DE60217943T2

DE60217943T2 - Nitrid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE60217943T2
Application number: DE60217943T
Authority: DE
Inventors: c/o Corp. Res. Dev. Lab. Hiroyuki Tsurugashima-shi Ota; c/o Rohm Co. Masayuki Sonobe; c/o Rohm Co. Norikazu Ito; c/o Rohm Co. Tetsuo Fujii
Original assignee: Rohm Co Ltd; Pioneer Corp
Current assignee: Rohm Co Ltd; Pioneer Corp
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP3909811B2; EP1267422A3; EP1267422A2; EP1267422B1; TW569470B; CN1249820C; JP2002368269A; US20030001161A1; KR20030006990A; KR100448662B1; CN1391293A; DE60217943D1; US6693303B2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nitrid-Halbleitervorrichtung der Gruppe III (hierin nachfolgend auch als Vorrichtung bezeichnet) und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
1. Beschreibung des Standes der Technik
Umfangreiche Forschungen werden derzeit mit lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen, im Speziellen einer Kurzwellen-Halbleiterlaservorrichtung auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und verwandten Verbindungen als ein Materialsystem für die Vorrichtung durchgeführt. Eine Halbleiterlaservorrichtung auf der Basis von GaN wird durch aufeinender folgendes Abscheiden von einkristallinen Halbleiterschichten wie z. B. (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) auf einem Kristallsubstrat hergestellt.
Ein metallorganisches chemisches Aufdampfverfahren (hierin nachfolgend mit MOCVD abgekürzt) wird im Allgemeinen verwendet, um solch eine einkristalline Schicht herzustellen. Bei diesem Verfahren werden Quellengase, die Trimethylgallium (hierin nachfolgend mit TMG abgekürzt) als Vorläufermaterial der Gruppe III und Ammoniak (NH₃) als Vorläufermaterial der Gruppe V enthalten, in einen Reaktor eingeleitet, um bei einer Temperatur im Bereich von 900–1000°C zu reagieren und dadurch Verbindungskristalle auf dem Substrat abzuscheiden. Durch Ändern des Verhältnisses der in den Reaktor eingeleiteten Vorläufer können verschie dene Verbindungen auf dem Substrat geschichtet werden, um eine Mehrschichtstruktur zu erhalten.
Wenn die abgeschiedene einkristalline Schicht viele Durchdringungsfehlstellen aufweist, ist die Lichtemissionsleistung der Vorrichtung wesentlich verschlechtert. Solch eine Fehlstelle wird durchgehende Versetzung oder threading dislocation genannt, die eine linear verlaufende Fehlstelle ist, welche die Kristallschicht entlang der Aufwachsrichtung durchdringt. Da eine durchgehende Versetzung als ein nicht strahlendes Rekombinationszentrum für Ladungsträger wirkt, ist die Lichtleistung einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, die eine Schicht mit vielen Versetzungen umfasst, schlecht. Die oben erwähnte Fehlstelle wird auf Grund einer Kristallgitterverspannung an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und einer darüber liegenden Schicht, die darauf gebildet ist, erzeugt. Es wurden Versuche unternommen, den Einfluss der Verspannung an der Grenzfläche zu verringern, indem Substratmaterialien gewählt wurden, die eine/n Kristallstruktur, Gitterkonstante und thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die jenen eines Kristalls auf der Basis von GaN ähnlich sind.
Es gibt kein kostengünstiges und an einen Nitrid-Halbleiter gitterangepasstes (lattice-matched) Substrat. Daher werden hauptsächlich Saphirscheiben als Substrate für das Epitaxialwachstum eines Nitrid-Halbleiters verwendet. In diesem Fall werden die durchgehenden Versetzungen auf Grund der Gitterfehlanpassung erzeugt, da Saphir eine Gitterkonstante aufweist, die sich von der des GaN um ca. 14% unterscheidet. Es ist selbst unter optimalen Bedingungen unvermeidbar, dass die Dichte von durchgehenden Versetzungen 1E8/cm² oder größer wird. Ein epitaktisch seitliches Überwachsen (ELO) oder dergleichen kann die Dichte der Versetzungen drastisch reduzieren. Allerdings erhöht das ELO die Herstel lungskosten von Vorrichtungen beträchtlich. Die Eignung des ELO für die Herstellung der Nitrid-Halbleitervorrichtung wie z. B. einer Leuchtdiode oder dergleichen findet keine praktische Anwendung.
Die ungeprüfte japanische KOKAI Patentveröffentlichung Nr. 2000-232 238 (USPN 6 329 667) offenbart eine herkömmliche Technik, die einige Eigenschaften der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung verbessert. Im offenbarten Stand der Technik wird eine Ausbildung von Vertiefungen (Pits) oder Ausnehmungen um die durchgehenden Versetzungen herum während eines epitaktischen Aufwachsens auf einem Wafer vorgeformt, nachdem das Aufwachsen der aktiven Schicht abgeschlossen ist. Dann werden die Pits der aktiven Schicht mit einem Material eingebettet, das eine Bandlücke aufweist, die größer als die der aktiven Schicht ist, und danach werden die weiteren Strukturschichten einer Vorrichtung geschichtet. Diese Technik verbessert die Leuchteigenschaften der Vorrichtung, da eine Injektion von Ladungsträgern in die durchgehenden Versetzungen vermieden wird.
Im Falle einer pn-Flächendiode, die durch Aufwachsen von Nitrid-Halbleitern auf einem anderen Substrat wie z. B. einem Saphirsubstrat oder dergleichen gebildet ist, besteht die Tendenz, dass der Verluststrom unter Sperrspannung im Vergleich mit dem der Halbleitervorrichtung aus GaAs oder dergleichen hoch ist. Diese Diodeneigenschaft rührt von der hohen Dichte von durchgehenden Versetzungen in den oben erwähnten aufgewachsenen Schichten her.
Die Erfinder haben offenbart, dass, obwohl der oben erwähnte Stand der Technik zulässt, dass die durch die durchgehenden Versetzungen unter einer Injektion in Durchlassrichtung verursachte Lumineszenzleistung abnimmt, um die Lumineszenzeigenschaften der Vorrichtung zu verbes sern, dieser noch immer nicht im Stande ist, das Problem des Sperrverluststromes zu lösen. Die Zunahme des Sperrverluststromes bringt minderwertige Produkte mit sich, was eine Erhöhung der Produktionsausbeute verhindert. Beispielsweise umfasst die technische Spezifikation für eine Leuchtdiode üblicherweise eine Größe des Verluststromes bei Anlegen einer Sperrspannung daran, z. B. weniger als 10 μA bei angelegten 5 V.
Takahashi et al. (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000), S. 569–571) offenbaren ein Verfahren zum Bilden einer lichtemittierenden GaN/GaInN-Vorrichtung mit einem SQW auf der Basis von GaInN und einer aus Al-GaN hergestellten, zu dem SQW benachbarten Barrierenschicht.
Die EP 1 059 677 A2 offenbart eine Nitrid-Halbleitervorrichtung, die eine Niedertemperatur-Pufferschicht, die auf einem Saphirsubstrat gebildet ist, eine erste Galliumnitridschicht, die keine Dotierkomponente enthält und auf der Pufferschicht gebildet ist, und eine zweite Galliumnitridschicht, die eine Dotierkomponente enthält und auf der ersten Galliumnitridschicht gebildet ist, umfasst, wobei die zweite Galliumnitridschicht gebildet wird, während die erste Galliumnitridschicht durch Auffüllen von Leerräumen in der erste Galliumnitridschicht von der Oberfläche davon geglättet wird.
Ziel und Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennlinie, d. h. den großen Sperrverluststrom der oben beschriebenen Nitrid-Halbleitervorrichtung, gemacht, und es ist ein Ziel davon, eine Nitrid-Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die eine gute Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, während die Erzeugung von Fehl stellen zugelassen wird, die durch die auf einem Substrat aufgewachsenen einkristallinen Schichten hindurch verlaufen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Nitrid-Halbleitervorrichtung vorgesehen, die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III umfasst, mit:
einer aktiven Schicht;
einer Barrirenschicht, die aus einem Material hergestellt ist, das eine größere Bandlücke als die der aktiven Schicht aufweisen muss und benachbart zu der aktiven Schicht vorgesehen ist;
einer durchgehenden Versetzung, die die aktive Schicht durchdringt; einem Barrierenabschnitt, der einen Scheitel aufweist und aus dem Material der Barierenschicht gebildet ist, sodass er die durchgehende Versetzung in der aktiven Schicht umgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid-Halbleitervorrichtung eine Halbleiterschicht aufweist, in der der Scheitel angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht eine Fremdstoffkonzentration aufweist, die in einem Bereich von 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁷/cm³ liegt.
Bei der oben erwähnten Nitrid-Halbleitervorrichtung weist die aktive Schicht eine Einzel-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentohfstruktur auf.
Bei der oben erwähnten Nitrid-Halbleitervorrichtung füllt das vorbestimmte Material der (ersten) Barrierenschicht eine Ausnehmung auf, die mit einer Grenzfläche an der aktiven Schicht verschlossen ist, um Oberflächen der Ausnehmung als den Barrierenabschnitt zu glätten.
Bei der oben erwähnten Nitrid-Halbleitervorrichtung weist der Barrierenabschnitt eine Kegelform, eine Kegelstumpfform oder eine Kombination aus diesen auf.
Bei der oben erwähnten Nitrid-Halbleitervorrichtung sind die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
Die oben erwähnte Nitrid-Halbleitervorrichtung kann ferner eine zweite Niedertemperatur-Barrierenschicht umfassen, die zwischen der ersten Barrierenschicht und der aktiven Schicht vorgesehen ist, wobei die Niedertemperatur-Banierenschicht im Wesentlichen aus demselben vorbestimmten Material wie die der ersten Barrierenschicht bei der im Wesentlichen gleichen Temperatur wie die Aufwachstemperatur der aktiven Schicht gebildet wird.
Bei der oben erwähnten Nitrid-Halbleitervorrichtung weist die zweite Niedertemperatur-Barrierenschicht ein niedrigeres AIN-Zusammensetzungsverhältnis als das der ersten Barrierenschicht auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung vorgesehen, die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III umfasst und eine aktive Schicht, eine durchgehende Versetzung, die die aktive Schicht durchdringt, und eine Barrierenschicht aufweist, die aus einem vorbestimmten Material hergestellt ist, das eine größere Bandlücke als die der aktiven Schicht besitzt und benachbart zu der aktiven Schicht angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:
eine Halbleiterschicht gebildet wird;
die aktive Schicht über der Halbleiterschicht gebildet wird, sodass sie eine Ausnehmung aufweist, die auf eine durchgehende Versetzung in der akti ven Schicht zurückzuführen ist; und
das Material der Barrierenschicht auf der aktiven Schicht abgeschieden wird, um in der Ausnehmung einen Barrierenabschnitt zu bilden, der die durchgehende Versetzung umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht derart gebildet wird, dass sie eine Fremdstoffkonzentration aufweist, die in einem Bereich von 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁷/cm³ liegt.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung umfasst der Schritt des Bildens der aktiven Schicht einen Schritt, dass die aktive Schicht geätzt wird, nachdem die aktive Schicht abgeschieden worden ist.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung wird das Ätzen in dem Ätzschritt beendet, wenn die Erosion entlang der durchgehenden Versetzung die darunter liegende Halbleiterschicht erreicht.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung wird der Schritt des Bildens der Halbleiterschicht bei einer Temperatur in einem Bereich von 600–850°C vor dem Aufwachsen der aktiven Schicht durchgeführt.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bildens einer zweiten Niedertemperatur-Barrierenschicht aus im Wesentlichen demselben Material wie dem der ersten Barrierenschicht bei der im Wesentlichen gleichen Temperatur wie einer Aufwachstemperatur der aktiven Schicht zwischen dem Schritt des Bildens eines Pits und dem Schritt des Abscheidens des Materials.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung weist die zweite Niedertemperatur-Barrierenschicht ein niedrigeres AlN-Zusammensetzungsverhältnis als das der ersten Barrierenschicht auf.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die oben erwähnten Aspekte und weitere Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erklärt, in denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht ist, die eine Leuchtdiode einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, die eine aktive Schicht der Leuchtdiode der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Diagramm ist, das Kurven von Strom/Spannungs-Kennlinien von Leuchtdioden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Graph ist, der Kurven von Strom/Spannungs-Kennlinien vergleichbarer Leuchtdioden zeigt; und
5 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht ist, die eine aktive Schicht in einer Leuchtdiode einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine aus einem Nitrid der Gruppe III hergestellte Leuchtdiodenvorrichtung, die einen pn-Übergang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, wird unten stehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt die Leuchtdiodenvorrichtung gemäß der Ausführungsform. Die Halbleitervorrichtung umfasst eine GaN (oder AlN)-Schicht 2, die bei einer niedrigeren Temperatur gebildet wird, eine n-Typ-GaN-Schicht 3, eine n-Typ-Al_0,1 Ga_0,9 N-Schicht 4, eine n-Typ-GaN-Schicht 5, eine aktive Schicht 6, die InGaN als einen Hauptbestandteil umfasst, eine p-Typ-Al_0,2 Ga_0,8 N-Schicht 7 und eine p-Typ-GaN-Schicht 8, die in der oben genannten Reihenfolge auf einem einkristallinen Saphirsubstrat 1 abgeschieden sind. Die Vorrichtung umfasst ferner eine p-Typ-Elektrode 13, die mit der p-Typ-GaN-Schicht 8 verbunden ist, und eine n-Typ-Elektrode 14, die mit der n-Typ-GaN-Schicht 3 verbunden ist. Die Vorrichtung ist mit Ausnahme der Elektaroden mit einer Isolierschicht 11 aus SiO₂ bedeckt. Die Halbleitervorrichtung emittiert Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern in der aktiven Schicht 6. Die p-Typ-Al_0.2 Ga_0.8 N-Schicht 7 ist eine erste Barrierenschicht zum Vergrößern des Einschlusses injizierter Ladungsträger (im Speziellen von Elektronen). Die p-Typ-GaN-Schicht 8 ist eine Kontaktschicht. Die n-Typ-GaN-Schicht 5 ist eine Piterzeugungsschicht. Die n-Typ-Al_0,1 Ga_0,9 N-Schicht 4 ist eine erste Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration. Die Piterzeugungsschicht 5 ist eine zweite Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration. Die n-Typ-GaN-Schicht 3 ist eine zugrunde liegende Basisschicht, die einen Stromfluss zulässt. Die n-Typ-GaN-Schicht 3 ist notwendig, da Saphir, der das Substrat bildet, keinerlei elektrische Leitfähigkeit aufweist. Darüber hinaus ist die Aufwachsschicht mit niedrigerer Temperatur oder GaN- (oder AlN-)-Schicht 2 eine so genannte Pufferschicht zur Erzeugung einer glatten Schicht auf dem Saphirsubstrat, das ein anderes Material als GaN ist.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Leuchtdiodenvorrichtung ferner einen Barrierenabschnitt 51, der durch eine Grenzfläche 50 an der aktiven Schicht 6 definiert und aus demselben Material wie das der ersten Barrierenschicht 7 gebildet ist. Die Grenzfläche 50 umgibt eine durchgehende Versetzung 15, die sich von der Piterzeugungsschicht 5 bis zu der Kontaktschicht 8 durch die aktive Schicht 6 hindurch erstreckt, und breitet sich um diese herum aus. Zumindest eine von den benachbarten zwei Halbleiterschichten 4 und 5 (der ersten und zweiten Schicht mit einer geringen Frerndstoffkonzentration) in dem Barrierenabschnitt 51 weist eine Fremdstoffkonzentration auf, die in einem Bereich von 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁷/cm³ liegt und niedriger als die der anderen Schichten ist. Und zwar weist jedes Pit, d. h. der Barrierenabschnitt 51, das / der durch die aktive Schicht 6 hindurch gebildet ist, eine Ausnehmung mit einer umgedrehten Kegelform auf, dessen Scheitel P in der Piterzeugungsschicht 5 mit der geringen Fremdstoffkonzentration angeordnet ist. Die (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1)-Schicht, die mit einem n-Typ-Fremdstoff dotiert ist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, ist unterhalb der Piterzeugungsschicht 5, d. h. der Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration, vorgesehen.
Wenn ein Durchlassstrom in die Vorrichtung fließt, werden Elektronen aus der n-Typ-GaN-Piterzeugungsschicht 5 in die aktive Schicht 6, die aus InGaN mit einem hohen Indium (In)-Zusammensetzungsverhältnis (d. h. eine schmalere Bandlücke) hergestellt ist, injiziert, wie in 2 gezeigt. Des Weiteren werden aus demselben Grund auch Löcher, die aus der p-Typ-GaN-Kontaktschicht 8 injiziert werden, von der aktiven Schicht 6 gesammelt. In diesem Fall können sowohl Elektronen als auch Löcher die durchgehende Versetzung 15 nicht erreichen, da sie von dem AlGaN-Barrierenabschnitt 51 blockiert werden. Dies ist der Fall, da die durchgehende Versetzung 15 von dem AlGaN-Barrierenabschnitt 51 umgeben ist, der eine größere Bandlücke im Vergleich mit der der aktiven Schicht 6, die InGaN mit einem hohen In-Zusammensetzungsverhältnis umfasst, aufweist. Daher verhindert der Barrierenabschnitt 51, dass die injizierten Ladungsträger die durchgehende Versetzung 15 erreichen, die gewöhnlich als nicht strahlendes Rekombinationszentrum wirkt. Die Vorrichtung weist eine Lumineszenzleistung auf, die höher als die einer solchen ohne Barrierenabschnitt 51 ist.
Gemäß der Erfindung unterdrückt die Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration, d. h. die Piterzeugungsschicht 5, die benachbart zu dem Scheitel P des Barrierenabschnittes 51, welcher die durchgehende Versetzung 15 umgibt, vorhanden ist, den Verluststrom, der andernfalls bei Anlegen der Sperrspannung an die Vorrichtung fließen würde.
Im Allgemeinen ist die Lichtleistung einer Nitrid-Halbleiterleuchtdiode durch Erhöhen der Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht im nicht vorgespannten Zustand durch eine n-Typ-Dotierung der aktiven Schicht oder der dazu benachbarten Schichten wirksam verbessert. Wenn die Dotierkonzentration des n-Typ-Fremdstoffes jedoch zu hoch ist, wird eine Sperrschicht dünn und die elektrische Feldstärke nimmt zu. Infolgedessen führt die hohe Dichte der durchgehenden Versetzungen zu einer Erhöhung des Verluststromes.
Im Gegensatz dazu weist die Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung eine Struktur auf, bei der der Barrierenabschnitt 51 das n-Typ-Material aus der Umgebung jeder durchgehenden Versetzung, die den Verluststrom bei Anlegen einer Sperrspannung an die Vorrichtung trans portiert, ausschließt, wie in 2 gezeigt. Die Erfindung ermöglicht daher eine n-Typ-Dotierung der aktiven Schicht auf hohem Niveau, während die Dicke des Sperrbereiches um die durchgehenden Versetzungen herum mit den Parametern der Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration gesteuert wird.
Darüber hinaus kann die Nitrid-Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ferner eine dotierte n-Typ-Schicht 5a mit einer hohen Dotierkonzentration des n-Typ-Fremdstoffes zwischen der aktiven Schicht 6 und der Piterzeugungsschicht 5 umfassen, wie in 5 gezeigt, da der Barrierenabschnitt 51 das n-Typ-Material aus der Umgebung jeder durchgehenden Versetzung ausschließt, die den Verluststrom bei Anlegen der Sperrspannung an die Vorrichtung transportiert.
Eine LED mit der in 1 gezeigten Struktur wird in dem folgenden Prozess hergestellt, bei dem eine Schichtstruktur der Vorrichtung mittels MOCVD auf einem Saphir-A-Flächensubstrat gebildet wird. Diese Ausführungsform wendet ein Verfahren zum Bilden der Pits in-situ um die durchgehenden Versetzungen in der aktiven Schicht herum an. Das heißt, die Ausführungsform nutzt die Tatsache, dass das Kristallaufwachsen unter speziellen Aufwachsbedingungen in der Nähe jeder durchgehenden Versetzung verhindert werden kann.
Als Erstes wird ein MOCVD-Reaktor mit einem Saphirsubstrat 1 gefüllt und dann zur thermischen Reinigung der Oberfläche des Substrats in einem Wasserstoffgasstrom unter einem Druck von 300 Torr bei einer Temperatur von 1050°C für zehn Minuten angeordnet. Das Saphirsubstrat 1 wird dann auf eine Temperatur von 400°C gekühlt. Als Nächstes werden unter Verwendung eines Trägergases aus Wasserstoff Ammoniak NH₃ und Trimethylaluminium (TMA) als Vorläufermaterialien in den Reaktor einge leitet, sodass eine AlN-Schicht aufwächst, wodurch eine Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 50 nm gebildet wird.
Als Nächstea wird, nachdem die Zufuhr von TMA gestoppt worden ist, das Saphirsubstrat 1 mit der Pufferschicht 2 neuerlich auf 1050°C erhitzt, während nur NH₃-Gas durch den Reaktor strömt. Dann wird Trimethylgallium (TMG) in den Reaktor eingeleitet, sodass eine n-Typ-GaN-Basisschicht 3 aufwächst. Während des oben angeführten Prozesses wird dem Vorläufermaterial-Gas Methylsilan (Me-SiH₃) als n-Typ-Dotiersubstanz zugesetzt, sodass die n-Typ-GaN-Basisschicht 3 eine Silicium (Si)-Konzentration von 2 × 10¹⁸/cm³ aufweist.
Zu einem Zeitpunkt, zu dem die n-Typ-GaN-Basisschicht 3 auf eine Dicke von ca. 4 μm aufgewachsen ist, wird die Zufuhrmenge von Methylsilan auf 1/20 reduziert, sodass eine n-Typ-AlGaN-Schicht 4 als eine erste Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration auf eine Dicke von 0,1 μm aufgewachsen ist.
Bei der Fertigstellung der ersten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration wird die Zufuhr der Vorläufergase mit Ausnahme von NH₃ abgestellt und der Wafer wird auf eine Temperatur im Bereich von 600–850°C abgekühlt. Wenn der Wafer z. B. auf 770°C abgekühlt ist, wird das Trägergas von Wasserstoff auf Stickstoff umgestellt. Wenn die Stickstoffgasströmung stabilisiert worden ist, werden TMG und Methylsilan in den Reaktor eingeleitet, sodass eine mit Si dotierte n-Typ-InGaN-Schicht 5 als eine zweite Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration auf eine Dicke von 400 Å aufwächst. Die n-Typ-InGaN-Schicht 5 der zweiten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration dient als eine Piterzeugungsschicht. Während dieses Prozesses werden die Abschnitte, wo das Aufwachsen verhindert ist, in-situ angeregt. Darüber hinaus ist das Material der Piterzeugungsschicht 5 nicht auf InGaN beschränkt, sondern kann ein Material wie z. B. GaN, AlGaN oder dergleichen sein, das eine Bandlücke aufweist, die gleich oder größer als die der aktiven Schicht ist. Es kann auch ein nicht dotiertes Material für die n-Typ-InGaN-Schicht 5 verwendet werden. Die Erzeugung der Pits wird durch Senken der Aufwachstemperatur der n-Typ-InGaN-Schicht 5 begünstigt, wobei die Aufwachstemperatur von über 850°C nicht ausreichend ist, um die Piterzeugung zu begünstigen. Pits in der n-Typ-InGaN-Schicht werden ohne Störanfälligkeit bei 600°C oder weniger erzeugt; solch eine Aufwachstemperatur ist jedoch auf Grund der Verschlechterung der Schichtqualität nicht zu bevorzugen. Des Weiteren ist es für die Schaffung der Aufwachsverhinderung des Abschnittes um die durchgehenden Versetzungen herum erforderlich, dass die Piterzeugungsschicht 5 eine Dicke von 100 Å oder mehr und vorzugsweise ca. 200 Å, aufweist. Ausnehmungen müssen sich von den Pits weg entwickeln, da das Kristallwachstum an den durchgehenden Versetzungen in dem folgenden Schritt ebenfalls unterdrückt wird.
Danach wird bei der Fertigstellung der Piterzeugungsschicht 5 die Zufuhr des TMG und Me-SiH₃ gestoppt und es wird mit der Kühlung des Substrats begonnen. Wenn die Substrattemperatur 750°C erreicht hat, werden TMG, Trimethylindium (TMI) und Me-SiH₃ in den Reaktor eingeleitet, sodass die aktive Schicht 6, die ein hohes In-Zusammensetzungsverhältnis aufweist, aufwächst.
Bei dem Schritt des Bildens des Barrierenabschnittes 51 ist eine Aufwachstemperatur von 1000°C oder mehr erforderlich, um die Oberflächenplanarisierung von AlGaN zu verbessern. Solch eine Aufwachstemperatur führt während des Ansteigens bis zu der Aufwachstemperatur zu einer Nachverdampfung des Bestandteils aus der aktiven InGaN-Schicht 6, was die Verschlechterung der aktiven Schicht 6 zur Folge hat. Um dies zu vermeiden, beginnt zu der Zeit, zu der die Bildung der aktiven InGaN-Schicht 6 abgeschlossen ist, eine zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 aufzuwachsen. Die Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 ist ein Film, der einen Teil der ersten AlGaN-Barrierenschicht 7 bildet. Die zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 wird unter Ausnützung der Tatsache, dass AlN im Vergleich zu GaN in der Aufwachsumgebung eine viel höhere thermische Beständigkeit besitzt, angeordnet. Die oben beschriebene Nachverdampfung kann durch Abscheiden einer sehr kleinen Schicht von einem zweiten Niedertemperatur-AlGaN mit einem AlN-Zusammensetzungsver-hältnis von ca. 0,2 wirksam verhindert werden. Die Niedertemperatur-AlGaN-Barrieren-schicht 71 besitzt vorzugsweise eine Dicke, die mehreren Molekülen entspricht, d. h. ca. 20 Å. Eine übermäßige Dicke dieser Schicht verschlechtert eine Lochinjektion in die aktive Schicht aus der p-Typ-Schicht. Somit beträgt die Dicke vorzugsweise weniger als 100 Å. Auf diese Weise wächst die zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 unmittelbar nach Bilden der aktiven Schicht 6 auf, ohne dass die Temperatur des Substrats geändert wird. Die Pits werden auf Grund der niedrigen Aufwachstemperatur der zweiten AlGaN-Barrierenschicht 71 kaum aufgefüllt.
Dann wird das Substrat neuerlich auf 1050°C erhitzt, wobei NH₃ und Wasserstoff als Trägergas strömen. TMG, TMA und Ethylcyclopentadienyl-Magnesium (Et-Cp₂ Mg) werden als ein Vorläufer für eine p-Typ-Dotiersubstanz in den Reaktor eingeleitet, sodass eine p-Typ-AlGaN-Schicht 7 mit einer Dicke von 0,02 μm auf der bei einer niedrigen Temperatur aufgewachsenen AlGaN-Barrierenschicht 71 aufwächst.
Die Pits (Ausnehmungen) werden während des Aufwachsens der ersten p-Typ-AlGaN-Barrierenschicht 7 mit dem p-Typ-AlGaN gefüllt, da sowohl die hohe Temperatur von 1050°C als auch die Natur des AlGaN (-Materials) die Oberflächenabflachung der ersten Barrierenschicht 7 begünstigen. Sobald die glatte Oberfläche der Barrierenschicht hergestellt ist, kann die einzelne Schicht, die über der ersten Barrierenschicht 7 gebildet werden soll, mit einer flachen Oberfläche gebildet werden. Somit wird der Barrierenabschnitt 51 derart gebildet, dass er eine Kegelform oder Kegelstumpfform aufweist. Das Pit kann in Abhängigkeit von der Konfiguration der Pits eine vereinheitlichte Form aufweisen, die von einem zum anderen zusammenhängend ist.
Bei der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der Ausführungsform weist die zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 ein niedrigeres Zusammensetzungsverhältnis von AlN auf als das der ersten AlGaN-Barrierenschicht 7. Wenn die zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 ein höheres Zusammensetzungsverhältnis von AlN als das der ersten AlGaN-Barrierenschicht 7 aufweist, besteht die Tendenz, dass aus der p-Typ-GaN-Schicht 8 injizierte Löcher in die Barrierenabschnitte 51 der ersten AlGaN-Barrierenschicht 7, die ein niedrigeres Zusammensetzungsverhältnis von AlN (oder eine kleinere Bandlücke) aufweist, injiziert werden
Indem das AlN-Zusammensetzungsverhältnis der zweiten AlGaN-Niedertemperatur-Barrierenschicht 71 so festgelegt wird, dass es kleiner als das der ersten AlGaN-Barrierenschicht 7 ist, werden die aus der p-Typ-Schicht injizierten Löcher durch den Barriereabschnitt 51 auf eine ähnliche Weise wie die aus der n-Typ-Schicht injizierten Elektronen blockiert, wodurch sie die durchgehenden Versetzungen 15 nicht erreichen.
Zusammenfassend wird nach dem Aufwachsen der aktiven Schicht eine zweite Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 bei der im Wesentli chen gleichen Temperatur wie der der Aufwachstemperatur der aktiven Schicht gebildet. Nach Erhöhen der Temperatur wird dann eine erste AlGaN-Barrierenschicht 7 gebildet. Die erste AlGaN-Barrierenschicht 7 ist derart festgelegt, dass sie ein höheres Zusammensetzungsverhältnis von AlN als das der Niedertemperatur-AlGaN-Barrierenschicht 71 aufweist.
Anschließend wird die Zufuhr von TMA gestoppt und eine p-Typ-GaN-Schicht 8 wächst auf der Barrierenschicht 7 bis zu einer Dicke von 0,1 μm auf. Danach wird die Zufuhr von TMG und Et-Cp₂ Mg gestoppt und mit dem Kühlen begonnen. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das Substrat auf 400°C abgekühlt ist, wird auch die Zufuhr von NH₃ abgestellt. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das Substrat auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird das Substrat aus dem Reaktor entladen. Der Wafer wird bei einer Temperatur von 800°C für 20 Minuten unter Stickstoffgas bei Atmosphärendruck in einem Brennofen einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine p-Typ-Bedingung zu erhalten.
Jeder der resultierenden Wafer wird derart bearbeitet, dass er Terrassen für die p-Typ-Elektroden und Strompfade für die n-Typ Elektroden aufweist. Solch eine Struktur wird auf dem Substrat unter Verwendung von Standardphotolithographie und reaktivem Ionenätzen (RIE) zum Entfernen von nicht erforderlichen Abschnitten von dem Wafer und zum teilweisen Freilegen der n-Typ-GaN-Basisschicht 3 gebildet.
Nach dem Entfernen einer Ätzmaske wird eine SiO₂-Schutzschicht mit Hilfe eines Sputteringverfahrens oder dergleichen abgeschieden. Die p-seitigen Fenster für p-Typ-Elektroden werden in der SiO₂-Schutzschicht auf der p-Typ-Schicht gebildet. Die n-seitigen Fenster für n-Typ-Elektroden werden in dem SiO₂-Schutzfilm auf dem freigelegten Abschnitt der n-Typ-Schicht gebildet.
Eine n-Typ-Elektrode 14 wird durch Abscheiden von Ti (Titan) bis zu einer Dicke von 50 nm und anschließend von Al (Aluminium) bis zu 200 nm auf dem Bereich gebildet, in dem die n-Typ-GaN-Schicht 3 freigelegt ist. Die p-Typ-Elektrode 13 wird durch Aufdampfen von Ni (Nickel) und Au (Gold) mit einer Dicke von 50 mm bzw. 200 nm in dem Bereich gebildet, in dem die p-Typ-GaN-Schicht freigelegt ist.
Jeder auf diese Weise bearbeitete Wafer wird zerteilt, um eine in 1 gezeigte Vorrichtung zu bilden. Danach werden die Strom/Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Vorrichtungen gemessen.
3 ist ein Graph, der Kurven zeigt, bei denen Verluststrom-Kennlinien der Sperrspannung gegen den Strom von LED-Vorrichtungen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurden, aufgetragen sind.
4 ist ein Graph, der Kurven zeigt, bei denen Verluststrom-Kennlinien der Sperrspannung gegen den Strom von LED-Vorrichtungen, die für einen Vergleich mit der Erfindung hergestellt wurden, aufgetragen sind. Die Vergleichsvorrichtung weist dieselbe Struktur wie die in 3 gezeigte Ausführungsform auf, mit Ausnahme, dass die erste Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration 4 nicht in dem Wafer-Filmbildungs-Schritt gebildet wird, die n-Typ-GaN-Basisschicht 3 um 0,1 μm dicker als die der Ausführungsform ist und die Si-Konzentration in der Piterzeugungsschicht 5 (der zweiten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration) gleich wie die der n-Typ-GaN-Basisschicht 3 ist.
Wie aus den 3 und 4 ersichtlich, zeigen die Leuchtdiodenvorrichtungen der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung eine beträchtliche Reduzierung des Verluststromes. Bei der vorliegenden Erfin dung ist die Si-Konzentration in der Piterzeugungsschicht auf 1E17/cc festgelegt, die viel geringer als die der Vergleichsvorrichtung ist. Infolgedessen nimmt die Dicke der zu dem Scheitel der Ausnehmung mit umgedrehter Kegelform benachbart gebildeten Sperrschicht, d. h. des Barrierenabschnittes 51, deutlich zu und im Speziellen nimmt die Dicke der n-Typ-Schicht-Seite zu. Darüber hinaus ist, da in der vorliegenden Erfindung die erste Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration 4 unterhalb der Piterzeugungsschicht angeordnet ist, die Sperrschicht innerhalb der ersten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration 4 gebildet, selbst in dem Fall, in dem die Pits an dem untersten Ende der Piterzeugungsschicht erzeugt werden. Demnach ist das elektrische Feld in der Sperrschicht bei Sperrspannung wirksam reduziert, sodass der Verluststrom reduziert ist. Die Fremdstoffkonzentration in zumindest einer von der ersten oder zweiten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration ist vorzugsweise auf 1 × 10¹⁷/cm³ oder weniger festgelegt, um ein wirksames Ergebnis der Erfindung zu erhalten. Wenn eine Fremdstoffkonzentration übermäßig niedrig festgelegt ist, besteht die Tendenz, dass die Betriebsspannung unter Durchlassspannung ansteigt. Es ist somit nicht wünschenswert, die Fremdstoffkonzentration in der ersten und zweiten Schicht mit: einer geringen Fremdstoffkonzentration derart festzulegen, dass sie weniger als 1E16/cc beträgt. Die Dicke der ersten Schicht mit einer geringen Fremdstoffkonzentration 4 ist vorzugsweise auf 0,05 μm oder mehr festgelegt, um ein wirksames Ergebnis der Erfindung zu erhalten, eine Festlegung auf mehr als 0,2 μm wirkt sich bei der Betriebsspannung unter Durchlassspannung jedoch nachteilig aus.
Die oben genannte Ausführungsform macht sich zunutze, dass die Reduktion des Verluststromes durch Erhöhen der Dicke der Sperrschicht in der n-Typ-Schicht erhalten wird. Gemäß der Erfindung kann der Verluststrom auch durch Herabsetzen der Mg-Konzentration in der p-Typ-Fläche des Scheitels der Ausnehmung mit einer umgedrehten Kegelform (Barrierenabschnitt 51), d. h. der p-Typ-AlGaN-Barrierenschicht, reduziert werden. Dieser Ansatz führt jedoch nicht zu einem zu bevorzugenden Ergebnis ähnlich wie bei der oben genannten Ausführungsform, sondern dies geht auf Kosten der Lumineszenzeigenschaften der Vorrichtung unter einer Injektion eines Stromes in Durchlassrichtung (d. h. im Normalbetrieb). Die Hauptfunktion der p-Typ-AlGaN-Barrierenschicht besteht darin, den Überlauf von aus der n-Typ-Schicht injizierten Elektronen zu verhindern. Eine verringerte Mg-Konzentration zieht das Ferminiveau der ersten p-Typ-AlGaN-Barrierenschicht in Richtung der Mitte der Bandlücke und reduziert demzufolge die effektive Barrierenhöhe gegen injizierte Elektronen in der aktiven Schicht. Darüber hinaus besitzt die erste p-Typ-AlGaN-Barrierenschicht eine weitere Hauptfunktion, nämlich die Ausnehmung mit einer umgedrehter Kegelform damit aufzufüllen, allerdings verhindert die Reduktion der Mg-Konzentration in der p-Typ-Schicht solch eine Funktion.
Des Weiteren kann die Erfindung für eine nicht leuchtende Vorrichtungen wie z. B. eine Gleichrichterdiodenvorrichtung oder dergleichen geeignet sein. In diesem Fall wird die erhebliche Wirkung ähnlich wie bei der oben erwähnten Ausführungsform erhalten.
Bei der oben erwähnten Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bilden der Pits in-situ um durchgehende Versetzungen in der aktiven Schicht herum geeignet. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Ätzen nach dem Bilden. der aktiven Schicht verwendet werden, um die aktive Schicht entlang der durchgehenden Versetzungen zu durchdringen. Und zwar kann der Wafer nach dem Bilden der aktiven Schicht aus dem Reaktor entladen und dann geätzt werden, um Pits in der aktiven Schicht zu bil den. Das Ätzen wird beendet, wenn eine Erosion entlang der durchgehenden Versetzung die Halbleiter-Basisschicht erreicht.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung, obwohl die oben erwähnte Ausführungsform die LED (Leuchtdiode) umfasst, die eine pn-Übergangs-Struktur aufweist, für eine Halbleiterlaservorrichtung geeignet sein, die eine Mehrfach-Schichtstruktur wie z. B. eine Einzel-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweist.
Gemäß der Erfindung weist der Barrierenabschnitt eine Bandlücke auf, die größer als die der aktiven Schicht ist, und umgibt die durchgehende Versetzung, um zu verhindern, dass Ladungsträger zu der durchgehenden Versetzung hin diffundieren, sodass die Leuchteigenschaften der Vorrichtung verbessert sind und der Sperrverluststrom reduziert ist.
Es sollte einzusehen sein, dass die vorhergehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zum gegenwärtigen Zeitpunkt darlegen. Es sollte somit einzusehen sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern innerhalb des vollen Umfanges der beiliegenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Nitrid-Halbleitervorrichtung, die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III umfasst, mit: einer aktiven Schicht (6); einer Barrierenschicht (7), die aus einem Material hergestellt ist, das eine größere Bandlücke als die der aktiven Schicht (6) aufweisen muss und benachbart zu der aktiven Schicht (6) vorgesehen ist; einer durchgehenden Versetzung (15), die die aktive Schicht (6) durchdringt; einem Barrierenabschnitt (51), der einen Scheitel (P) aufweist und aus dem Material der Barrierenschicht (7) gebildet ist, so dass er die durchgehende Versetzung (15) in der aktiven Schicht (6) umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrid-Halbleitervorrichtung eine Halbleiterschicht (5) aufweist, in der der Scheitel (P) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (5) eine Fremdstoffkonzentration aufweist, die in einem Bereich von 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁷/cm³ liegt.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (6) eine Einzel-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweist.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Material der Barrierenschicht (7) eine Ausnehmung auffüllt, die eine Grenzfläche an der aktiven Schicht begrenzt, um Oberflächen der Ausnehmung zu glätten, und als der Barrierenabschnitt (51) dient.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Barrierenabschnitt (51) eine Kegelform, eine Kegelstumpfform oder eine Kombination aus diesen aufweist.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) sind.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine zweite Barrierenschicht (71) umfasst, die eine Nachverdampfung eines Bestandteils der aktiven Schicht (6) verhindert und zwischen der Barrierenschicht (7) und der aktiven Schicht (6) vorgesehen ist.
Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zweite Barrierenschicht (71) ein Zusammensetzungsverhältnis von AlN aufweist, das kleiner ist als ein Zusammensetzungsverhältnis der Barrierenschicht (7).
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung, die Nitrid-Halbleiter der Gruppe III umfasst und eine aktive Schicht (6), eine durchgehende Versetzung (15), die die aktive Schicht (6) durchdringt, und eine Barrierenschicht (7) aufweist, die aus einem Material hergestellt ist, das eine größere Bandlücke als die der aktiven Schicht (6) besitzt und benachbart zu der aktiven Schicht (6) angeordnet ist, mit den Schritten, dass: eine Halbleiterschicht (5) gebildet wird; die aktive Schicht (6) über der Halbleiterschicht gebildet wird, so dass sie eine Ausnehmung aufweist, die auf eine durchgehende Versetzung (15) in der aktiven Schicht zurückzuführen ist; und das Material der Barrierenschicht (7) auf der aktiven Schicht (6) abgeschieden wird, um in der Ausnehmung einen Barrierenabschnitt (51) zu bilden, der die durchgehende Versetzung (15) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (5) derart gebildet wird, dass sie eine Fremdstoffkonzentration aufweist, die in einem Bereich von 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁷/cm³ liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bildens der Halbleiterschicht (5) bei einer Temperatur in einem Bereich von 600–850°C vor dem Aufwachsen der aktiven Schicht (6) durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bildens der aktiven Schicht (6) einen Schritt umfasst, dass die aktive Schicht (6) geätzt wird, nachdem die aktive Schicht (6) abgeschieden worden ist.
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Ätzen in dem Ätzschritt beendet wird, wenn die Erosion entlang der durchgehenden Versetzung (15) die darunter liegende Halbleiterschicht (5) erreicht.
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, dass eine zweite Barrierenschicht (71), die eine Nachverdampfung eines Bestandteils der aktiven Schicht (6) verhindert, gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Nitrid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Barrierenschicht (71) ein niedrigeres AlN-Zusammensetzungsverhältnis als das der Barrierenschicht (7) aufweist.