_yAl_1-yN (0 < y < 1).
Bei der vorliegenden Erfindung ist die zweite Überzugsschicht 20 aus einem niederohmigen, p-leitenden III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet, dotiert mit einem p-Typ-Fremdstoff. Der Verbindungshalbleiter entspricht der nachstehenden Formel: Ga_zAl_1-zN (0 < z < 1).
Die erste, n-leitende Überzugsschicht 16 hat normalerweise eine Dicke von 0,05 bis 10 μm, vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 4 μm. Ein n-leitender Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis, der eine Dicke von weniger als 0,05 hat, neigt dazu, nicht als Überzugsschicht zu funktionieren. Wenn andererseits die Dicke größer wird als 10 μm, besteht Neigung zur Rißbildung in der Schicht.
Die zweite, p-leitende Überzugsschicht 20 hat normalerweise eine Dicke von 0,05 bis 1,5 μm, vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 1 μm. Ein p-leitender Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis, der eine Dicke von weniger als 0,05 μm hat, kann sich schwertun, als Überzugsschicht zu funktionieren. Wenn andererseits die Dicke der Schicht größer ist als 1,5 μm, dann kann es schwierig werden, die Schicht in eine niederohmige Schicht zu konvertieren.
Bei der vorliegenden Erfindung hat die lichtemittierende Schicht 18 vorzugsweise eine Dicke innerhalb eines derartigen Bereiches, daß die lichtemittierende Einrichtung der vorliegenden Erfindung eine praktische relative Lichtintensität von 90% oder mehr liefert. Genauer gesagt hat die lichtemittierende Schicht 18 vorzugsweise eine Dicke von 1 nm bis 0,5 μm, am besten von 0,01 bis 0,2 μm. Die 2 ist ein Schaubild, das ein Meßergebnis für die relativen Lichtintensitäten von blau-emittierenden Dioden zeigt, deren jede die in 1 gezeigte Struktur hat. Jede blau-emittierende Diode wurde hergestellt durch Bildung der lichtemittierenden Schicht 18 aus niederohmigem In_0,1Ga_0,9N, wobei die Dicke geändert wurde. Wie aus 2 ersichtlich, bringt die Halbleitereinrichtung eine praktische relative Lichtintensität von 90% oder mehr, wenn die Dicke der lichtemittierenden In_xGa_1-xN-Schicht im Bereich von 1 nm bis 0,5 μm liegt. Die nahezu gleiche Beziehung zwischen der Dicke und der relativen Lichtintensität wurde erhalten für das mit einem p-Typ-Fremdstoff dotierte niederohmige p-leitende In_xGa_1-xN, das mit mindestens einem p-Typ-Fremdstoff dotierte niederohmige n-leitende In_xGa_1-xN und das mit einem n-Typ-Fremdstoff dotierte n-leitende In_xGa_1-xN.
Wie wiederum aus 1 ersichtlich, wird die Doppel-Heterostruktur normalerweise auf einem Substrat 12 unter Zwischenschaltung einer undotierten Pufferschicht 14 gebildet.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 12 normalerweise aus einem Material wie etwa Saphir, Siliciumcarbid (SiC) oder Zinkoxid (ZnO) gebildet sein, am üblichsten ist es aus Saphir gebildet.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Pufferschicht 14 aus AlN oder aus einem Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis gebildet sein. Die Pufferschicht 14 ist vorzugsweise aus Ga_mAl_1-mN (mit 0 < m < 1) gebildet. Das Ga_mAl_1-mN erlaubt die Bildung eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitridbasis (erste Überzugsschicht), an welchem die Kristallinität besser ist als an AlN. Wie in dem US-Patent US 5 290 393 von Shuji NAKAMURA beschrieben, das an denselben Rechtsnachfolger überschrieben wurde, wird die Ga_mAl_1-mN-Pufferschicht vorzugsweise bei einer relativ niedrigen Temperatur von 200 bis 900°C, vorzugsweise 400 bis 800°C, durch das Verfahren metallorganischer chemischer Aufdampfung (MOCVD) gebildet. Die Pufferschicht 14 hat vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Halbleiterzusammensetzung wie die auf ihr zu bildende erste Überzugsschicht 16.
Bei der vorliegenden Erfindung hat die Pufferschicht 14 normalerweise eine Dicke von 0,002 μm bis 0,5 μm.
Bei der vorliegenden Erfindung können die erste Überzugsschicht 16, die lichtemittierende Schicht 18 und die zweite Überzugsschicht 20, die alle die Doppel-Heterostruktur bilden, durch irgendein geeignetes Verfahren hergestellt werden. Diese Schichten werden vorzugsweise nacheinander mittels des MOCVD-Verfahrens auf der Pufferschicht 14 gebildet. Als Galliumquelle für das MOCVD-Verfahren kann Trimethylgallium und Triethylgallium verwendet werden. Als Indiumquelle kommt Trimethylindium und Triethylindium in Frage. Als Aluminiumquelle kommt Trimethylaluminium und Triethylaluminium in Frage. Als Stickstoffquelle kann Ammoniak und Hydrazin verwendet werden. Als Quelle für p-Typ-Dotierstoff kommen Verbindungen der II. Gruppe des Periodensystems in Frage wie z.B. Diethylcadmium, Dimethylcadmium, Magnesiumcyclopentadienid und Diethylzink. Als Quelle für n-Typ-Dotierstoff kommen Verbindungen aus der IV. Gruppe des Periodensystems wie z.B. Silan und Verbindungen aus der VI. Gruppe wie z.B. Hydrogensulfid und Hydrogenselenid in Frage.
Der III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis kann in Gegenwart der p-Typ-Fremdstoffquelle und/oder der n-Typ-Fremdstoffquelle gezüchtet werden, indem man die obige Gasquelle bei einer Temperatur von 600°C oder mehr und normalerweise von 1200°C oder weniger verwendet. Als Trägergas kann Wasserstoff, Stickstoff oder dergleichen verwendet werden.
In einem so gezüchteten Zustand neigt der mit einem p-Typ-Fremdstoff dotierte III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitridbasis dazu, einen hohen spezifischen Widerstand zu zeigen und keine p-leitenden Eigenschaften zu haben (d.h., es ist kein niederohmiger Halbleiter), selbst wenn der Verbindungshalbleiter den p-Typ-Fremdstoff enthält. Wie in US A-5 306 662 von Shuji NAKAMURA, Naruhito IWASA und Masayuki SENOH beschrieben, das auf den gleichen Rechtsnachfolger übertragen wurde, wird deswegen der gezüchtete Verbindungshalbleiter vorzugsweise getempert auf einer Temperatur von 400°C oder mehr, am besten auf 600°C oder mehr und für eine Dauer von vorzugsweise 20 Minuten oder mehr oder die Verbindungshalbleiterschicht wird vorzugsweise mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, während sie auf einer Temperatur von 600°C erwärmt gehalten wird. Wenn der Verbindungshalbleiter auf einer so hohen Temperatur getempert wird, daß er sich zersetzen könnte, erfolgt die Temperung vorzugsweise in einer unter Druck stehenden Stickstoffatmosphäre, um die Zersetzung des Verbindungshalbleiters zu verhindern.
Wenn die Temperung durchgeführt wird, wird ein p-Typ-Fremdstoff, der in einer mit Wasserstoff gebundenen Form wie z.B. Mg-H und Zn-H vorliegt, aus den Bindungen mit dem Wasserstoff thermisch gelöst, und der freigewordene Wasserstoff wird aus der Halbleiterschicht entlassen. Als Folge wirkt der eingebaute p-Typ-Fremdstoff in geeigneter Weise als Akzeptor, um den hochohmigen Halbleiter in einen niederohmigen p-leitenden Halbleiter zu konvertieren. vorzugsweise enthält die Temperungsatmosphäre deswegen ein Gas, das Wasserstoffatome enthält (z.B. Ammoniak oder Wasserstoff). Bevorzugte Beispiele einer Temperungsatmosphäre sind Stickstoff- und Argonatmosphären. Eine Stickstoffatmosphäre ist am ehesten vorzuziehen.
Nach Bildung der Doppel-Heterostruktur, wie sie in 1 gezeigt ist, werden die zweite Überzugsschicht 20 und die lichtemittierende Schicht 18 teilweise fortgeätzt, um die erste Überzugsschicht 16 freizulegen. Auf der freigelegten Oberfläche wird eine n-Elektrode 24 gebildet, während auf der Oberfläche der ersten Überzugsschicht 20 eine p-Elektrode 26 gebildet wird. Die Elektroden 24 und 26 werden vorzugsweise wärmebehandelt, um ohmschen Kontakt mit den Halbleiterschich ten zu erzielen. Die oben beschriebene Temperung kann durch diese Wärmebehandlung erreicht werden.
Bei der ersten illustrativen Ausführungsform ist das niederohmige In_xGa_1-xN, das die lichtemittierende Schicht 18 der in 1 gezeigten Doppel-Heterosperrschicht-Struktur bildet, p-leitend, dotiert mit einem p-Typ-Fremdstoff. Um die lichtemittierende Schicht mit einer guten Kristallinität zu bilden und eine blaues bis gelbes Licht emittierende Einrichtung mit exzellenter Helligkeit zu erhalten, sollte vorzugsweise die Bedingung 0 < x < 0,5 erfüllt werden.
Bei der ersten Ausführungsform sollte die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes, mit dem das In_xGa_1-xN der lichtemittierenden Schicht 18 dotiert ist, höher sein als die Konzentration von Elektronen-Ladungsträgern eines besonderen, entsprechenden undotierten In_xGa_1-xN (die Konzentration der Elektronen-Ladungsträger in undotiertem InGaN ändert sich innerhalb eines Bereiches von etwa 10¹⁷/cm³ bis 1·10²²/cm³, abhängig von der jeweiligen Wachstumsbedingung). Unter dieser Bedingung ist im Hinblick auf die Lichtemissionseigenschaften der Einrichtung eine p-Typ-Fremdstoffkonzentration von etwa 10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³ vorzuziehen. Der am meisten vorzuziehende p-Typ-Fremdstoff ist Zink. Wie oben beschrieben, kann das mit p-Typ-Fremdstoff dotierte InGaN durch Temperung (bevorzugt) oder durch Elektronenstrahl-Bestrahlung in niederohmiges InGaN konvertiert werden.
Bei der zweiten illustrativen Ausführungsform ist das niederohmige In_xGa_1-xN, das die lichtemittierende Schicht 18 der in 1 gezeigten Struktur darstellt, n-leitend, dotiert mit mindestens einem p-Typ-Fremdstoff. Um der lichtemittierenden Schicht gute Kristallinität zu verleihen und eine blaues bis gelbes Licht emittierende Einrichtung mit exzellenter Helligkeit zu erhalten, sollte vorzugsweise die Bedingung 0 < x < 0,5 erfüllt sein. Bei der zweiten Ausfüh rungsform sollte die lichtemittierende Schicht der oben beschriebenen Temperungsbehandlung unterworfen werden, da sie p-Typ-Fremdstoff enthält.
Bei der zweiten Ausführungsform, wenn die In_xGa_1-xN-Schicht 18 nur mit einem p-Typ-Fremdstoff dotiert ist, sollte die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes geringer sein als die Elektronenkonzentration eines entsprechenden undotierten In_xGa_1-xN. Unter dieser Bedingung ist im Hinblick auf die lichtemittierenden Eigenschaften der Einrichtung eine p-Typ-Fremdstoffkonzentration von 1·10¹⁶/cm³ bis 1·10²²/cm³ vorzuziehen. Besonders wenn Zink als p-Typ-Fremdstoff mit einer Konzentration von 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³ und insbesondere von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²⁰ cm³ eingebaut wird, kann die Helligkeit der lichtemittierenden Einrichtung weiter verbessert und die Lichtausbeute weiter erhöht werden.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die zweite Überzugsschicht 20 wie oben beschrieben. Wenn als p-Typ-Fremdstoff Magnesium mit einer Konzentration von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²¹/cm³ eingebaut wird, kann jedoch die Lichtausbeute der lichtemittierenden Schicht 18 weiter erhöht werden.
Die 3 ist ein Diagramm des Photolumineszenzspektrums eines Wafers, der mit einem 10-mW-Laserstrahl aus einem He-Cd-Laser bestrahlt wird. Der Wafer wurde so hergestellt, daß eine mit Cadmium (p-Typ-Fremdstoff) dotierte niederohmige In_0,14Ga_0,86N-Schicht gebildet wurde, gemäß der zweiten Ausführungsform, auf einer GaN-Schicht, die auf einem Saphirsubstrat gebildet wurde. Die 4 ist ein Diagramm des Photolumineszenzspektrums eines Wafers, der nach den gleichen Prozeduren hergestellt wurde, nur daß die In_0,14Ga_0,86N-Schicht nicht mit Cadmium dotiert wurde (also undotiert ist).
Wie aus der 3 ersichtlich, zeigt die mit p-Typ-Fremdstoff dotierte niederohmige In_0,14Ga_0,86N-Schicht der vorliegenden Erfindung starke Emission von blauem Licht nahe 480 nm. Wie aus 4 ersichtlich, zeigt die undotierte In_0,14Ga_0,86N-Schicht, die nicht mit einem p-Typ-Fremdstoff dotiert wurde, eine Emission von violettem Licht nahe 400 nm. Die gleichen Ergebnisse wie in 3 wurden erzielt, wenn anstelle von Cd gemäß der vorliegenden Erfindung Zink, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und/oder Barium eingebaut worden war. Die Helligkeit wird also verbessert, wenn das InGaN gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem p-Typ-Fremdstoff dotiert wird.
Durch Dotieren von InGaN mit dem p-Typ-Fremdstoff kann die Intensität der Photolumineszenz in hohem Maße gegenüber dem undotierten InGaN gesteigert werden. Bei der zur 3 gehörigen Einrichtung werden durch den p-Typ-Fremdstoff blaue Lumineszenzzentren im InGaN gebildet, wodurch die Intensität der blauen Lumineszenz gesteigert wird. Die 3 zeigt dieses Phänomen. In der 3 ist das nahe 400 nm erscheinende kleine Maximum die Zwischenband-Emissionsspitze des undotierten In_0,14Ga_0,86N und entspricht dem Maximum in 4. Daher ist im Falle der 3 die Leuchtintensität im Vergleich zur 4 um das 20-fache oder mehr erhöht.
Die 5 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wurde durch Messung und Aufzeichnung der relativen Lichtintensitäten und der Zn-Konzentrationen von blau-emittierenden Einrichtungen, deren jede die Struktur nach 1 hatte. Jede Einrichtung wurde so hergestellt, daß die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes Mg der zweiten Überzugsschicht 20 auf 1·10²⁰/cm³ gehalten wurde, während die Zn-Konzentration des mit p-Typ-Fremdstoff Zn-dotierten In_0,1Ga_0,9N der lichtemittierenden Schicht 18 geändert wurde. Wie in 5 gezeigt, bringt die lichtemittierende Einrichtung eine praktische relative Intensität von 90% oder mehr im Zn-Konzentrationsbereich von 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³ und die höchste relative Lichtintensität (nahezu 100%) im Zn-Konzentrationsbereich von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²⁰/cm³.
Die 6 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wurde durch Messung und Aufzeichnung der relativen Lichtintensitäten und der Mg-Konzentrationen von blau-emittierenden Einrichtungen, deren jede die Struktur nach 1 hatte. Jede Einrichtung wurde so hergestellt, daß die Zn-Konzentration des mit p-Typ-Fremdstoff Zn-dotierten In_0,1Ga_0,9N der lichtemittierenden Schicht 18 auf 1·10²⁰/cm³ gehalten wurde, während die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes Mg der zweiten Überzugsschicht 20 geändert wurde. Wie in 6 gezeigt, neigt die Lichtintensität der lichtemittierenden Einrichtung zu einem schnellen Anstieg, wenn die Mg-Konzentration der Überzugsschicht 20 den Wert 1·10¹⁷/cm³ überschreitet, und die Lichtintensität neigt zu einem rapiden Abfall, wenn die Mg-Konzentration den Wert 1·10²¹/cm³ überschreitet. Die 6 zeigt deutlich, daß die lichtemittierende Einrichtung eine praktische relative Intensität von 90% oder mehr hat (annähernd 100%), wenn die p-Typ-Fremdstoffkonzentration der zweiten Überzugsschicht 20 im Bereich von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²¹/cm³ liegt. Im Falle der 5 und 6 wurden die Fremdstoffkonzentrationen durch ein Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS) gemessen.
Es stellt sich heraus, daß genauergesagt die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration in der In_xGa_1-xN-Schicht vorzugsweise im Bereich von 1·10¹⁷/cm³ bis 5·10²¹/cm³ liegen sollte, wenn das In_xGa_1-xN mit mindestens einem p-Typ-Fremdstoff dotiert ist, um eine n-leitende lichtemittierende In_xGa_1-xN-Schicht zu bilden, die einen niedrigen spezifischen Widerstand von 10 õ·cm oder weniger hat. Die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration kann durch Messungen von Hall-Effekten gemessen werden. Bei einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von mehr als 5·10²¹/cm³ ist es schwierig, eine lichtemittierende Einrichtung zu erhalten, die eine verwendbare Ausgangsleistung bringt. Die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration ist umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand. Wenn die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration kleiner ist als 1·10¹⁶/cm³, dann kann InGaN zu hochohmigem i-leitendem InGaN werden, und die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration kann nicht gemessen werden. Der einzubauende Fremdstoff kann lediglich ein p-Typ-Fremdstoff sein oder Fremdstoffe sowohl vom p- als auch vom n-Typ. Vorzugsweise werden Fremdstoffe vom p- und n-Typ eingebaut. In diesem Fall werden vorzugsweise Zink als p-Typ-Fremdstoff und Silicium als n-Typ-Fremdstoff verwendet. Sowohl das Zink als auch das Silicium werden vorzugsweise mit einer Konzentration von 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³ eingebaut. Wenn die Konzentration von Zink niedriger ist als diejenige von Silicium, dann läßt sich InGaN in bevorzugtes n-leitendes InGaN konvertieren.
Wenn InGaN gezüchtet wird, das nicht mit einem Fremdstoff dotiert ist, dann entstehen Gitterlücken, um n-leitendes InGaN hervorzubringen. Die restliche Elektronen-Ladungsträgerkonzentration dieses undotierten n-leitenden InGaN beträgt etwa 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²² cm³, abhängig von der geschaffenen Bedingung beim Wachstum. Durch Dotierung mit einem p-Typ-Fremdstoff, der als Lumineszenzzentrum in der undotierten n-leitenden InGaN-Schicht dient, wird die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration in der n-leitenden InGaN-Schicht vermindert. Wenn also InGaN mit dem p-Typ-Fremdstoff dotiert wird, so daß sich die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration übermäßig verringert, wird das n-leitende InGaN in hochohmiges i-leitendes InGaN konvertiert. Wird die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration so eingestellt, daß sie gemäß der vorliegenden Erfindung in den oben genannten Bereich fällt, wird die Ausgangsleistung erhöht. Dies zeigt an, daß der als Lumineszenzzentrum dienende p-Typ-Fremdstoff Emission dadurch herbeiführt, daß mit dem Donator-Fremdstoff lichtemittierende Donator-Akzeptor-Paare (D-A-Paare) gebildet werden. Der Mechanismus ist in seinen Einzelheiten noch nicht geklärt. Es wurde aber gefunden, daß im n-leitenden InGaN, in dem sowohl Donator-Fremdstoff (z.B. der n-Typ-Fremdstoff oder Stickstoff-Gitterfehlstellen) für die Erzeugung gewisser Elektronen- Ladungsträger als auch der als Akzeptor-Fremdstoff dienende p-Typ-Fremdstoff vorhanden ist, die Lichtintensität durch die Bildung der Lumineszenzzentren offenbar erhöht wird. Da eine Erhöhung der Anzahl lichtemittierender Paare wie beschrieben zu einer Erhöhung der Lichtintensität beiträgt, wird das InGaN vorzugsweise nicht nur mit p-Typ-Fremdstoff, sondern auch mit n-Typ-Fremdstoff dotiert. Genauer gesagt, wenn n-Typ-Fremdstoff (insbesondere Silicium) in die InGaN eingebaut wird, das mit dem p-Typ-Fremdstoff (insbesondere Zink) dotiert ist, wird die Donatorkonzentration erhöht, und gleichzeitig kann eine konstante Donatorkonzentration mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden, anders als bei undotiertem InGaN, in welchem die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration wie oben beschrieben abhängig von der Wachstumsbedingung variiert und in welchem eine konstante restliche Donatorkonzentration mit guter Reproduzierbarkeit kaum erhalten werden kann. In der Tat wurde gefunden, daß durch Dotierung mit Silicium die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von etwa 1·10¹⁸/cm³ um eine Ziffernstelle auf 2·10¹⁹/cm³ erhöht wird und somit die Donatorkonzentration erhöht wird. Daher kann die Menge des einzubauenden Zink verbessert werden durch das erhöhte Maß der Donatorkonzentration, und dementsprechend kann die Anzahl lichtemittierender D-A-Paare vergrößert und hierdurch die Lichtintensität erhöht werden.
Die 7 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wurde durch Messen und Aufzeichnen der relativen Ausgangsleistungen blau-emittierender Dioden und der Elektronen-Ladungsträgerkonzentrationen in den InGaN-Schichten (gemessen durch Messungen von Hall-Effekten nach dem Wachstum der InGaN-Schicht). Die blau-emittierende Diode wurde hergestellt, indem auf dem Saphirsubstrat eine Si-dotierte n-leitende GaN-Schicht gezüchtet wurde, auf dieser Schicht eine Zn-dotierte n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht mit Änderung der Zn-Konzentration gezüchtet wurde, und eine Mg-dotierte p-leitende GaN-Schicht gezüchtet wurde. Die Punkte in der 7 entsprechen Elektronen-Ladungsträgerkonzentrationen von 1·10¹⁶, 1·10¹⁷, 4·10¹⁷, 1·10⁸, 1·10¹⁹, 4·10¹⁹, 1·10²⁰, 3·10²⁰, 1·10²¹ und 5·10²¹/cm³, von links.
Wie in 7 gezeigt, ändert sich die Ausgangsleistung der lichtemittierenden Einrichtung abhängig von der Elektronen-Ladungsträgerkonzentration in der lichtemittierenden n-leitenden InGaN-Schicht. Die Ausgangsleistung steigt zu Beginn bei einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von etwa 1·10¹⁶/cm³ steil an, erreicht den Maximalwert bei etwa 1·10¹⁹/cm³, nimmt bis 5·10²¹/cm³ langsam ab und fällt schnell ab, wenn die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration diesen Punkt überschreitet. Wie aus 7 ersichtlich, hat die lichtemittierende Einrichtung eine exzellente Ausgangsleistung, wenn die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration in der n-leitenden InGaN-Schicht im Bereich von 1·10¹⁷/cm³ bis 5·10²¹/cm³ liegt.
Die 8 zeigt die Lichtintensität, als ein Laserstrahl aus einem He-Cd-Laser auf die n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht gestrahlt wurde, die einmal nur mit Zink in einer Konzentration von 1·10¹⁸/cm³ und einmal mit Zink und Silicium in Konzentrationen von 1·10¹⁹/cm³ bzw. 5·10¹⁹/cm³ dotiert war, und die Photolumineszenz jeweils bei Raumtemperatur gemessen wurde. Das Meßergebnis für die nur mit Zink dotierte n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht ist durch die Kurve a dargestellt, und das Meßergebnis für die mit Zink und Silicium dotierte n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht ist durch die Kurve b dargestellt (in der Kurve b ist die gemessene Intensität auf 1/20 reduziert). Obwohl die beiden InGaN-Schichten das Hauptmaximum der Lichtemission bei 490 nm haben, entwickelt die mit Zink und Silicium dotierte n-leitende InGaN-Schicht eine Lichtintensität, die um das Zehnfache oder mehr höher ist als bei der nur mit Zink dotierten n-leitenden InGaN-Schicht.
Bei der dritten illustrativen Ausführungsform ist das niederohmige In_xGa_1-xN, das die lichtemittierende Schicht 18 der Struktur nach 1 bildet, n-leitend, dotiert mit nur einem n-Typ-Fremdstoff. Vorzugsweise ist die Bedingung 0 < x μ 0,5 zu erfüllen, um einen eine lichtemittierende Schicht aufweisenden Halbleiter mit einer guten Kristallinität zu liefern und eine blau-emittierende Einrichtung mit hervorragender Helligkeit zu erhalten.
Bei der dritten Ausführungsform ist der in das In_xGa_1-xN der lichtemittierenden Schicht 18 eingebaute n-Typ-Fremdstoff vorzugsweise Silicium (Si). Die Konzentration des n-Typ-Fremdstoffes ist mit Blick auf die Lichtemissionseigenschaften vorzugsweise 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³, am besten 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²⁰/cm³.
Bei der dritten Ausführungsform ist ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform die zweite Überzugsschicht 20 so, wie es bereits oben beschrieben wurde. Wenn jedoch Magnesium als p-Typ-Fremdstoff verwendet wird und in einer Konzentration von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²¹/cm³ eingebaut wird, läßt sich die Lichtausbeute der lichtemittierenden Schicht weiter erhöhen.
Die 9 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wurde durch Messen und Aufzeichnen der relativen Lichtintensitäten und der Si-Konzentrationen von blau-emittierenden Einrichtungen, deren jede die Struktur nach 1 hatte. Jede Einrichtung wurde so hergestellt, daß die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes Mg der zweiten Überzugsschicht 20 auf 1·10¹⁹/cm³ gehalten wurde, während die Si-Konzentration des mit dem n-Typ-Fremdstoff Si dotierten In_0,1Ga_0,9N der lichtemittierenden Schicht 19 jeweils unterschiedlich war. Wie in 9 gezeigt, hat die lichtemittierende Einrichtung bei Si-Konzentrationen im Bereich von 1·10¹⁷/cm³ bis 1·10²¹/cm³ eine praktische relative Intensität von 90% oder mehr, und die höchste relative Lichtintensität (nahezu 100%) liegt im Bereich der Si-Konzentrationen von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²⁰/cm³.
Die 10 ist eine graphische Darstellung, die erhalten wurde durch Messen und Aufzeichnen der relativen Lichtintensitäten und der Mg-Konzentrationen blau-emittierender Einrichtungen, deren jede die Struktur nach 1 hatte. Jede Einrichtung wurde so hergestellt, daß die Si-Konzentration des mit dem n-Typ-Fremdstoff Si dotierten In_0,1Ga_0,9N der lichtemittierenden Schicht 18 auf 1·10¹⁹/cm³ gehalten wurde, während die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes Mg der zweiten Überzugsschicht 20 jeweils unterschiedlich war. Wie in 10 gezeigt, nimmt die Lichtintensität der lichtemittierenden Einrichtung schnell zu, wenn die Mg-Konzentration der zweiten p-leitenden Überzugsschicht 20 den Wert 1·10¹⁷/cm³ überschreitet, und nimmt schnell ab, wenn die Mg-Konzentration den Wert 1·10²¹/cm³ überschreitet. Die 10 zeigt, daß die lichtemittierende Einrichtung eine praktische relative Intensität von 90% oder mehr (nahezu 100%) hat, wenn die Konzentration des p-Typ-Fremdstoffes in der zweiten Überzugsschicht 20 im Bereich von 1·10¹⁸/cm³ bis 1·10²¹/cm³ liegt. In den 9 und 10 wurden die Fremdstoffkonzentrationen mit dem SIMS gemessen.
Bei der dritten Ausführungsform benutzt die lichtemittierende Einrichtung, welche die Doppel-Heterostruktur der vorliegenden Erfindung hat, Zwischenbandemission der n-leitenden InGaN-Schicht. Aus diesem Grund hat das Emissionsmaximum eine schmale Halbwertbreite von etwa 25 nm, was 1/2 oder weniger der Halbwertbreite bei der herkömmlichen Homogen-Sperrschichtdiode ist. Außerdem hat die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Ausgangsleistung, die viermal so hoch wie diejenige der Homogen-Sperrschichtdiode oder noch höher ist. Ferner, wenn der Wert x von In_xGa_1-xN im Bereich von 0,02 < x < 0,5 geändert wird, kann eine Emission innerhalb des Wellen längenbereiches etwa von 380 nm bis 500 nm je nach Wunsch erhalten werden.
Die 11 zeigt eine Struktur einer praktischeren lichtemittierenden Diode 30 mit einer Doppel-Heterostruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die lichtemittierende Diode 30 hat eine Doppel-Heterostruktur 22, bestehend aus einer mit Fremdstoff dotierten In_xGa_1-xN-Lichtemissionsschicht 18 und zwei die Lichtemissionsschicht 18 zwischen sich einschließenden Überzugsschichten, nämlich einer Schicht 16 aus einem n-leitenden Galliumnitridbasis-Verbindungshalbleiter und einer Schicht 20 aus einem p-leitenden Galliumnitridbasis-Verbindungshalbleiter, wie weiter oben ausführlich beschrieben.
Eine Pufferschicht 14, wie sie weiter oben ausführlich beschrieben wurde, ist auf einem Substrat 20 gebildet, wie es weiter oben ausführlich beschrieben wurde. Eine n-leitende GaN-Schicht 32 ist auf der Pufferschicht 14 mit einer Dicke von z.B. 4 bis 5 μm gebildet und liefert eine Kontaktschicht für eine n-Elektrode, die weiter unten beschrieben wird. Die n-leitende Kontaktschicht 32 erlaubt die Bildung einer Überzugsschicht 16 mit einer besseren Kristallinität und kann einen besseren ohmischen Kontakt mit der n-Elektrode herstellen.
Die Doppel-Heterostruktur 22 ist auf der n-leitenden Kontaktschicht 32 aufgebracht, wobei die Überzugsschicht 16 mit der Kontaktschicht 32 verbunden ist.
Eine p-leitende GaN-Kontaktschicht 34 ist auf der Überzugsschicht 20 mit einer Dicke von z.B. 50 nm bis 2 μm gebildet. Die Kontaktschicht 34 stellt einen besseren ohmischen Kontakt mit einer weiter unten beschriebenen p-Elektrode her und erhöht die Lichtausbeute der Einrichtung.
Die p-leitende Kontaktschicht 34 und die Doppel-Heterostruktur 22 sind teilweise fortgeätzt, um die n-leitende Kontaktschicht 32 freizulegen.
Auf der p-leitenden Kontaktschicht 34 ist eine p-Elektrode vorgesehen, und auf der freigelegten Oberfläche der n-leitenden Kontaktschicht 32 ist eine n-Elektrode vorgesehen.
Vorstehend sind lichtemittierende Dioden beschrieben worden, welche die vorliegende Erfindung verkörpern. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung umfaßt verschiedene Typen lichtemittierender Einrichtungen einschließlich einer Laserdiode, soweit solche Einrichtungen die Doppel-Heterostrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen.
Die 12 zeigt eine Struktur einer Laserdiode 40, die eine Doppel-Heterostruktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Die Laserdiode 40 hat eine Doppel-Heterostruktur, bestehend aus einer mit Fremdstoff dotierten aktiven In_xGa_1-xN-Schicht 18, wie sie oben ausführlich in Verbindung mit der lichtemittierenden Diode beschrieben worden ist, und zwei die aktive Schicht 18 zwischen sich einschließende Überzugsschichten, nämlich eine Schicht 16 eines n-leitenden Galliumnitridbasis-Verbindungshalbleiters und eine Schicht 20 eines p-leitenden Galliumnitridbasis-Verbindungshalbleiters, wie oben beschrieben. Eine Pufferschicht 14, wie sie weiter oben ausführlich beschrieben wurde, ist auf einem Substrat 12 gebildet, wie es weiter oben ausführlich beschrieben wurde. Auf der Pufferschicht 14 ist eine n-leitende Galliumnitridschicht 42 gebildet, die eine Kontaktschicht für eine weiter unten beschriebene n-Elektrode liefert.
Die Doppel-Heterostruktur 22 ist auf der n-leitenden Galliumnitrid-Kontaktschicht 42 aufgebracht, wobei die Überzugsschicht mit der Kontaktschicht 42 verbunden ist.
Auf der Überzugsschicht 20 ist eine p-leitende GaN-Kontaktschicht 44 gebildet.
Die p-leitende Kontaktschicht 44, die Doppel-Heterostruktur 22 und ein Teil der n-leitenden Kontaktschicht 42 sind weggeätzt, um eine vorspringende Struktur zu bilden, wie gezeigt. Auf der p-leitenden Kontaktschicht 44 ist eine p-Elektrode gebildet. Auf der n-leitenden GaN-Schicht 42 ist ein Paar sich gegenüberliegender n-Elektroden 24a und 24b gebildet, so daß sich die vorspringende Struktur zwischen ihnen befindet.
Beispielsweise ist das Substrat 12 ein Saphirsubstrat mit einer Dicke von 100 μm, die Pufferschicht 14 ist eine GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von 0,02 μm, und die n-leitende GaN-Kontaktschicht 42 hat eine Dicke von 4 μm. Die erste Überzugsschicht 16 ist eine n-leitende GaAlN-Überzugsschicht mit einer Dicke von 0,1 μm, die zweite Überzugsschicht 20 ist eine p-leitende GaAlN-Überzugsschicht mit einer Dicke von 0,1 μm, und die aktive Schicht 18 ist eine n-leitende Schicht, die mit Silicium oder Germanium dotiert ist. Die p-leitende GaN-Kontaktschicht 44 hat eine Dicke von 0,3 μm.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der folgenden Beispiele illustriert. Bei den untenstehenden Beispielen wurde ein Verbindungshalbleiter mittels des MOCVD-Verfahrens gezüchtet. Eine hierzu verwendete MOCVD-Einrichtung ist eine herkömmliche MOCVD-Einrichtung mit einer Struktur, in welcher ein Sekundärzylinder zum Halten eines Substrates in einem Reaktionsgefäß angeordnet ist und Ausgangsstoff-Gase zusammen mit einem Trägergas auf das Substrat gelenkt werden können, während das Substrat beheizt wird, um so einen Verbindungshalbleiter auf dem Substrat zu züchten.
Beispiel 1
Reinigen des Substrates:
Zunächst wurde ein ausreichend gewaschenes Saphirsubstrat auf einem Sekundärzylinder in einem MOCVD-Reaktionsgefäß befestigt, und die Atmosphäre im Reaktionsgefäß wurde mit Wasserstoff ausgetauscht. Anschließend wurde während des Strömenlassens von Wasserstoff das Substrat auf 1050°C erhitzt, und diese Temperatur wurde für 20 Minuten gehalten, um so das Saphirsubstrat zu reinigen.
Züchten der Pufferschicht:
Das Substrat wurde dann auf 510°C abgekühlt. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 510°C wurden Ammoniak (NH₃) als Stickstoffquelle, Trimethylgallium (TMG) als Galliumquelle und Wasserstoff als Trägergas mit Durchsatzmengen von 4 Litern (L)/min bzw. 27·10^–6 mol/min bzw. 2 L/min für die Dauer einer Minute zugeführt, und auf die Oberfläche des Saphirsubstrates geleitet. So wurde eine GaN-Pufferschicht mit einer Dicke von etwa 20 nm auf dem Saphirsubstrat gezüchtet.
Züchtung der ersten Überzugsschicht:
Nach Bildung der Pufferschicht wurde lediglich die Zufuhr des TMG gestoppt, und das Substrat wurde auf 1030°C erhitzt. Unter Aufrechterhalten der Substrattemperatur von 1030°C wurde die Durchsatzmenge des TMG auf 54·10^–6 mol/min geändert, Silangas (SiH₄) als n-Typ-Fremdstoff wurde mit einer Durchsatzmenge von 2·10^–9 mol/min hinzugefügt und jedes Stoffgas wurde für 60 Minuten zugeführt. So wurde auf der GaN-Pufferschicht eine 4 μm dicke n-leitende GaN-Schicht, dotiert mit Si in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³, gezüchtet.
Züchtung der lichtemittierenden Schicht:
Nach Bildung der ersten Überzugsschicht wurde das Substrat auf 800°C abgekühlt, während nur das Trägergas strömte. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 800°C wurde das Trägergas umgeschaltet auf Stickstoff mit einer Durchsatzmenge von 2 L/min, und für die Dauer von 10 Minuten erfolgte eine Zufuhr von TMG als Galliumquelle, Trimethylindium (TMI) als Indiumquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle und Diethylcadmium als p-Typ-Fremdstoff mit Durchsatzmengen von 2·10^–6 mol/min bzw. 1·10^–5 mol/min bzw. 4 L/min bzw. 2·10^–6 mol/min. So wurde auf der ersten Überzugsschicht eine 20 nm dicke N-leitende In_0,14Ga_0,86N-Schicht gezüchtet, dotiert mit Cadmium in einer Konzentration von 10·10²⁰/cm³.
Züchtung der zweiten Überzugsschicht:
Nach Bildung der lichtemittierenden Schicht wurde das Substrat während Strömens nur des Trägergases Stickstoff auf 1020°C erwärmt. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 1020°C wurde das Trägergas auf Wasserstoff umgeschaltet, und für die Dauer von 15 Minuten erfolgte eine Zufuhr von TM als Galliumquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle, Magnesiumcyclopentadienid (Cp₂Mg) als p-Typ-Fremdstoffquelle mit Durchsatzmengen von 54·10^–6 mol/min bzw. 4 L/min bzw. 3,6·10^–6 mol/min. Auf diese Weise wurde auf der lichtemittierenden Schicht eine 0,8 μm dicke p-leitende GaN-Schicht gezüchtet, dotiert mit Mg in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³.
Konvertierungin niederohmige Schicht:
Nach dem Wachstum der zweiten Überzugsschicht wurde der Wafer aus dem Reaktionsgefäß genommen. Der Wafer wurde für die Dauer von 20 Minuten unter Stickstoff auf einer Temperatur von 700°C oder mehr getempert. So wurden die zweite Überzugsschicht und die lichtemittierende Schicht in niederohmige Schichten konvertiert.
Herstellung einer LED:
Die oben erhaltene zweite Überzugsschicht und lichtemittierende Schicht des Wafers wurden teilweise weggeätzt, um die erste Überzugsschicht freizulegen. Auf der freigelegten Oberfläche wurde eine ohmische n-Elektrode gebildet, während auf der zweiten Überzugsschicht eine ohmische p-Elektrode gebildet wurde. Der Wafer wurde in Chips mit jeweils einer Größe von 500 μm² geschnitten, und eine blau-emittierende Diode wurde durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt.
Die blau-emittierende Diode brachte bei 20 mA eine Ausgangsleistung von 300 μW, und ihr Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 480 nm. Die Leuchtdichte der lichtemittierenden Diode, gemessen durch ein handelsübliches Leuchtdichte-Meßgerät, betrug das 50-fache der Leuchtdichte einer lichtemittierenden Diode nach dem weiter unten beschriebenen Beispiel 5 oder mehr.
Beispiel 2
Eine blaues Licht emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer Pufferschicht Trimethylaluminium (TMA) anstelle von TMG verwendet wurde, um auf einem Saphirsubstrat bei einer Substrattemperatur von 600°C eine AlN-Pufferschicht zu bilden.
Die blau-emittierende Diode hatte bei 20 mA eine Ausgangsleistung von 80 μW, und ihr Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 480 nm. Die Leuchtdichte der lichtemittierenden Diode war etwa 20-mal so hoch wie bei einer lichtemittierenden Diode des später zu beschreibenden Beispiels 5.
Beispiel 3
Das Reinigen eines Substrates und das Züchten einer Pufferschicht erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Nach Bildung der Pufferschicht wurde nur die TMG-Strömung gestoppt, und das Substrat wurde auf 1030°C erwärmt. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 1030°C und ohne Änderung der Durchsatzmenge des Ammoniaks wurde die Durchsatzmenge des TMG auf 54·10^–6 mol/min umgeschaltet, und es wurden TMA als Aluminiumquelle und Silangas (SiH₄) als p-Typ-Fremdstoffquelle mit Durchsatzmengen von 6·10^–6 mol/min bzw. 2·10^–9 mol/min hinzugefügt, wobei jedes Gas für die Dauer von 30 Minuten zugeführt wurde. So wurde auf der GaN-Pufferschicht eine 2 μm dicke n-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht (erste Überzugsschicht) gezüchtet, dotiert mit Si in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³.
Anschließend wurde mit den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 eine lichtemittierende Schicht gezüchtet, um eine Cd-dotierte, n-leitende In_0,14Ga_0,86N-Schicht mit einer Dicke von 20 nm zu bilden.
Nach Bildung der lichtemittierenden Schicht wurde die Zufuhr aller Ausgangsstoffgase gestoppt, und das Substrat wurde auf 1020°C erwärmt. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 1020°C und ohne Änderung der Durchsatzmenge des Trägergases wurden für die Dauer von 15 Minuten TMG als Galliumquelle, TMA als Aluminiumquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle und Cp₂Mg als p-Typ-Fremdstoffquelle mit Durchsatzmengen von 54·10^–6 mol/min bzw. 6·10^–6 mol/min bzw. 4 L/min bzw. 3,6·10^–6 mol/min zugeführt. So wurde auf der lichtemittierenden Schicht eine 0,8 μm dicke p-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht gezüchtet, dotiert mit Mg in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³.
Die Temperungsbehandlung und die Herstellung einer Diode aus dem Wafer erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1, um eine blau-emittierende Diode zu erhalten.
Die oben erhaltene blau-emittierende Diode hatte die gleiche Ausgangsleistung, die gleiche Emissionswellenlänge und die gleiche Leuchtdichte wie die Diode nach Beispiel 1.
Beispiel 4
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß der lichtemittierenden Schicht Cp₂Mg anstelle von Diethylcadmium mit der gleichen Durchsatzmenge verwendet wurde, um eine Mg-dotierte p-leitende lichtemittierende In_0,14Ga_0,86N-Schicht zu züchten.
Die oben erhaltene blau-emittierende Schicht hatte die gleiche Ausgangsleistung, die gleiche Emissionswellenlänge und die gleiche Leuchtdichte wie die Diode nach Beispiel 1.
Beispiel 5
Eine lichtemittierende GaN-Diode mit Homogen-Sperrschicht wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 hergestellt, nur daß keine lichtemittierende InGaN-Schicht gezüchtet wurde.
Die lichtemittierende Diode hatte bei 20 mA eine Ausgangsleistung von 50 μW. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 430 nm, und die Leuchtdichte betrug 2 Millicandela (mcd).
Beispiel 6
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht anstelle von Dimethylcadmium Silangas mit einer Durchsatzmenge von 2·10^–9 mol/min verwendet wurde, um eine n-leitende lichtemittierende In_0,14Ga_0,86N-Schicht zu bilden, dotiert mit Si in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³.
Die lichtemittierende Diode hatte bei 20 mA eine Ausgangsleistung von 120 μW. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 400 nm, und die Leuchtdichte betrug etwa 1/50 der Leuchtdichte der Diode nach Beispiel 1. Die geringe Leuchtdichte ergab sich infolge der kurzen Wellenlänge des Emissionsmaximums, was die Helligkeit verminderte.
Beispiel 7
Das Reinigen eines Substrates, die Züchtung einer Pufferschicht und die Züchtung einer ersten Überzugsschicht (Si-dotierte n-leitende GaN-Schicht) erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Nach der Bildung der ersten Überzugsschicht wurde eine lichtemittierende Schicht wie beim Beispiel 1 gezüchtet, nur daß Diethylzink (DEZ) mit einer Durchsatzmenge von 1·10^–6 mol/min anstelle von Diethylcadmium verwendet wurde, um auf der ersten Überzugsschicht eine 20 nm dicke n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht (lichtemittierende Schicht) zu bilden, dotiert mit Zn in einer Konzentration von 1·10¹⁹/cm³.
Anschließend wurde eine zweite Überzugsschicht nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 gezüchtet, um eine 0,8 μm dicke Mg-dotierte, p-leitende GaN-Schicht zu bilden. Die Temperung und die Herstellung einer Diode aus dem Wafer erfolgte nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1, um eine blau-emittierende Diode herzustellen.
Die lichtemittierende Einrichtung brachte eine Ausgangsleistung von 300 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 480 nm, und die Leuchtdichte betrug 400 mcd.
Beispiel 8
Das Reinigen eines Substrates und das Züchten einer Pufferschicht erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Eine erste Überzugsschicht wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 3 gezüchtet, um eine Si-dotierte, n-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht mit einer Dicke von 2 μm zu bilden.
Nach Bildung der ersten Überzugsschicht wurde eine lichtemittierende Schicht wie beim Beispiel 7 gezüchtet, um eine 20 nm dicke, n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht zu bilden, dotiert mit Zn in einer Konzentration von 1·10¹⁹/cm³.
Nach dem Bilden der lichtemittierenden Schicht wurde eine zweite Überzugsschicht wie beim Beispiel 3 gezüchtet, um auf der lichtemittierenden Schicht eine 0,8 μm dicke p-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht zu bilden, dotiert mit Mg in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³.
Das Tempern der zweiten Überzugsschicht und die Herstellung einer Diode aus dem Wafer erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1, um eine blau-emittierende Diode herzustellen.
Die oben erhaltene blau-emittierende Diode hatte die gleiche Ausgangsleistung, die gleiche Wellenlänge des Emissionsmaxi mums und die gleiche Leuchtdichte wie die Diode nach Beispiel 7.
Beispiel 9
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 7 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des DEZ erhöht wurde, um eine lichtemittierende In_0,15Ga_0,85N-Schicht mit einer Zinkdotierung in einer Konzentration von 1·10²²/cm³ zu bilden.
Die so erhaltene blau-emittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von etwa 40% derjenigen der Diode nach Beispiel 7.
Beispiel 10
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 7 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer zweiten Überzugsschicht die Durchsatzmenge des Cp₂Mg vermindert wurde, um eine p-leitende GaN-Schicht (zweite Überzugsschicht) mit Mg-Dotierung in einer Konzentration von 1·10¹⁷/cm³ zu bilden.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von etwa 10% derjenigen der Diode nach Beispiel 7.
Beispiel 11
Das Reinigen eines Substrates, die Züchtung einer Pufferschicht und die Züchtung einer ersten Überzugsschicht (Si-dotierte n-leitende GaN-Schicht) erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie bei Beispiel 1.
Nach Bildung der ersten Überzugsschicht wurde eine lichtemittierende Schicht wie bei Beispiel 1 gezüchtet, nur daß Diethylzink anstelle von Diethylcadmium verwendet wurde, um auf der ersten Überzugsschicht eine Zn-dotierte n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht mit einer Dicke von 100 Å. zu bilden. Die Elektronen-Ladungsträgerkonzentration der n-leitenden In_0,15Ga_0,85N-Schicht betrug 1·10¹⁹/cm³.
Eine zweite Überzugsschicht wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1 gezüchtet, um eine Mg-dotierte p-leitende GaN-Schicht zu bilden. Die Temperung und die Herstellung einer Diode aus dem Wafer erfolgten wie beim Beispiel 1, um eine lichtemittierende Diode herzustellen.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 400 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm, und die Leuchtdichte betrug 600 mcd.
Beispiel 12
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 hergestellt, nur daß beim Wachstum einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des DEZ justiert wurde, um eine n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht (lichtemittierende Schicht) mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 4·10¹⁷/cm³ zu bilden.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 40 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 13
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 hergestellt, nur daß beim Wachstum einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des DEZ justiert wurde, um eine n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht (lichtemittierende Schicht) mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10²¹/cm³ zu bilden.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 40 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 14
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 hergestellt, nur daß beim Wachstum einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des DEZ justiert wurde, um eine n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht (lichtemittierende Schicht) mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10¹⁷/cm³ zu bilden.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 4 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 15
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 hergestellt, nur daß beim Wachstum einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des DEZ justiert wurde, um eine n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 5·10²¹/cm³ zu bilden.
Die lichtemittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 4 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 16
Eine Pufferschicht und eine n-leitende GaN-Schicht wurden auf einem Saphirsubstrat nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 gebildet.
Es erfolgte die Züchtung einer hochohmigen i-leitenden GaN-Schicht unter Verwendung von TMG als Galliumquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle und DEZ als p-Typ-Fremdstoffquelle. Die i-leitende GaN-Schicht wurde teilweise weggeätzt, um die n-leitende GaN-Schicht freizulegen. Eine Elektrode wurde auf der freigelegten Oberfläche gebildet, und eine weitere Elektrode wurde auf der i-leitenden GaN-Schicht gebildet, um so eine lichtemittierende Diode einer MIS-Struktur herzustellen.
Die Diode mit MIS-Struktur brachte eine Strahlungsausgangsleistung von 1 μW bei 20 mA und eine Leuchtdichte von 1 mcd.
Beispiel 17
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht Silangas als Fremdstoffquelle hinzugefügt wurde, um eine lichtemittierende n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht zu bilden, dotiert mit Zn und Si und mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10¹⁹/cm³.
Die lichtemittierende Diode brachte eine Ausgangsleistung von 600 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm, und die Leuchtdichte betrug 800 mcd.
Beispiel 18
Das Reinigen eines Substrates, die Züchtung einer Pufferschicht und die Züchtung einer ersten Überzugsschicht (Si- dotierte GaN-Schicht) erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Nach Bildung der ersten Überzugsschicht wurde eine lichtemittierende Schicht wie beim Beispiel 1 gezüchtet, nur daß Silan und DEZ anstelle von anstelle von Diethylcadmium verwendet wurden, um auf der ersten Überzugsschicht eine 10 nm dicke, mit Si und Zn dotierte n-leitende In_0,14Ga_0,86N-Schicht zu bilden. Die lichtemittierende Schicht hatte eine Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10¹⁸/cm³.
Eine zweite Überzugsschicht wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 7 gezüchtet, um eine Mg-dotierte (Konzentration von 2·10²⁰/cm³) p-leitende GaN-Schicht zu bilden.
Das Tempern und die Herstellung einer LED aus dem Wafer erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Die blau-emittierende Diode hatte eine Ausgangsleistung von 580 μW bei 20 mA. Die Leuchtdichte betrug 780 mcd, und das Emissionsmaximum lag bei einer Wellenlänge von 490 nm.
Beispiel 19
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 18 hergestellt, nur daß beim Züchten einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmengen des Silangases und des DEZ-Gases so justiert wurden, daß eine mit Si und Zn in einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10²⁰/cm³ dotierte n-leitende lichtemittierende In_0,14Ga_0,86N-Schicht gebildet wurde.
Die blau-emittierende Diode brachte eine Ausgangsleistung von 590 μW bei 20 mA. Die Leuchtdichte betrug 790 mcd, und das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 20
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 18 hergestellt, nur daß bei dem Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmengen des Silangases und des DEZ-Gases so justiert wurden, daß sich eine mit Si und Zn dotierte n-leitende lichtemittierende In_0,14Ga_0,86N-Schicht mit einer Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 4·10¹⁷/cm³ bildete.
Die blau-emittierende Diode brachte eine Strahlungsausgangsleistung von 60 μW bei 20 mA. Die Leuchtdichte betrug 80 mcd, und das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 21
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 18 gefertigt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmengen des Silangases und des DEZ-Gases so justiert wurden, daß eine n-leitende lichtemittierende In_0,14Ga_0,86N-Schicht gebildet wurde, die mit Si und Zn dotiert war und eine Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 5·10²¹/cm³ hatte.
Die blau-emittierende Diode brachte eine Ausgangsleistung von 6 μW bei 20 mA. Die Leuchtdichte betrug 10 mcd, und das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm.
Beispiel 22
Eine grün-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 18 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des TMI so justiert wurde, daß sich eine mit Si und Zn dotierte lichtemittierende In_0,25Ga_0,75N-Schicht ergab.
Die grün-emittierende Schicht brachte eine Ausgangsleistung von 500 μW bei 20 mA. Die Leuchtdichte betrug 1000 mcd, und das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 510 nm.
Beispiel 23
Eine Pufferschicht und eine n-leitende GaN-Schicht wurden auf einem Saphirsubstrat nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 11 gebildet.
Unter Verwendung von TMG als Galliumquelle, Ammoniak als Stickstoffquelle und Silan und DEZ als Fremdstoffquellen wurde eine mit Si und Zn dotierte i-leitende GaN-Schicht gebildet. Die i-leitende GaN-Schicht wurde teilweise weggeätzt, um die n-leitende GaN-Schicht freizulegen. Auf der freigelegten Oberfläche wurde eine Elektrode gebildet, und eine weitere Elektrode wurde auf der i-leitenden GaN-Schicht gebildet, um so eine lichtemittierende Diode mit einer MIS-Struktur herzustellen.
Die Diode mit MIS-Struktur brachte eine Ausgangsleistung von 1 μW bei 20 mA und eine Leuchtdichte von 1 mcd.
Beispiel 24
Das Reinigen eines Substrates, das Züchten einer Pufferschicht und das Züchten einer ersten Überzugsschicht (Si-dotierte, n-leitende GaN-Schicht) erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Nach Bildung der ersten Überzugsschicht wurde eine lichtemittierende Schicht wie beim Beispiel 1 gezüchtet, nur daß anstelle von Diethylcadmium Silan als n-Typ-Fremdstoffquelle mit einer justierten Durchsatzmenge verwendet wurde und die Züchtung für die Dauer von 5 Minuten erfolgte, um auf der ersten Überzugsschicht eine 10 nm dicke n-leitende lichtemittierende In_0,15Ga_0,85N-Schicht zu bilden, die mit Silicium in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³ dotiert war.
Dann wurde eine zweite Überzugsschicht wie beim Beispiel gezüchtet, nur daß die Durchsatzmenge des Cp₂Mg so justiert wurde, daß sich eine p-leitende GaN-Schicht (zweite Überzugsschicht) mit Mg-Dotierung in einer Konzentration von 1·10¹⁸/cm³ bildete. Das Tempern und die Herstellung einer Diode aus dem Wafer erfolgten wie beim Beispiel 1, um eine blau-emittierende Diode zu erhalten.
Die lichtemittierende Diode brachte eine Ausgangsleistung von 300 μW bei 20 mA. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 405 nm.
Beispiel 25
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 24 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer ersten Überzugsschicht eine mit Si dotierte n-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht (erste Überzugsschicht) mit einer Dicke von 2 μm nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 3 gebildet wurde und daß beim Wachstumsprozeß einer zweiten Überzugsschicht eine mit Mg in einer Konzentration von 1·10¹⁸/cm³ dotierte p-leitende Ga_0,9Al_0,1N-Schicht (zweite Überzugsschicht) mit einer Dicke von 0,8 μm nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 3 gezüchtet wurde.
Die lichtemittierende Diode brachte die gleiche Ausgangsleistung und hatte die gleiche Wellenlänge des Emissionsmaximums wie die lichtemittierende Diode nach Beispiel 24.
Beispiel 26
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 24 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer lichtemittierenden Schicht die Durchsatzmenge des Silangases erhöht wurde, um eine mit Si in einer Konzentration von 1·10²²/cm³ dotierte n-leitende In_0,15Ga_0,85N-Schicht zu bilden.
Die Ausgangsleistung der lichtemittierenden Diode betrug etwa 40% der Ausgangsleistung der Diode nach Beispiel 24.
Beispiel 27
Eine blau-emittierende Diode wurde nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 24 hergestellt, nur daß beim Wachstumsprozeß einer zweiten Überzugsschicht die Durchsatzmenge des Cp₂Mg vermindert wurde, um eine p-leitende GaN-Schicht zu bilden, die mit Mg in einer Konzentration von 1·10¹⁷/cm³ dotiert war.
Die Ausgangsleistung der lichtemittierenden Diode betrug etwa 20% derjenigen der Diode nach Beispiel 24.
Ausführungsform der Erfindung:
Das Reinigen eines Substrates und das Züchten einer Pufferschicht erfolgten nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 1.
Nach Bildung der Pufferschicht wurde nur die TMG-Strömung gestoppt, und das Substrat wurde auf 1030°C erhitzt. Unter Aufrechterhaltung der Substrattemperatur von 1030°C und ohne Änderung der Durchsatzmenge des Ammoniaks wurde die Durchsatzmenge des TMG auf 54·10^–6 mol/min umgeschaltet, und als n-Typ-Fremdstoffquelle wurde Silan mit einer Durchsatzmenge von 2·10^–9 mol/min hinzugefügt, und die Züchtung erfolgte für die Dauer von 60 Minuten. So wurde auf der GaN-Pufferschicht eine 4 μm dicke, n-leitende GaN-Schicht (n-leitende Kontaktschicht) gebildet, die mit Si in einer Konzentration von 1·10²⁰/cm³ dotiert war.
Dann wurde TMA als Aluminiumquelle mit einer justierten Durchsatzmenge hinzugefügt, und die Züchtung wurde in einer ähnlichen Weise wie beim Beispiel 3 durchgeführt, um auf der n-leitenden Kontaktschicht eine 0,15 μm dicke, mit Si dotierte n-leitende Ga_0,8Al_0,2N-Schicht (erste Überzugsschicht) zu bilden.
Als nächstes wurde eine lichtemittierende Schicht nach den gleichen Prozeduren wie beim Beispiel 17 gezüchtet, um auf der ersten Überzugsschicht eine n-leitende In_0,14Ga_0,86N-Lichtemissionsschicht zu bilden, die mit Si und Zn dotiert war und eine Elektronen-Ladungsträgerkonzentration von 1·10¹⁹/cm³ hatte.
Anschließend wurde für die Dauer von 2 Minuten in einer ähnlichen Weise wie beim Beispiel 3 eine zweite Überzugsschicht gezüchtet, um auf der lichtemittierenden Schicht eine mit Mg dotierte Ga_0,8Al_0,2N-Schicht mit einer Dicke von 0,15 μm zu bilden.
Dann wurde nur die Strömung der Aluminiumquelle gestoppt, und die Züchtung wurde für 7 Minuten fortgeführt, um auf der zweiten Überzugsschicht eine 0,3 μm dicke, mit Mg dotierte GaN-Schicht (p-leitende Kontaktschicht) zu bilden.
Die Temperung wurde wie beim Beispiel 1 durchgeführt, um die lichtemittierende Schicht, die zweite Überzugsschicht und die p-leitende Kontaktschicht in niederohmige Schichten zu konvertieren.
Aus dem Wafer wurde eine lichtemittierende Diode mit einer Struktur nach 11 hergestellt.
Diese Diode brachte eine Ausgangsleistung von 600 μW und eine Leuchtdichte von 1400 mcd. Das Emissionsmaximum lag bei der Wellenlänge 490 nm. Die Spannung in Durchlaßrichtung betrug 3,3 V bei 20 mA. Diese Durchlaßspannung war um etwa 4 V niedriger als bei der Diode nach Beispiel 3, 8 oder 25. Diese geringere Durchlaßspannung ist dem besseren ohmschen Kontakt zwischen den GaN-Kontaktschichten und den Elektroden zu verdanken.

Claims

Lichtemittierende Halbleitereinrichtungen auf der Basis eines Gallium-Nitrid-Verbindungshalbleiters (30, 40) umfassend: – eine Doppel-Heterostruktur (22), die eine lichtemittierende Schicht (18) enthält, die erste und zweite Hauptflächen aufweist und einen Halbleiter umfasst, der durch die Formel In_xGa_1-xN mit 0 < x < 1 repräsentiert wird und dotiert ist, – eine erste Überzugsschicht (16), die auf der Seite der ersten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht (18) vorgesehen ist und einen n-Typ-Verbindungshalbleiter auf Gallium-Nitrid-Basis umfasst, und – eine zweite Überzugsschicht (20), die auf der Seite der zweiten Hauptfläche der lichtemittierenden Schicht (18) vorgesehen ist und einen p-Typ-Verbindungshalbleiter auf Gallium-Nitrid-Basis umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Überzugsschicht (16) durch die Formel Ga_zAl_1-zN mit 0 < z < 1 repräsentiert wird und mit Si dotiert ist, und – die zweite Überzugsschicht (20) durch die Formel Ga_zAl_1-zN mit 0 < z < 1 repräsentiert wird und mit Mg dotiert ist, wobei – eine n-Typ-Kontaktschicht (32, 42) mit der ersten Überzugsschicht (16) verbunden ist, wobei die n-Typ-Kontaktschicht (32, 44) aus n-Typ Galliumnitrid gebildet ist, das mit Si dotiert ist, und – eine p-Typ-Kontaktschicht (34, 44) mit der zweiten Überzugsschicht (20) verbunden ist, wobei die p-Typ-Kontaktschicht (34, 44) aus p-Typ-Galliumnitrid gebildet ist, das mit Mg dotiert ist.