DE60225322T2

DE60225322T2 - Halbleiterelement

Info

Publication number: DE60225322T2
Application number: DE60225322T
Authority: DE
Inventors: Tomoya Anan-shi Yanamoto
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: EP1453160A1; JP4328366B2; CN1236535C; MY139533A; US7667226B2; TWI275220B; DE60225322D1; EP1453160A4; WO2003041234A1; JP2007243219A; ATE387736T1; KR100597532B1; EP1453160B1; KR20040018324A; TW200303105A; CN1484880A; US20050127391A1; JP2003273473A; US7358522B2; US20080203418A1

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, insbesondere ein lichtemittierendes Bauelement, das eine aus Nitridhalbleiter hergestellte Quantentopfschicht als aktive Schicht hat.
Solche lichtemittierenden Bauelemente wie LED und LD, die Licht mit kürzeren Wellenlängen emittieren, z. B. höchstens etwa 375 nm, sind erforderlich, um eine weiße LED als Ersatz für eine Quecksilberlampe bereitzustellen oder um der Forderung nachzukommen, die Präzision fotolithographischer Verfahren zu verbessern.
Als lichtemittierendes Bauelement auf GaN-Basis besteht andererseits großer Bedarf an vielen lichtemittierenden Bauelementen, die eine aktive Schicht aus InGaN aufweisen, was auf den hohen Lichtemissionswirkungsgrad zurückzuführen ist. Damit die lichtemittierenden Bauelemente, die InGaN als aktive Schicht verwenden, Licht mit so kurzen Wellenlängen wie zuvor beschrieben emittieren, muß die Konzentration von In darin verringert sein. Bei niedrigerer In-Konzentration sinkt aber der Lichtemissionswirkungsgrad von InGaN mit steigendem Schwellenstrom, was zu einem solchen Problem führt, daß der Schwellwert bei Wellenlängen der Laserschwingung von höchstens 380 nm besonders hoch wird.
Die Erfindung zielt auf die Ermittlung der Ursache für das Problem ab, daß der Schwellwert bei Laserschwingungswellenlängen von höchstens 380 nm besonders hoch wird, und zeigt Wege zur Lösung des Problems auf.
Auch wenn ein Al aufweisender Nitridhalbleiter wie AlGaN im Bauelement verwendet wird, werden Differenzen des Wärme ausdehnungskoeffizienten und der Elastizität größer als bei einem Nitridhalbleiter, der kein Al aufweist. Dadurch treten bei Gebrauch eines Al aufweisenden Nitridhalbleiters leichter Risse auf, und im Gegensatz zu anderer Kristallinität führt die Rißbildung zur Zerstörung des Bauelements. Daher kann das Bauelement nicht als Nitridhalbleiterbauelement arbeiten, wenn Rißbildung nicht verhindert ist. Da im lichtemittierenden Bauelement und Laserbauelement, die eine aktive Schicht verwenden, die Licht mit höchstens 380 nm Wellenlänge emittiert, die Bandlückenenergie im Al aufweisenden Nitridhalbleiter erhöht werden kann, läßt er sich in einer Trägereingrenzungsschicht, einer optischen Leiterschicht, einer Lichteingrenzungsschicht usw. verwenden, die eine höhere Bandlückenenergie als die aktive Schicht haben. Das heißt, im lichtemittierenden Bauelement, das Licht mit so kurzen Wellenlängen wie zuvor beschrieben emittiert, hat der Al aufweisende Nitridhalbleiter eine solche Struktur, daß jede Schicht einen Mehrschichtaufbau hat, während die o. g. Rißbildung stark wird, so daß Lichtemission mit kürzeren Wellenlängen und Rißverhinderung einander widersprechen, was die Versuche ernsthaft behindert, Lichtemission mit kürzeren Wellenlängen in einem lichtemittierenden Bauelement zu erreichen, das aus einem Nitridhalbleiter hergestellt ist. Da zudem im Bemühen um Lichtemission mit kürzeren Wellenlängen GaN ein Lichtabsorptionsende bei 365 nm und einen hohen Absorptionskoeffizienten in einem etwa 10 nm längeren Wellenlängenbereich hat, wird seine Verwendung in einem Lichtemissionsbauelement und Laserbauelement schwierig, die mit Wellenlängen von höchstens 380 nm arbeiten.
Da ferner der Lichtemissionswirkungsgrad und innere Quantenwirkungsgrad der aktiven Schicht des lichtemittierenden Bauelements und Laserbauelements stark von dessen Kristallinität abhängen, ist die Kristallinität von unter der aktiven Schicht liegenden Schichten von einem Leitfähigkeits typ ein extrem wichtiger Faktor bei der Verbesserung der Bauelementkennwerte. Hat ein lichtemittierendes Nitridhalbleiterbauelement normalerweise eine solche Struktur, daß eine n-Schicht, eine aktive Schicht und eine p-Schicht in dieser Reihenfolge gestapelt sind, muß die Kristallinität der n-Schicht zufriedenstellend sein. Andererseits hat der Al aufweisende Nitridhalbleiter eine stärkere Tendenz zu beeinträchtigter Kristallinität als ein Nitridhalbleiter, der kein Al aufweist. Um im Stand der Technik dieses Problem zu umgehen, kamen solche Techniken zum Einsatz, daß ein In aufweisender Nitridhalbleiter als Unterschicht für den Al aufweisenden Nitridhalbleiter verwendet wird, um so das Auftreten von Innenspannung infolge der Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu mildern, oder daß ein Nitridhalbleiter ohne Al, z. B. GaN, benachbart zu dem Al aufweisenden Nitridhalbleiter gebildet wird, um die Kristallinität wieder herzustellen und die Innenspannung zu mildern, wodurch eine Struktur eines Laserbauelements o. ä. mit dem Al aufweisenden Nitridhalbleiter in der Praxis zufriedenstellend arbeitet. Gleichwohl wirkt im lichtemittierenden Bauelement und Laserbauelement, die mit o. g. kurzen Wellenlängen arbeiten, der Al aufweisende Nitridhalbleiter als lichtabsorbierende Schicht, die für das Bauelement nicht erwünscht ist. Daher ist es bei den meisten Bauelementen, die den Al aufweisenden Nitridhalbleiter verwenden, unmöglich, ein lichtemittierendes Bauelement und ein Laserbauelement zu erreichen, die praktisch nützliche Werte für den Schwellwert, die Vf (Durchlaßspannung) und den Lichtemissionswirkungsgrad haben, was Folge der o. g. Kristallinität und Rißbildung ist. Insbesondere bei einem Laserbauelement, das starken Gebrauch vom Al aufweisenden Nitridhalbleiter macht, der ein hohes Al-Mischkristallverhältnis in einer optischen Leiterschicht, einer optischen Eingrenzungsmantelschicht o. ä. hat, war es unmöglich, kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur zu erreichen.
Die EP-A-0772249 offenbart ein Nitridhalbleiterbauelement mit einer Nitridhalbleiter-Schichtstruktur, die aufweist: eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur, die einen indiumhaltigen Nitridhalbleiter enthält, eine erste Nitridhalbleiterschicht mit einer größeren Bandlückenenergie als die aktive Schicht, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht in Kontakt mit der aktiven Schicht vorgesehen ist, eine zweite Nitridhalbleiterschicht mit einer kleineren Bandlückenenergie als die erste Schicht, wobei die zweite Nitridhalbleiterschicht über der ersten Schicht vorgesehen ist, und eine dritte Nitridhalbleiterschicht mit einer größeren Bandlückenenergie als die zweite Schicht, wobei die dritte Nitridhalbleiterschicht über der zweiten Schicht vorgesehen ist.
Die Erfindung kam unter Berücksichtigung der o. g. Probleme auf der Grundlage der Erkenntnis zustande, daß die Probleme durch eine Bauelementstruktur gelöst werden können, die eine asymmetrische Bandstruktur und Zusammensetzung hat, wobei die o. g. Probleme der Kristallinität und Rißbildung umgangen werden, um eine Bauelementstruktur zu erhalten, die in einem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden lichtemittierenden Bauelement und einem Laserbauelement mit einem Wellenleiter in einem Bauelement verwendet werden kann, das den Al aufweisenden Nitridhalbleiter nutzt, z. B. einem lichtemittierenden Bauelement, das mit kurzen Wellenlängen arbeitet. Besonders in einem System, in dem sich Trägerkennwerte für Löcher und Elektronen stark unterscheiden, z. B. einem Nitridhalbleiter, wird die Bauelementstruktur mit asymmetrischer Bandstruktur und Zusammensetzung verwendet, die einen ausgezeichneten Lichtemissionswirkungsgrad hat, indem ein ausgezeichneter Wirkungsgrad der Trägerinjektion in die aktive Schicht erreicht wird und die Träger in der aktiven Schicht zufriedenstellend eingegrenzt werden, und eine Wellenleiterstruktur mit ausgezeichneter Kristallinität und hervorragenden Bauele mentkennwerten im lichtemittierenden Nitridhalbleiterbauelement bereitgestellt, das mit kurzen Wellenlängen arbeitet.
Die Aufgabe kann durch die in den Ansprüchen festgelegten Merkmale gelöst werden.
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer solchen Struktur, daß eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur, die eine Topfschicht und eine Sperrschicht hat, zwischen einer Schicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einer Schicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp eingefügt ist. In einer Anwendung zur Herstellung eines Laserbauelements oder eines lichtemittierenden Stirnflächenbauelements ist ein solcher Wellenleiter vorgesehen, daß eine aktive Schicht 27 zwischen einer unteren optischen Leiterschicht 26 und oberen optischen Leiterschicht 29 gemäß 2A gebildet ist. In diesem Fall sind optische Eingrenzungsmantelschichten 25, 30 an Positionen gebildet, die von der aktiven Schicht weiter als die optischen Leiterschichten entfernt sind, um eine Struktur zu bilden, bei der die obere optische Leiterschicht 29 zwischen der oberen Mantelschicht 30 und aktiven Schicht 27 gebildet ist und die untere optische Leiterschicht zwischen der unteren Mantelschicht 25 und aktiven Schicht 27 gebildet ist. Bei Anwendung der Erfindung auf ein lichtemittierendes Bauelement gemäß 6A und 6B kann andererseits ein solcher Aufbau zum Einsatz kommen, daß dem eine Schicht 202, die zu einer Trägerinjektions- und -eingrenzungsschicht wird, als Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, während eine Trägerinjektionsschicht 205 und eine Trägereingrenzungsschicht 204 als Schichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind. In diesem Fall kann die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp aus zwei oder mehr unterschiedlichen Schichten gebildet sein, zu denen die Trägerinjektionsschicht und Trägereingrenzungsschicht wie in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp gehören, und es kann auch ein solcher Aufbau verwendet werden, daß die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp sowohl zur Trägerinjektion als auch zur Trägereingrenzung dient.
In der Erfindung weist die aktive Schicht 27 eine erste Sperrschicht und eine zweite Sperrschicht als Sperrschicht 2 so auf, daß mindestens eine Topfschicht 1 gemäß 3A, 3B, 5A und 5B eingefügt ist, während die erste Sperrschicht auf der Seite der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist und die zweite Sperrschicht auf der Seite der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist und die zweite Sperrschicht eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht hat. Insbesondere ist gemäß 3A, 3B, 5A und 5B mindestens eine Topfschicht 1 zwischen der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht vorgesehen, die auf der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp bzw. Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch die Topfschicht in der aktiven Schicht getrennt angeordnet sind, wobei die Bandlückenenergie der zweiten Sperrschicht 2b niedriger als die Bandlückenenergie der ersten Sperrschicht 2a ist (gestrichelte Linie 53 in der Zeichnung), um so einen Weg 51 der Erfindung zu bilden, der beim Beschleunigen der Trägerinjektion aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp effektiver als der in der Zeichnung gezeigte herkömmliche Trägerweg 52 ist, was die Potentialschwelle senkt und den Wirkungsgrad der Trägerinjektion in die aktive Schicht und die Topfschicht oder -schichten erhöht. Besonders in einem Nitridhalbleiter mit einer solchen Struktur, daß die n-Seite die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und die p-Seite die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, ist Galliumnitrid-Halbleitermaterial bevorzugt, bei dem die Diffusionslänge von Löchern kürzer als die von Elektronen und die Aktivierungsrate für p-Träger niedrig ist, da dies ermöglicht, Löcher in die Topfschicht effizienter zu injizieren, den Lichtemissionswirkungsgrad zu erhöhen und die Schwellenstromdichte zu verringern. In einem lichtemittierenden Bauelement und einem Laserbauelement, das einen in einem kurzen Wellenlängenbereich arbeitenden Nitridhalbleiter verwendet, verhindert die zweite Sperrschicht 2b, die in der aktiven Schicht als Schicht mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis als das Al-Mischkristallverhältnis (gestrichelte Linie 50 in 2B) der herkömmlichen Struktur vorgesehen ist, das etwa das gleiche wie in der ersten Sperrschicht 2a ist, daß sich die Kristallinität verschlechtert, während die Bereitstellung der zweiten Sperrschicht mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis als das der ersten Sperrschicht bewirkt, daß unterschiedliche Spannungen auf die untere Grenzfläche und auf die obere Grenzfläche in der Topfschicht ausgeübt werden, die zwischen beiden Sperrschichten eingefügt ist, so daß ein piezoelektrisches Feld infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters verringert wird, die Bandlückendehnung gemildert werden kann und sich der Lichtemissionswirkungsgrad in der Topfschicht verbessern läßt.
Da die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht ist, die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht ist und die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in dieser Reihenfolge gestapelt sind, läßt sich ein durch die Ausführungsform angegebenes gutes lichtemittierendes Bauelement erhalten, während ein Nitridhalbleiterbauelement, bei dem die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Nitridhalbleiterschicht hat und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Nitridhalbleiterschicht hat, vorzugsweise die Trägerinjektion aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die eine p-Schicht ist, in die aktive Schicht ermöglicht, indem wie zuvor beschrieben die Kennwerte jedes Trägers genutzt werden. In einem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Lichtemissionsbauelement, das starken Gebrauch von einem Al aufweisenden Nitridhalbleiter macht, kann andererseits das Al-Mischkristallverhältnis in der über der aktiven Schicht liegenden zweiten Sperrschicht niedriger als das der darunter liegenden ersten Sperrschicht werden, wodurch eine bessere Kristallinität der auf der aktiven Schicht gebildeten p-Schicht erreicht wird.
Da mit der Anordnung der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht in der aktiven Schicht die erste Sperrschicht am nächsten zur Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp als Sperrschicht in der aktiven Schicht angeordnet ist und die zweite Sperrschicht die Sperrschicht ist, die am nächsten zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, läßt sich eine solche Struktur herstellen, daß der Injektionswirkungsgrad aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch die zweite Sperrschicht verbessert und die Wirkung der ersten Sperrschicht zum Eingrenzen der Träger verbessert ist, was die Funktionen der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht verbessert.
Da ebenfalls gemäß 5A und 5B die zweite Sperrschicht 2b die Schicht ist, die an der äußersten Position in der aktiven Schicht 12 liegt, ist dies eine bevorzugte Struktur, weil eine zufriedenstellende Beschleunigungswirkung der Trägerinjektion verglichen mit einem Fall erreicht wird, in dem die Topfschicht oder eine andere Schicht außerhalb der zweiten Sperrschicht 2b gemäß 4B liegt. Stärker bevorzugt erzeugt die Bereitstellung der ersten Sperrschicht als äußerste Schicht in der aktiven Schicht eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur, die ihre höchste Wirkung erreicht. Das heißt, Trägerinjektion und -eingrenzung können in der Topfschicht wirksam erreicht werden, die zwischen der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht vorgesehen ist, die jeweils als äußerste Schicht in der aktiven Schicht vorgesehen sind.
In der Erfindung ist bevorzugt, daß die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine erste Halbleiterschicht hat, die eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht hat. Während es normalerweise erforderlich war, eine höhere Bandlückenenergie als die Topfschicht in Schichten von jeweiligen Leitfähigkeitstypen zu haben, die als Trägerinjektionsschichten dienen, die eine aktive AlGaN-Schicht eines mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Lichtemissionsbauelements einfügen, wird gemäß 3A, 3B, 5A und 5B aufgrund der Tatsache, daß eine solche erste Halbleiterschicht 26 in der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, die eine niedrigere Bandlückenenergie als die in der aktiven Schicht 12 vorgesehene erste Sperrschicht 2a hat, eine neue Bauelementstruktur bereitgestellt, in der die aktive Schicht mit guter Kristallinität gebildet ist und die erste Sperrschicht 2a die Funktion hat, die Träger aus der Schicht 11 vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der Topfschicht einzugrenzen. In dieser Struktur ist die Fähigkeit wirksamer, das Al-Mischkristallverhältnis der Schichten zu verringern, die die aktive Schicht in dem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Lichtemissionsbauelement einfügen. In diesem Fall kann die Topfschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt sein, der eine Bandlückenenergie hat, die gleich oder höher als die von GaN ist, während die erste Halbleiterschicht 26 mit einem Al-Mischkristallverhältnis gebildet ist, das niedriger als das Al-Mischkristallverhältnis der ersten Sperrschicht 2a gemäß 2B ist, insbesondere mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung. Der Nitridhalbleiter mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung kann auch für die erste Sperrschicht verwendet werden. Für die erste Halbleiterschicht kommt vorzugsweise ein Nitridhalbleiter mit einer höheren Bandlückenenergie als die der Topfschicht zum Einsatz, so daß die Schicht als zufriedenstellende Trägerinjektionsschicht von der aktiven Schicht in die Topfschicht fungiert. Insbesondere wird ein Al aufweisender Nitridhalbleiter verwendet, und vorzugsweise kommt Al_xGa_1-xN (0 ≤ x < 1) zum Einsatz, das ermöglicht, eine aktive Schicht mit guter Kristallinität zu bilden.
Zusätzlich zum o. g. Aufbau ist erfindungsgemäß eine Trägereingrenzungsschicht mit einer höheren Bandlückenenergie als die der ersten Sperrschicht in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen. Damit ergibt sich ein Bauelement mit einer solchen Struktur, daß die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorzugsweise in der aktiven Schicht eingegrenzt sind. Grund dafür ist, daß gemäß der vorstehenden Beschreibung die auf der Seite der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der aktiven Schicht liegende zweite Sperrschicht 2b eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a hat und in der Sperrfunktion weniger wirksam ist, die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp einzugrenzen, die die Topfschicht überwinden. Um somit den Trägerüberlauf in der zweiten Sperrschicht 2b zu verhindern, ist die Trägereingrenzungsschicht 28 in der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp außerhalb der aktiven Schicht 12 gemäß 3A, 3B, 5A und 5B vorgesehen, die das zuvor beschriebene Problem löst. Hierbei ist stärker bevorzugt die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht. Da bei diesem Aufbau die erste Sperrschicht so funktioniert, daß sie Löcher in der aktiven Schicht in einem solchen System mit unterschiedlichen Trägerkennwerten wie einem Nitridhalbleiter eingrenzt, wird Trägereingrenzung an einer Position nahe der Topfschicht erreicht, und in der ersten Halbleiterschicht können die Träger mit großen Diffusionslängen aus der ersten Sperrschicht zwischen der zweiten Sperrschicht und Trägereingrenzungsschicht durch die zweite Sperrschicht und Trägereingrenzungsschicht eingegrenzt werden, die außerhalb der aktiven Schicht liegt, indem die erste Halbleiterschicht zur Elektronen-(Träger vom ersten Leitfähigkeitstyp)Injektion der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp fungiert. Wird umgekehrt die zweite Sperrschicht als Sperre zum ausreichenden Eingrenzen der Träger aus der Schicht vom ers ten Leitfähigkeitstyp verwendet, sinkt die Trägerinjektionswirkung der zweiten Sperrschicht, die eine niedrige Bandlückenenergie der Erfindung hat, was zu geringerer Funktion der aktiven Schicht in einem solchen System führt, in dem sich die Diffusionslänge und Trägerkonzentration zwischen Löchern und Elektronen wie im Nitridhalbleiter stark unterscheiden. Daher ist bevorzugt, die Trägereingrenzungsschicht außerhalb der aktiven Schicht vorzusehen, und sie wird in Kombination mit einer asymmetrischen aktiven Schicht verwendet, die aus der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht mit unterschiedlichen Werten der Bandlückenenergie in der aktiven Schicht gebildet ist, wodurch sich die zuvor beschriebenen Wirkungen der Erfindung bevorzugt erzielen lassen.
Bei Dotierung der Trägereingrenzungsschicht mit einer p-Verunreinigung, um sie zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp zu machen, ist die Trägereingrenzungsschicht benachbart zur aktiven Schicht als hohe Sperre für die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet, die eine n-Schicht ist, wenn Vorspannung gemäß 3A, 3B, 5A und 5B angelegt ist, wodurch eine Struktur zustande kommt, die Überlauf der Träger in die aktive Schicht verhindert. Ist umgekehrt die mit einer p-Verunreinigung dotierte Trägereingrenzungsschicht in der aktiven Schicht vorgesehen, wird ein p-n-Übergang in der aktiven Schicht gebildet, was zu geringerer Funktion der aktiven Schicht führt. Somit kann die Sperrenfunktion zur Eingrenzung der Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorzugsweise in der aktiven Schicht maximal erreicht werden, indem ein p-n-Übergang nahe der Trägereingrenzungsschicht benachbart zur aktiven Schicht gebildet ist, und eine bevorzugte Nitridhalbleiterbauelementstruktur kann mit Hilfe einer asymmetrischen Struktur gebildet werden, in der die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eingegrenzt sind.
Vorzugsweise ist die Trägereingrenzungsschicht benachbart zur aktiven Schicht vorgesehen, was ermöglicht, die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp in der Nähe der aktiven Schicht einzugrenzen, während die Nähe der ersten Halbleiterschicht zur aktiven Schicht effiziente Trägerinjektion ermöglicht, was bevorzugte Trägerinjektion in die aktive Schicht realisiert.
Erfindungsgemäß sind die Sperrschichten so vorgesehen, daß die Differenz der Bandlückenenergie zwischen der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht mindestens 0,02 eV beträgt. Begründet ist dies dadurch, daß die Struktur eine höhere Trägereingrenzungswirkung außerhalb der aktiven Schicht wie in der o. g. Trägereingrenzungsschicht oder einer Mantelschicht für die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp hat, während die Trägereingrenzung in der Topfschicht durch die erste Sperrschicht 2a für die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp erreicht wird, was die Asymmetrie der Trägereingrenzungsstruktur verstärkt und dadurch die zuvor beschriebenen Wirkungen verbessert. Das heißt, es ist möglich, die Eingrenzungsfunktion der ersten Sperrschicht für die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp und die Verbesserungswirkung der Trägerinjektion aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in die Topfschicht jenseits der kleineren zweiten Sperrschicht weiter zu verbessern.
Zusätzlich zum o. g. Aufbau kommt ein solcher Aufbau zum Einsatz, der eine zweite Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die der ersten Sperrschicht hat und von der aktiven Schicht über die Trägereingrenzungsschicht getrennt ist. Die zweite Halbleiterschicht entspricht der ersten Halbleiterschicht, und ist die erste Halbleiterschicht eine n-Schicht und die zweite Halbleiterschicht eine p-Schicht, wird zufriedenstellende Eingrenzung in der aktiven Schicht durch Bereitstellung über die Trägereingrenzungs schickt erzielt, die die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eingrenzt, was ähnliche Wirkungen wie die der ersten Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie wie zuvor beschrieben erreicht.
Ist die Quantentopfstruktur der aktiven Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur, die mehrere Topfschichten hat, ist bevorzugt, daß eine Innensperrschicht zwischen der ersten Sperrschicht 2a und zweiten Sperrschicht 2b über die Topfschicht 1 gemäß 5A und 5B vorgesehen ist, so daß die Innensperrschichten 2c, 2d Bandlückenenergien haben, die sich von der der zweiten Sperrschicht 2b unterscheiden. Die Innensperrschichten 2c, 2d sind zwischen der ersten Sperrschicht 2a und zweiten Sperrschicht 2b vorgesehen, was mit 2c und 2d in 5A und 5B gezeigt ist, und die erste Sperrschicht 2a und zweite Sperrschicht 2b sind über die Topfschichten 1a, 1b vorgesehen, um so die Trägerverteilungsfunktion in die Topfschichten gemäß dem Pfeil in der Zeichnung zu verbessern und eine Funktion zu verleihen, die sich von der der ersten und zweiten Sperrschicht unterscheidet, die außen vorgesehen sind, indem die Bandlückenenergie der Innensperrschichten auf einen Wert festgelegt ist, der sich von dem der zweiten Sperrschicht 2b unterscheidet. Dadurch kann auch die Funktion der o. g. ersten und zweiten Sperrschicht verbessert werden. In diesem Fall ist bevorzugt, die Bandlückenenergie der Innensperrschichten auf einen höheren Wert als den der zweiten Sperrschicht gemäß 5B festzulegen, was bewirkt, daß die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch die Innensperrschicht und die erste Sperrschicht wandern, wenn sie sich der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp nähern, um so schrittweise zunehmende Sperren zu bilden. Das heißt, diese Struktur hat eine Trägereingrenzungswirkung, die mit der Entfernung von der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp schrittweise zunimmt, so daß die Träger vorzugsweise in den Topfschichten verteilt werden können, die an die Sperrschichten angrenzen. Der Wirkungsgrad der Trägerinjektion in die Topfschicht nahe der ersten Sperrschicht läßt sich verbessern, was zu einer Struktur führt, in der mehr Träger in die Topfschichten injiziert werden können.
Vorzugsweise ist die Bandlückenenergie der ersten Sperrschicht niedriger als die der Innensperrschicht festgelegt, so daß gemäß 5A und 5B eine Verbesserung der Trägerinjektionsfunktion aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch Absenken der Sperre der zweiten Sperrschicht sowie eine Verbesserung der Trägerinjektion in die Topfschichten durch die Innensperrschicht erreicht werden kann. Indem die Bandlückenenergie der Innensperrschicht niedriger als die der ersten Sperrschicht festgelegt und die Bandlückenenergie der zweiten Sperrschicht niedriger als die der Innensperrschicht festgelegt ist, wird ferner eine solche Struktur der Sperrschichten wie in 5B erhalten, daß die Bandlückenenergie für die Injektion von Trägern aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit dem Abstand von der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp zunimmt, so daß die Funktionen der Sperrschichten verbessert sind, während jede eine unterschiedliche Funktion in der aktiven Schicht erfüllt.
Obwohl die Dicke der Innensperrschicht im wesentlichen mit der der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht identisch sein oder sich davon unterscheiden kann, die außerhalb der Innensperrschicht in der aktiven Schicht liegen, ist vorzugsweise die Dicke der Innensperrschicht dünner als die der ersten Sperrschicht und/oder der zweiten Sperrschicht. Grund dafür ist, daß man davon ausgeht, daß die Innensperrschicht, die zwischen den Topfschichten gebildet ist, eine andere Funktion als die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht hat, die außen gebildet sind, und daß bei einer dickeren Innensperrschicht die Sperrfunktion zunehmen würde, was gleichmäßige Injektion von Trägern in die Topfschichten behindert. Man nimmt an, daß sich der Rekombinationswir kungsgrad in der gesamten aktiven Schicht verbessert, indem die Dicke kleiner als die der außen liegenden Sperrschicht festgelegt ist, um so den Wirkungsgrad der Injektion und Verteilung der Träger in die Topfschichten zu verbessern. Berücksichtigt man die zwischen der Topfschicht und Sperrschicht wirkende Spannung, hat eine Dickenzunahme der zwischen den Topfschichten angeordneten Innensperrschicht die negative Auswirkung, daß sich die Innenspannung auf die Topfschicht infolge der Differenz des Al-Mischkristallverhältnisses zwischen den Schichten verschärft, was zu funktioneller Beeinträchtigung der Topfschicht führt und somit die negative Auswirkung auf die Topfschicht infolge der starken Piezoelektrizität durch den Al aufweisenden Nitridhalbleiter zeigt. Weiteres Erhöhen der Dicke der Innensperrschicht vergrößert die Dicke der gesamten aktiven Schicht, weshalb die resultierende Kristallinitätsbeeinträchtigung in der aktiven Schicht, die den Al aufweisenden Nitridhalbleiter verwendet, einen starken Einfluß auf die Beeinträchtigung von Bauelementkennwerten ausübt.
Im Fall von mehreren Innensperrschichten ist z. B. eine weitere Sperrschicht 2d über eine Innensperrschicht 2c und die Topfschicht 1b gemäß 5B vorgesehen, mindestens eine Innensperrschicht ist dünner als die außen liegende erste und/oder zweite Sperrschicht, und bevorzugt ist, daß alle Innensperrschichten dünner als die erste und/oder zweite Sperrschicht sind, was die Funktion der Innensperrschicht verbessert und die Tendenz zur funktionellen Trennung von der Außensperrschicht verstärkt. In einem Aspekt der Erfindung, in dem mehrere Sperrschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zwischen den nächstgelegenen Topfschichten vorgesehen sind, ist mindestens eine der mehreren Sperrschichten dünner als mindestens eine der außen liegenden Sperrschichten, vorzugsweise ist die Gesamtdicke der zwischen den Topfschichten liegenden Sperrschichten, d. h. der Abstand zwischen den nächstgelegenen Topfschichten kleiner als die Dicke mindestens einer der außen liegenden Sperrschichten, was ermöglicht, die Funktion der zwischen den nächstgelegenen Topfschichten liegenden mehreren Sperrschichten insgesamt zu verbessern.
Ähnlich wie die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht, die außen angeordnet sind, kann die Innensperrschicht mit einer n- und/oder p-Verunreinigung dotiert oder so undotiert sein, daß sie im wesentlichen keinen Dotanden aufweist. Ist die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht, ist vorzugsweise die Innensperrschicht mit einer n-Verunreinigung ähnlich wie die erste Sperrschicht dotiert. Dies gilt als besonders wirksam in einem System von Materialien mit einer Diffusionslänge, Trägerkonzentration und Mobilität, die sich wie beim Nitridhalbleiter für Elektronen und Löcher unterscheiden, vermutlich weil das Vorhandensein der Träger bis nahe der p-Schicht (Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp) in der aktiven Schicht ermöglicht, die Träger aus der n-Schicht bis nahe der p-Schicht tief in der aktiven Schicht wirksam zu injizieren. Auch weil die Trägereingrenzungsschicht in der Umgebung der aktiven Schicht in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet und ein p-n-Übergang nahe dieser Schicht gebildet ist, lassen sich Elektronen bis nahe dem p-n-Übergang wirksam injizieren, was zu einem verbesserten Rekombinationswirkungsgrad in der aktiven Schicht führt. Hierbei ist es in einem solchen Aspekt, daß mehrere Topfschichten vorgesehen und mehrere Innensperrschichten vorgesehen sind, bevorzugt, daß mindestens eine der Innensperrschichten mit einer n-Verunreinigung dotiert ist, und stärker bevorzugt ist, daß mehrere Innensperrschichten mit einer n-Verunreinigung nacheinander von der Innensperrschicht dotiert sind, die auf der n-Schichtseite liegt, und am stärksten bevorzugt ist, daß alle Innensperrschichten mit einer n-Verunreinigung dotiert sind.
Die Topfschicht ist vorzugsweise mit einer n-Verunreinigung in niedriger Konzentration dotiert, und ist insbesondere die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht, so ist die Konzentration der n-Verunreinigung niedriger als in der ersten Sperrschicht festgelegt, was später beschrieben wird. Ist die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp insbesondere eine n-Schicht, so ist die Konzentration der n-Verunreinigung in der zweiten Sperrschicht niedriger als in der ersten Sperrschicht festgelegt, was ermöglicht, die Träger in die n-Schicht (Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp) wirksam zu injizieren, und wirksame Injektion der Träger ermöglicht, da die Trägerinjektion aus der p-Schicht (Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp) nicht in der zweiten Sperrschicht behindert wird, was später beschrieben wird.
Auch wenn jede Leitfähigkeitstypschicht eine optische Leiterschicht hat und sich die Konzentrationen der Verunreinigungen, die Dotanden unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen bilden, in der Schicht unterscheiden, während die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht gemäß 8B bis 8D ist, ist bevorzugt, daß sie mit einer n-Verunreinigung in höherer Konzentration als der Bereich mit geringer Verunreinigungskonzentration in der optischen Leiterschicht dotiert ist, die in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, da dies die Wirkung der Trägerinjektion in die aktive Schicht durch die erste Sperrschicht sowie die Abschwächungswirkung auf die optische Dämpfung infolge des Bereichs mit geringer Verunreinigungskonzentration verbessert. Ist in der p-Schicht, also der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die zweite Sperrschicht mit einer p-Verunreinigung dotiert, wird die Konzentration in der Tendenz höher als im Bereich niedriger Verunreinigungskonzentration der optischen Leiterschicht, was Folge der Diffusion aus der Trägereingren zungsschicht ist, die mit der p-Verunreinigung stärker als die optische Leiterschicht dotiert ist. Dies ist bevorzugt, da die Trägereingrenzungsschicht kleiner als die Dicke des Bereichs mit geringer Verunreinigungskonzentration wird, was die Konzentration in der zweiten Sperrschicht verglichen mit der mittleren Verunreinigungskonzentration höher macht, und in der zweiten Sperrschicht, die in der aktiven Schicht liegt und eine kleine Dicke hat, ist der Einfluß optischer Dämpfung weniger stark, was die Wirkung erzielt, zur Trägerinjektion aus der p-Schicht beizutragen.
In der o. g. Bauelementstruktur unter Verwendung eines Nitridhalbleiters, in der die aktive Schicht die aus Nitridhalbleiter hergestellte Topfschichten und Sperrschichten hat, die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter aufweist und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter aufweist, ist die Bauelementstruktur für ein mit kurzen Wellenlängen arbeitendes Lichtemissionsbauelement sehr nützlich, in dem die Topfschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet ist, der eine höhere Bandlückenenergie als GaN gemäß der vorstehenden Beschreibung hat. Das heißt, da die erste Halbleiterschicht in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und die zweite Halbleiterschicht in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp zum Einfügen auf der Außenseite der aktiven Schicht so gebildet sind, daß sie eine niedrigere Bandlückenenergie als in der herkömmlichen Struktur haben, kann das Al-Mischkristallverhältnis in jeder Schicht niedriger bleiben, um so eine Bauelementstruktur zu erreichen, mit der man die Kristallinitätsbeeinträchtigung und die Innenspannung einschränkt. Die spezifische Zusammensetzung der aus Nitridhalbleiter hergestellten Topfschicht ist vorzugsweise GaN, Al_xGa_1-xN (0 < x ≤ 1) oder Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1). Im Fall von GaN, das ein Binärverbindungshalbleiter ist, kann der Kristall ohne Wechselwirkung zwischen den Elementen wachsen, um gute Kristalli nität infolge der kleinen Anzahl der Elementarbestandteile zu erhalten. Im Fall des Tertiärverbindungshalbleiters Al_xGa_1-xN (0 < x ≤ 1) kann Licht mit kürzerer Wellenlänge als bei GaN emittiert werden, während der Kristall mit weniger Wechselwirkung zwischen den Elementen wachsen kann, um gute Kristallinität zu erhalten, was Folge der kleinen Anzahl der Elementarbestandteile ist. Im Fall des Quaternärverbindungshalbleiters Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1) verbessert das Vorhandensein von In den Lichtemissionswirkungsgrad der Topfschicht. Hierbei kann ein Nitridhalbleiter mit einer Zusammensetzung aus Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1, u + v < 1) für die Sperrschicht verwendet werden. Da die Sperrschicht eine höhere Bandlückenenergie als die Topfschicht hat, wird der Nitridhalbleiter in der Topfschicht mit der o. g. Zusammensetzung so verwendet, daß das Al-Mischkristallverhältnis u in der Sperrschicht höher als das Al-Mischkristallverhältnis x in der Topfschicht ist (x < u). Hierbei ist bevorzugt, daß die Differenz zwischen dem Al-Mischkristallverhältnis u in der Sperrschicht und dem Al-Mischkristallverhältnis x in der Topfschicht mindestens 0,1 beträgt, d. h. u – x ≥ 0,1. Grund dafür ist, daß eine zufriedenstellende Sperrschicht gebildet werden kann, indem Al aufweisender Nitridhalbleiter mit einer Differenz des Al-Mischkristallverhältnisses von mindestens 0,1 verwendet wird, um eine zufriedenstellende Trägereingrenzungsfunktion durch die erste Sperrschicht in dem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Nitridhalbleiterbauelement zu erreichen. Die Obergrenze der Differenz des Al-Mischkristallverhältnisses (u – x) kann auf höchstens 0,5 festgelegt sein, um die Kristallinitätsbeeinträchtigung zu unterdrücken, indem eine Sperrschicht mit einem hohen Al-Mischkristallverhältnis bereitgestellt wird, und kann auch auf höchstens 0,3 festgelegt sein, was ermöglicht, die gute Topfschicht zu bilden, indem die Kristallini tätsbeeinträchtigung unterdrückt wird. In der aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellten ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht ist die Differenz zwischen dem Al-Mischkristallverhältnis u₁ in der ersten Sperrschicht und dem Al-Mischkristallverhältnis u₂ in der zweiten Sperrschicht, also u₁ – u₂, auf mindestens 0,02 (u₁ – u₂ ≥ 0,02), vorzugsweise mindestens 0,05 (u₁ – u₂ ≥ 0,05) festgelegt. Die Trägereingrenzungsfunktion durch die erste Sperrschicht läßt sich erreichen, wenn die Differenz des Al-Mischkristallverhältnisses in der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht mindestens 0,02 beträgt, und kann zufriedenstellend werden, wenn die Differenz mindestens 0,05 beträgt. Das heißt, je höher das Al-Mischkristallverhältnis in der ersten Sperrschicht ist, um die Bandlückenenergie zu erhöhen, um so bessere Trägereingrenzung kann erreicht werden. Je niedriger das Al-Mischkristallverhältnis in der zweiten Sperrschicht ist, um die Bandlückenenergie zu verringern, um so höher ist der Trägerinjektionswirkungsgrad, wodurch die Bauelementkennwerte verbessert sind.
Im Bauelement unter Verwendung des Nitridhalbleiters ist bevorzugt, daß die erste Halbleiterschicht und/oder zweite Halbleiterschicht aus einem Material mit einem Al aufweisenden Nitridhalbleiter hergestellt ist. Dies ermöglicht, eine Bauelementstruktur herzustellen, die ausgezeichnete Kristallinität mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis in den jeweiligen Leitfähigkeitstypschichten hat, die die aktive Schicht in dem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Nitridhalbleiterbauelement einfügen, indem die aus dem Al aufweisenden Nitridhalbleiter hergestellte erste Halbleiterschicht und zweite Halbleiterschicht in den Schichten vorgesehen sind, die die aktive Schicht einfügen, die die Topfschicht und die Sperrschicht mit dem o. g. Aufbau hat.
Ist die Dicke der ersten Sperrschicht kleiner als die Dicke der zweiten Sperrschicht, können die Trägereingrenzung durch die erste Sperrschicht und Trägerinjektion durch die zweite Sperrschicht sowie die Kristallinität der Topfschicht zufriedenstellend werden. Grund dafür ist, daß bei großer Dicke der ersten Sperrschicht in einem Bauelement, das aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, aktiven Schicht und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp besteht, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, die Kristallinität der darauf gebildeten Topfschicht beeinträchtigt ist. Durch größere Dicke der zweiten Sperrschicht als die Dicke der ersten Sperrschicht, läßt sich eine negative Auswirkung der nahe der aktiven Schicht gebildeten Trägereingrenzungsschicht abmildern. Während insbesondere ein Nitridhalbleiter mit einem hohen Al-Mischkristallverhältnis für die Trägereingrenzungsschicht verwendet wird, die eine hohe Bandlückenenergie in dem in einem kurzen Wellenlängenbereich arbeitenden Nitridhalbleiterbauelement wie zuvor beschrieben hat, wird der spezifische Widerstand der Schicht hoch, wenn das Bauelement arbeitet, wodurch Wärme erzeugt wird, die eine negative Auswirkung auf die nahegelegene aktive Schicht hat. Im Fall einer mit einer p-Verunreinigung dotierten Trägereingrenzungsschicht ist ein p-n-Übergang in der Umgebung der aktiven Schicht gebildet, so daß die negative Auswirkung auf die aktive Schicht verhindert wird. Grund dafür ist, daß die zweite Sperrschicht zwischen der Topfschicht und Trägereingrenzungsschicht gebildet ist und als Abstandshalter dient, um die negative Auswirkung zu verhindern. Somit läßt sich die Funktion der aktiven Schicht verbessern, indem die zweite Sperrschicht dicker als die erste Sperrschicht gebildet wird. Da die Trägerinjektion aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp behindert ist, wenn die erste Sperrschicht zu dick ist, ist bevorzugt, die Funktion der ersten Sperrschicht durch Erhöhen der Bandlückenenergie und Verkleinern der Dicke zu verbessern. Ist die erste Sperrschicht aus dem Al aufweisenden Nitridhalbleiter hergestellt, läßt sich eine bessere Topfschicht bilden, indem das Al- Mischkristallverhältnis erhöht und die Dicke gegenüber der aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellten zweiten Sperrschicht verkleinert ist.
Erfindungsgemäß ist die Dicke der ersten Sperrschicht in einem Bereich von 30 Å (3 nm) bis 150 Å (15 nm) festgelegt, und die Dicke der zweiten Sperrschicht ist in einem Bereich von 50 Å (5 nm) bis 300 Å (30 nm) festgelegt. Dieser Aufbau befähigt die erste Sperrschicht zur Trägereingrenzung, und die Dicke ist vorzugsweise auf mindestens 50 Å festgelegt, was eine Struktur mit verbessertem Eingrenzungswirkungsgrad erzeugt. Grund dafür ist, daß es zum Tunneleffekt der Träger kommt, wenn die erste Sperrschicht gemäß 5B dünn ist. Verhindern läßt sich der Tunneleffekt durch eine Dicke von mindestens 30 Å, und der Tunneleffekt läßt sich wirksam verhindern und der Eingrenzungswirkungsgrad kann verbessert werden, indem die Dicke mindestens 50 Å beträgt. Ist die Dicke der ersten Sperrschicht auf höchstens 150 Å festgelegt, kann Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters verhindert werden, und es kann eine gute Topfschicht gebildet werden, wozu kommt, daß eine solche Sperre hergestellt werden kann, die nicht die Trägerinjektion aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp behindert. Sind hinsichtlich der zweiten Sperrschicht die Schichten 28, 29 vom zweiten Leitfähigkeitstyp p-Schichten, wird der p-n-Übergang in der Umgebung der zweiten Sperrschicht 2b gemäß 5A und 5B gebildet, weshalb eine Lage der Topfschicht zu nahe an der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der Tendenz die Funktion einer wirksamen Trägerrekombination unter dem Einfluß der Topfschicht behindert. Da außerdem die Trägereingrenzungsschicht 28 nahe der aktiven Schicht liegt und eine hohe Bandlückenenergie in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp hat, hat die Trägereingrenzungsschicht eine Zusammensetzung mit Al in höherer Konzentration als die anderen Schichten und daher einen höheren Widerstand als die anderen Schichten, was zu größerer Wärme im Bauelementbetrieb führt. Somit dient die zweite Sperrschicht 2b als Abstandshalter, der die Topfschicht vor der Wärme schützt. Daher ist die Dicke vorzugsweise auf mindestens 50 Å und stärker bevorzugt mindestens 80 Å festgelegt, um die zuvor beschriebenen Probleme zu vermeiden und gute Bauelementkennwerte zu erzielen. Die Obergrenze für die Dicke ist auf 300 Å festgelegt, um eine Unterschicht zu erzeugen, die die Trägereingrenzungsschicht mit guter Kristallinität abstützt. Übersteigt die Dicke der zweiten Sperrschicht 300 Å, werden Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp durch die Trägereingrenzungsschicht eingegrenzt, die von der Topfschicht entfernt ist, was zu einem geringeren Wirkungsgrad der Trägereingrenzung führt. Um bessere Kristallinität zu erreichen, ist die Dicke auf höchstens 200 Å festgelegt, und ausgezeichnete Kristallinität kann erzielt werden und die Trägereingrenzungsschicht kann an einer bevorzugten Position liegen, wenn die Dicke auf höchstens 150 Å festgelegt ist.
In der Bauelementstruktur, in der die Mantelschichten getrennt von der aktiven Schicht über die erste Halbleiterschicht und zweite Halbleiterschicht in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind, ist bevorzugt, die Bandlückenenergie der in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildeten Mantelschicht höher als die der ersten Halbleiterschicht zu machen und die Bandlückenenergie der in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildeten Mantelschicht höher als die der zweiten Halbleiterschicht zu machen. Grund dafür ist, daß wie zuvor beschrieben bessere Trägerinjektion in einer schrittweisen Bandstruktur durch Bereitstellung außerhalb der aktiven Schicht getrennt von der Trägereingrenzung in jeder Sperrschicht erreicht werden kann. Da auch bei Bereitstellung einer Mantelschicht zur optischen Eingrenzung in einem solchen Stirnflächen-Lichtemissionsbauelement wie einer LD eine erste und eine zweite Nitridhalbleiterschicht als optische Leiterschichten verwendet werden können und die Bandlückenenergie im Gegensatz zum herkömmlichen Bauelement nicht höher als die der aktiven Schicht festgelegt ist, kann das Bauelement mit relativ guter Gitteranpassung und guter Kristallinität hergestellt sein. Als spezifischer Aufbau erreicht ein Bauelement, bei dem die erste Halbleiterschicht und zweite Halbleiterschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt sind und das Al-Mischkristallverhältnis in der ersten Halbleiterschicht und zweiten Halbleiterschicht niedriger als das der ersten Sperrschicht festgelegt ist, ausgezeichnete Kristallinität in einem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden lichtemittierenden Bauelement. Ein weiterer Bauelementaufbau kann so wie in einem Lichtemissionsbauelement 200 gemäß 6A sein, in dem eine Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die eine erste Halbleiterschicht 202 aufweist, eine erste Sperrschicht 2a, eine Topfschicht 1a, eine aktive Schicht 203 (12), die eine zweite Sperrschicht 2b hat, eine zweite Halbleiterschicht 205 und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die eine Trägereingrenzungsschicht 204 aufweist, auf einem Substrat 201 übereinander gestapelt sind. 6A zeigt eine Struktur, in der die o. g. Bauelementstruktur auf dem elektrisch leitenden Substrat 201 vorgesehen ist, eine Elektrode 207 auf der Rückfläche des Substrats vorgesehen ist und ein Paar Elektroden vom jeweiligen Leitfähigkeitstyp mit dem Substrat dazwischen einander gegenüberliegen, während 6B eine Struktur zeigt, in der ein Paar Elektroden vom jeweiligen Leitfähigkeitstyp auf einer Seite des Substrats angeordnet sind.
In einem stärker bevorzugten Aufbau eines lichtemittierenden Nitridhalbleiterbauelements, in dem ein Wellenleiter mit einer aktiven Schicht gebildet ist, die durch optische Leiterschichten eingefügt ist, die in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind, hat die in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehene optische Leiterschicht die erste Halbleiterschicht. Das heißt, die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie als die aktive Schicht (erste Sperrschicht) anders als beim herkömmlichen Bauelement haben, können für die optischen Leiterschichten verwendet werden, und ein lichtemittierendes Bauelement mit einer solchen Struktur, daß die Differenz der Gitterkonstante und die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten verkleinert sind, läßt sich in einem Material auf der Basis von Galliumnitrid herstellen. Hierbei ist bevorzugt, daß die Bandlückenenergie der Leiterschichten niedriger als die der ersten Sperrschicht ähnlich wie bei der ersten und zweiten Halbleiterschicht ist, wodurch ein Lichtemissionsbauelement mit guter Kristallinität mit einer Bauelementstruktur zustande kommt, die ein niedriges Al-Mischkristallverhältnis hat. Das heißt, durch Verwendung der ersten Halbleiterschicht und zweiten Halbleiterschicht, die ein niedrigeres Al-Mischkristallverhältnis als die erste Sperrschicht haben, die aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter für die optischen Leiterschichten hergestellt ist, kann eine solche Struktur zustande kommen, daß ein Al-Mischkristallverhältnis in der unteren optischen Leiterschicht 26 und oberen optischen Leiterschicht 29, die die aktive Schicht einfügen, gemäß 2B verkleinert ist, so daß ein Bauelement mit hoher Kristallinität und hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden kann, indem das Al-Mischkristallverhältnis in der aktiven Schicht und dem gesamten Bauelement auf einen geringen Wert gedrückt ist.
Mit der durch solche optischen Leiterschichten eingefügten aktiven Schicht läßt sich ein Bauelement mit noch besseren Kennwerten erhalten, indem ein lichtemittierendes Bauelement mit einem Wellenleiter mit einer solchen Struktur hergestellt wird, daß die Mantelschicht als optische Eingrenzungsschicht vorgesehen ist. Insbesondere sind Mantelschichten zur optischen Eingrenzung in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp so vorgesehen, daß sie die optischen Leiterschichten einfügen, die die aktive Schicht einfügen, während die in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehene Mantelschicht eine höhere Bandlückenenergie als die erste Halbleiterschicht hat und die in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehene Mantelschicht eine höhere Bandlückenenergie als die zweite Halbleiterschicht hat. Dies führt zu einem Lichtemissionsbauelement vom Typ mit getrennter Eingrenzung, das optische Leiterschichten und die Mantelschichten zur optischen Eingrenzung hat, wobei die Bandlückenenergie in Galliumnitrid-Halbleitermaterial hoch ist und das Mischverhältnis von Aluminium, das die Brechzahl verringert, im gesamten Bauelement auf einen niedrigen Wert unterdrückt ist. Damit ist eine Herstellung möglich, die die Kristallinität, Zuverlässigkeit des Bauelements und stabile Stapelung gewährleistet, wodurch die Variabilität der Bauelementkennwerte verringert und die Produktionsausbeute verbessert sein kann. Das heißt, durch höheres Festlegen des Al-Mischkristallverhältnisses der unteren Mantelschicht 25 aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter als das der unteren optischen Leiterschicht 26 (erste Halbleiterschicht) und durch höheres Festlegen des Al-Mischkristallverhältnisses der oberen Mantelschicht 30 aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter als das der oberen optischen Leiterschicht 29 (zweite Halbleiterschicht) können die Mantelschichten zur optischen Eingrenzung so hergestellt sein, daß sie eine niedrigere Brechzahl als die Leiterschichten haben. Hierbei ist stärker bevorzugt, das Al-Mischkristallverhältnis der Mantelschichten zur optischen Eingrenzung niedriger als das der ersten Sperrschicht 2a gemäß 2B festzulegen, was ermöglicht, die Bauelementstruktur mit einem niedrig gehaltenen Al-Mischkristallverhältnis herzustellen, und zur Bildung der Mantelschichten mit großer Dicke bevorzugt ist, die zur optischen Eingrenzung erforderlich ist.
Zusätzlich zum o. g. Aufbau ermöglich das höhere Festlegen der Bandlückenenergie der ersten Sperrschicht als das der Mantelschicht, eine Bauelementstruktur mit ausgezeichneter Kristallinität zu bilden.
Das lichtemittierende Bauelement, das mit diesen zuvor beschriebenen Wellenlängen arbeitet, kann in solchen Anwendungen wie einem Laserbauelement, einem Stirnflächen-Lichtemissionsbauelement und einer Superlumineszenzdiode verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
1 ist eine schematische Schnittansicht der Laserbauelementstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2A ist eine schematische Schnittansicht der Stapelstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 2B ist eine Darstellung der Al-Anteile in den Schichten.
3A ist eine schematische Schnittansicht der Stapelstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 3B ist eine schematische Darstellung der Bandstruktur eines vorgespannten Laserbauelements entsprechend der Stapelstruktur.
4A und 4B sind schematische Darstellungen der herkömmlichen Bandstruktur eines vorgespannten Laserbauelements.
5A und 5B sind schematische Darstellungen der Bandstruktur eines vorgespannten Laserbauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6A und 6B sind schematische Schnittansichten der Stapelstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 6C ist eine Darstellung der Al-Anteile in den Schichten.
7 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Stapelstruktur und den Al-Anteilen in den Schichten im herkömmlichen Laserbauelement.
8A ist eine schematische Darstellung der Bandstruktur 41, und 8B bis 8D sind schematische Darstellungen der Konzentrationen von Verunreinigungen von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung der Variation des Schwellenstroms I_th bei Änderung des Al-Zusammensetzungsverhältnisses und der Dicke der zweiten Sperrschicht im Laserbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 ist eine schematische Darstellung der Variation der Bauelementlebensdauer bei Änderung des Al-Verhältnisses und der Dicke der zweiten Sperrschicht im Laserbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Im folgenden wird das Halbleiterbauelement der Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Verwendung von Nitridhalbleiter beschrieben. Verständlich ist, daß die Anmeldung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist und auf verschiedene bekannte Halbleitermaterialien angewendet werden kann, z. B. AlGaAs und AlGaP.
Zu Nitridhalbleitern, die für das Nitridhalbleiterbauelement der Erfindung verwendet werden, gehören GaN, AlN, InN und deren Mischkristalle in Form von III–V-Nitridhalbleiter (In_αAl_βGa_1-α-βN, 0 ≤ α, 0 ≤ β, α + β ≤ 1) sowie jene, die B (Bor) als Element der Gruppe III oder einen Mischkristall mit einem Teil aus N (Stickstoff), der durch P (Phosphor) oder As ersetzt ist, als Element der Gruppe V verwenden. Ein Al aufweisender Nitridhalbleiter hat eine Zusammensetzung, in der β > 0 ist, und ein In aufweisender Nitridhalbleiter hat eine Zusammensetzung, in der α > 0 ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das mit kurzen Wellenlängen arbeitende Nitridhalbleiterbauelement mit breiter Bandlücke ein Bauelement mit einer Topfschicht aus GaN oder Al aufweisendem Nitridhalbleiter in einer aktiven Schicht und hat Schichten, die aus mindestens einem Al aufweisenden Nitridhalbleiter in ei ner Schicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einer Schicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp hergestellt sind.
Eine im Nitridhalbleiter verwendete n-Verunreinigung kann ein Element der Gruppe IV sein, z. B. Si, Ge, Sn, S (Schwefel), O (Sauerstoff), Ti und Zr, oder ein Element der Gruppe VI, vorzugsweise Si, Ge oder Sn und am stärksten bevorzugt Si. Während eine p-Verunreinigung nicht eingeschränkt ist, kann Be, Zn, Mn, Cr, Mg oder Ca verwendet werden, und vorzugsweise kommt Mg zum Einsatz. Nitridhalbleiter von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen werden durch Zugabe dieser Akzeptoren und Donatoren gebildet, um so die später zu beschreibenden Schichten von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen zu erzeugen. Die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp der Erfindung können teilweise undotierte Schichten und halbisolierende Schichten haben, die darauf gestapelt sind, und parasitäre Komponenten können in den Schichten von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen als eingebettete Schicht vom umgekehrten Leitfähigkeitstyp (Stromblockierschicht) eines Laserbauelements teilweise gebildet sein.
Im folgenden werden verschiedene erfindungsgemäße Schichten beschrieben, die Nitridhalbleiter verwenden.
Vorzugsweise ist die aktive Schicht der Erfindung mit einer Quantentopfstruktur gebildet und hat eine Topfschicht aus GaN oder Al aufweisendem Nitridhalbleiter und Sperrschichten aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter oder In und Al aufweisendem Nitridhalbleiter. Insbesondere beträgt die Wellenlänge in der aktiven Schicht höchstens 375 nm, und speziell liegt die Bandlückenenergie in der Topfschicht innerhalb der Wellenlänge von 375 nm. Während der in der aktiven Schicht verwendete Nitridhalbleiter undotiert, mit einer n-Verunreinigung dotiert oder mit einer p-Verunreinigung dotiert sein kann, ist vorzugsweise ein Nitridhalbleiter, der undotiert oder mit einer n-Verunreinigung dotiert ist, in der aktiven Schicht vorgesehen, was ein Nitridhalbleiterbauelement, z. B. ein Laserbauelement oder lichtemittierendes Bauelement, mit hoher Ausgangsleistung erzeugt. Bevorzugt ist, daß die Topfschicht undotiert und die Sperrschicht mit einer n-Verunreinigung dotiert ist, was ein Nitridhalbleiterbauelement, z. B. ein Laserbauelement oder lichtemittierendes Bauelement, mit hoher Ausgangsleistung erzeugt. Die Quantentopfstruktur kann eine Mehrfachquantentopfstruktur oder eine Einzelquantentopfstruktur sein. Bevorzugt kommt eine Mehrfachquantentopfstruktur zum Einsatz, was ermöglicht, die Ausgangsleistung zu erhöhen und den Schwingungsschwellwert zu senken. Die Quantentopfstruktur der aktiven Schicht kann aus mindestens einer zuvor beschriebenen Topfschicht und mindestens einer Sperrschicht gebildet sein, die auf jeder Seite der Topfschicht gestapelt ist. Im Fall der Quantentopfstruktur beträgt die Anzahl der Topfschichten mindestens eins und höchstens vier, was zu einem niedrigen Schwellenstrom für das Laserbauelement oder Lichtemissionsbauelement führt. Stärker bevorzugt wird eine Mehrfachquantentopfstruktur verwendet, in der die Anzahl der Topfschichten zwei oder drei beträgt, was ein Laserbauelement oder Lichtemissionsbauelement mit hoher Ausgangsleistung erzeugt.
Die erfindungsgemäße Topfschicht ist vorzugsweise aus GaN oder Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt. Durch Bereitstellung mindestens einer Topfschicht aus GaN oder Al aufweisendem Nitridhalbleiter in der aktiven Schicht und Herstellen aller o. g. Topfschichten aus dem Nitridhalbleiter für die Mehrfachquantentopfstruktur kann eine Lichtemission mit einer kürzeren Wellenlänge erreicht werden, und es läßt sich ein Laserbauelement oder lichtemittierendes Bauelement mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad erhalten. Bevorzugt ist dieser Aufbau bei einem Emissionsspektrum mit einem einzelnen Emissionsmaximum. Bei einem mehrfarbigen Lichtemissionsbauelement, das mehrere Emissionsmaxima hat, kann ein Emissionsmaximum in einem kurzen Wellenlängenbereich durch Bereitstellen mindestens einer Topfschicht aus dem GaN oder Al aufweisenden Nitridhalbleiter erhalten werden, was ermöglicht, ein Lichtemissionsbauelement zu erhalten, das Licht mit verschiedenen Farben emittiert oder das es mit einem Leuchtstoff kombiniert, der durch das Licht mit kurzer Wellenlänge angeregt wird. Bei Verwendung eines solchen mehrfarbigen Lichtemissionsbauelements ermöglicht die Bildung der Topfschicht mit einer Zusammensetzung aus In_αGa_1-αN (0 < α ≤ 1), daß die Topfschicht Licht über ein Spektrum vom ultravioletten bis zum sichtbaren Bereich zufriedenstellend emittieren kann. In diesem Fall kann die Emissionswellenlänge durch den In-Gehaltsanteil bestimmt werden. Für ein Lichtemissionsbauelement, das eine Topfschicht mit mindestens 375 nm Wellenlänge verwendet, kann die Topfschicht aus In aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt sein, wobei die Zusammensetzung wie zuvor beschrieben vorzugsweise In_αGa_1-αN (0 < α ≤ 1) ist.
Durch die erfindungsgemäße Topfschicht aus dem Al aufweisenden Nitridhalbleiter, der mit kurzen Wellenlängen arbeitet, kann Licht mit einer Wellenlänge emittiert werden, die für die herkömmliche Topfschicht aus InGaN schwierig ist, speziell mit rund 365 nm Wellenlänge, was die Bandlückenenergie von GaN ist, oder darunter, und insbesondere hat sie eine Bandlückenenergie, durch die sie Licht mit höchstens 375 nm Wellenlänge emittieren kann. Grund dafür ist, daß bei der herkömmlichen Topfschicht aus einem Tertiärverbindungshalbleiter aus InGaN der In-Gehaltsanteil auf höchstens 1% zum Betrieb mit einer Wellenlänge von rund 365 nm, z. B. 370 nm, mit der Bandlückenenergie von GaN gesteuert sein muß. Bei einem so niedrigen In-Gehaltsanteil sinkt der Lichtemissionswirkungsgrad, und es läßt sich kein Laserbauelement oder Lichtemissionsbauelement mit ausreichender Ausgangsleistung erhalten. Bei einem In-Gehaltsanteil von höchstens 1% ist es zudem schwierig, das Kristallwachstum zu steuern. Erfindungs gemäß kann ein mit kurzen Wellenlängen arbeitendes Laserbauelement durch Verwendung der Topfschicht aus GaN oder Al aufweisendem Nitridhalbleiter und Erhöhung des Al-Mischkristallverhältnisses x hergestellt sein, wodurch die Bandlückenenergie erhöht ist, was ermöglicht, Licht mit 375 nm Wellenlänge zu emittieren, was für die herkömmliche Topfschicht schwierig war.
Die spezifische Zusammensetzung des in der Topfschicht verwendeten, Al aufweisenden Nitridhalbleiters zum Emittieren von Licht mit kurzen Wellenlängen ist Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1), und vorzugsweise werden ein Tertiärverbindungshalbleiter Al_xGa_1-xN (0 < x ≤ 1) und ein Quaternärverbindungshalbleiter Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1) verwendet. Eine Topfschicht, die aus einem Binärverbindungshalbleiter GaN für kurze Wellenlängen hergestellt ist, kann auch verwendet werden.
Nachstehend werden Kennwerte der Topfschicht näher beschrieben, die aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt ist. In einem In und Al aufweisenden Nitridhalbleiter erhöht das Vorhandensein der In-Komponente den Lichtemissionswirkungsgrad in der Topfschicht und schwächt die starke Spannung ab, die durch den Al aufweisenden Nitridhalbleiter erzeugt wird, wodurch das piezoelektrische Feld variiert. Ist die Topfschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt, in dem der In-Gehaltsanteil y nahezu null ist, kann die Kristallinität der Topfschicht verbessert sein, da die Wechselwirkung zwischen Elementarbestandteilen infolge einer großen Anzahl von Elementen, insbesondere die Beeinträchtigung der Kristallinität infolge der Reaktion von Al und In, in einem solchen Kristallziehverfahren in der Gasphase wie MOCVD unterdrückt ist, das zum Aufwachsen von Nitridhalbleitern zum Einsatz kommt. Keine Einschränkung gilt für das Al-Mischkristallverhältnis x für In und Al aufweisenden Nitridhalblei ter, z. B. Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1), sowie Nitridhalbleiter, der Al aufweist, aber kein In aufweist, z. B. Al_xGa_1-xN (0 < x ≤ 1). Eine gewünschte Bandlückenenergie und Wellenlänge lassen sich durch Ändern des Al-Mischkristallverhältnisses erreichen. Während eine Zusammensetzung mit fünf oder mehr Elementarbestandteilen genutzt werden kann, indem B, P, As o. ä. der o. g. Zusammensetzung zugegeben wird, kommen vorzugsweise ein Quaternärverbindungshalbleiter AlInGaN und Tertiärverbindungshalbleiter AlGaN zum Einsatz, um die Topfschicht mit guter Kristallinität durch Verhindern der Reaktion zwischen den Elementen zu bilden.
Im In und Al aufweisenden Nitridhalbleiter, zum Beispiel Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1), liegt der In-Mischanteil y vorzugsweise in einem Bereich von 0,02 bis 0,1 und stärker bevorzugt 0,03 bis 0,05. Eine Festlegung dieses Werts auf mindestens 0,02 verringert den Schwellenstrom und verbessert den Lichtemissionswirkungsgrad, und eine Festlegung dieses Werts auf mindestens 0,03 erzielt diese Wirkungen ausgeprägter. Liegt andererseits der Wert über 0,1, beginnt die Kristallinität, infolge der zuvor beschriebenen Reaktion zwischen den Elementarbestandteilen beeinträchtigt zu werden. Durch Festlegen dieses Werts auf höchstens 0,05 ist es möglich, gute Kristallinität zu erreichen, den Schwellenstrom zu verringern und den Lichtemissionswirkungsgrad zu verbessern.
In einem Bereich von 365 nm bis 380 nm Wellenlänge kann eine In aufweisende Topfschicht verwendet werden. Die spezifische Zusammensetzung der aus einem Nitridhalbleiter gebildeten Topfschicht kann In_zGa_1-zN (0 < z < 1) sein, um eine gewünschte Emissionswellenlänge zu erhalten. In diesem Fall kann die spezifische Zusammensetzung der Sperrschicht Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 < v ≤ 1, u + v < 1) sein, wobei der Al-Mischanteil u der Sperrschicht größer wird, wenn die Emissionswellenlänge von 380 nm aus kürzer wird. Durch in der aktiven Schicht erfolgende Bereitstellung einer zweiten Sperrschicht mit einem niedrigeren Al-Mischanteil als ein Al-Mischanteil, der nahezu gleich dem der ersten Sperrschicht im herkömmlichen Bauelement ist, läßt sich Beeinträchtigung der Kristallinität verhindern, während die Bereitstellung der zweiten Sperrschicht mit einem niedrigeren Al-Mischanteil als der der ersten Sperrschicht in derselben aktiven Schicht bewirkt, daß unterschiedliche Spannungen auf die untere Grenzfläche und auf die obere Grenzfläche in der In aufweisenden Topfschicht ausgeübt werden, die zwischen beiden Sperrschichten angeordnet ist, so daß das piezoelektrische Feld infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters verringert wird und die Bandlückenbeanspruchung abgemildert werden kann und sich der Lichtemissionswirkungsgrad in der Topfschicht verbessern läßt. Bei Bereitstellung einer Innensperrschicht kann die zweite Sperrschicht mit einem niedrigeren Al-Mischanteil als die erste Sperrschicht die gleiche Wirkung wie zuvor beschrieben erzeugen, wobei die Innensperrschicht vorzugsweise einen Al-Mischanteil hat, der niedriger als der der ersten Sperrschicht und höher als der der zweiten Sperrschicht ist, was Beeinträchtigung der Kristallinität verhindert. Hat die Innensperrschicht den gleichen Al-Mischanteil wie die zweite Sperrschicht, so haben alle Sperrschichten vorzugsweise einen ausreichenden Offset (Versatz) der Bandlückenenergie gegenüber der Topfschicht.
Die Dicke und Anzahl der Topfschichten können beliebig bestimmt sein, z. B. eine Einzelatomschicht für die Dicke und eine oder mehrere Topfschichten für die Anzahl. Insbesondere ist die Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 30 nm festgelegt. Bei unter 1 nm Dicke wird es für die Topfschicht schwierig, zufriedenstellend zu funktionieren. Eine Dicke über 30 nm erschwert, den Al aufweisenden Nitridhalbleiter mit guter Kristallinität aufzuwachsen, was zu unbefriedigenden Bauelementkennwerten führt. Durch Festlegen der Dicke in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, lassen sich Vf und die Schwellenstromdichte verringern. Aus Sicht des Kristallwachstums läßt sich eine Schicht mit relativ gleichmäßiger Qualität und weniger Dickenschwankung bilden, wenn die Dicke mindestens 2 nm beträgt. Der Kristall kann aufgewachsen werden, während das Auftreten von Kristallfehlern unterdrückt ist, wenn die Dicke höchstens 20 nm beträgt. Stärker bevorzugt ist die Dicke der Topfschicht auf mindestens 3,5 nm festgelegt, wodurch ein Laserbauelement oder Lichtemissionsbauelement mit hoher Ausgangsleistung erhalten werden kann. Vermutlich ist dies dadurch begründet, daß eine dickere Topfschicht bewirkt, daß Rekombination zur Lichtemission mit einem hohen Emissionswirkungsgrad und inneren Quantenwirkungsgrad für eine große Trägerinjektionsmenge in einem solchen Fall wie einem mit einem großen Strom angesteuerten Laserbauelement auftritt, wobei dieser Effekt in einer Mehrfachquantentopfstruktur besonders auffällig ist. In einer Einzelquantentopfstruktur läßt sich eine ähnliche Wirkung mit einer Dicke von mindestens 5 nm erzielen. Für die Anzahl von Topfschichten gilt keine Einschränkung, und es kann jede Anzahl, eine oder mehrere, von Topfschichten gebildet sein. Sind vier oder mehr Topfschichten vorgesehen, wobei jede die aktive Schicht bildende Schicht eine wesentliche Dicke hat, wird die Gesamtdicke der aktiven Schicht zu groß, was dazu führt, daß Vf zu hoch ist. Somit ist erwünscht, die Dicke der Topfschicht auf 10 nm zu begrenzen, um die Dicke der aktiven Schicht einzuschränken. In der Mehrfachquantentopfstruktur ist mindestens eine der mehreren Topfschichten in einer Dicke im o. g. Bereich ausgebildet, und vorzugsweise sind alle Topfschichten in Dicken im o. g. Bereich hergestellt. Die Topfschichten können gleich oder unterschiedlich dick sein.
Die erfindungsgemäße Topfschicht kann mit einer p-Verunreinigung oder n-Verunreinigung dotiert sein oder undotiert bleiben. Die Verunreinigung zum Dotieren der Topfschicht ist vorzugsweise eine n-Verunreinigung, was zur Verbesserung des Lichtemissionswirkungsgrads beiträgt. Da aber In und Al aufweisender Nitridhalbleiter in der Topfschicht verwendet wird, der zu unbefriedigender Kristallinität bei steigender Verunreinigungskonzentration führt, ist bevorzugt, die Verunreinigungskonzentration auf einen niedrigen Wert zu beschränken, um die Topfschicht mit guter Kristallinität zu bilden. Um die bestmögliche Kristallinität zu erreichen, wird die Topfschicht undotiert aufgewachsen, wobei die Verunreinigungskonzentration auf höchstens 5 × 10¹⁶/cm³ eingestellt ist, was bedeutet, daß im wesentlichen keine Verunreinigung vorliegt. Bei Dotierung der Topfschicht mit einer n-Verunreinigung ist die Verunreinigungskonzentration in einem Bereich von 5 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁸/cm³ gesteuert, was die Kristallinitätsbeeinträchtigung unterdrückt und die Trägerkonzentration erhöht, wodurch die Schwellenstromdichte und Vf verringert werden. Hierbei ist die Konzentration der n-Verunreinigung in der Topfschicht vorzugsweise so gesteuert, daß sie gleich oder kleiner als die Konzentration der n-Verunreinigung in der Sperrschicht ist, da dies in der Tendenz die Rekombination zur Lichtemission in der Topfschicht beschleunigt und die optische Ausgangsleistung erhöht. Hierbei können die Topfschichten und Sperrschichten auch ohne Dotierung so aufgewachsen werden, daß sie Teil der aktiven Schicht bilden. Im Fall der Mehrfachquantentopfstruktur, bei der mehrere Topfschichten in der aktiven Schicht vorgesehen sind, können unterschiedliche Topfschichten eine Verunreinigung in gleicher Konzentration aufweisen oder nicht aufweisen.
In einem mit einem großen Strom angesteuerten Bauelement (z. B. einer LD oder LED mit hoher Ausgangsleistung, Superfotolumineszenzdiode usw.) ist die Rekombination der Träger in den Topfschichten beschleunigt und tritt die Lichtemissionsrekombination mit höherer Wahrscheinlichkeit auf, wenn die Topfschichten undotiert sind und im wesentlichen keine n- Verunreinigung aufweisen. Sind dagegen die Topfschichten mit der n-Verunreinigung dotiert, steigt die Trägerkonzentration in den Topfschichten mit dem Ergebnis einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Lichtemissionsrekombination, was zu einem Teufelskreis führt, daß der Ansteuerstrom bei konstanter Ausgangsleistung steigt, und folglich bewirkt, daß die Bauelementzuverlässigkeit (Lebensdauer des Bauelements) erheblich abnimmt. Aus diesem Grund wird in einem solchen leistungsstarken Bauelement die n-Verunreinigungskonzentration in den Topfschichten auf höchstens 1 × 10¹⁸/cm³ gehalten, und vorzugsweise werden die Topfschichten ohne Dotierung oder mit einer solchen Konzentration aufgewachsen, die man als im wesentlichen ohne n-Verunreinigung betrachten kann, was ermöglicht, ein Nitridhalbleiterbauelement zu erzielen, das mit hoher Ausgangsleistung stabil arbeiten kann. In einem Laserbauelement, in dem die Topfschicht mit einer n-Verunreinigung dotiert ist, verbreitert sich in der Tendenz die Spektrumbreite der Spitzenwellenlänge des Laserlichts, weshalb die n-Verunreinigungskonzentration auf höchstens 1 × 10¹⁸/cm³ und vorzugsweise höchstens 1 × 10¹⁷/cm³ gehalten wird.
Erfindungsgemäß ist die Sperrschicht aus einem Al aufweisenden Nitridhalbleiter hergestellt, der mit kurzen Wellenlängen arbeitet. Notwendig ist, daß mindestens eine der in der aktiven Schicht gebildeten Sperrschichten aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet ist, und alle in der aktiven Schicht gebildeten Sperrschichten können aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet sein, oder einige Sperren in der aktiven Schicht können aus Nitridhalbleiter ohne Al hergestellt sein. Die Sperrschicht hat eine höhere Bandlückenenergie als die Topfschicht. In einem Bereich, in dem die Emissionswellenlänge der Topfschicht höchstens 375 nm beträgt, ist die entsprechende Sperrschicht vorzugsweise aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt. Ein Nitridhalbleiter mit der Zusammensetzung Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1, u + v < 1) kommt vorzugsweise für die Sperrschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter zum Einsatz. Insbesondere kann die Sperrschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter ein Quaternärverbindungshalbleiter AlInGaN sein, in dem der In-Mischanteil v in der o. g. Formel ungleich null ist, oder ein Tertiärverbindungshalbleiter AlGaN. Der Al-Anteil u in der Sperrschicht ist auf einen höheren Wert als der Al-Anteil x in der Topfschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter festgelegt, d. h. u > x, um für eine ausreichende Differenz der Bandlückenenergie zwischen der Topfschicht und Sperrschicht zu sorgen, was eine Quantentopfstruktur bildet, die einen zufriedenstellenden Lichtemissionswirkungsgrad für ein Laserbauelement und Lichtemissionsbauelement hat. Weist die Sperrschicht In auf (v > 0), ist der In-Anteil v vorzugsweise auf höchstens 0,1 festgelegt, um die Kristallinitätsbeeinträchtigung zu unterdrücken, und stärker bevorzugt auf höchstens 0,05. Übersteigt der In-Anteil v 0,1, reagieren Al und In schnell während des Kristallwachstums, was zu schlechter Kristallinität und dazu führt, daß kein guter Film gebildet werden kann. Ist der Anteil auf v ≤ 0,05 begrenzt, kann die Sperrschicht mit besserer Kristallinität gebildet sein. Der Bereich von In-Anteilen v in der Sperrschicht kann breiter als in der Topfschicht sein, in der die Rekombination zur Lichtemission auftritt. Auch weil die Differenz der Bandlückenenergie mit Hilfe des Al-Verhältnisses gewährleistet wird, kann ein solcher Anteil wie v ≥ u verwendet werden. Durch Festlegen der In-Anteile auf einen solchen Wert kann die kritische Dicke der Topfschicht und Sperrschicht geändert werden, so daß sich die Dicke in einer Quantentopfstruktur relativ frei festlegen und die aktive Schicht mit den gewünschten Kennwerten gestalten läßt.
Wie zuvor beschrieben, kann die erfindungsgemäße Sperrschicht aus In und Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt sein, insbesondere einem Quaternärverbindungshalblei ter Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 < v ≤ 1, u + v < 1), oder aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter mit einem In-Mischanteil nahe null, insbesondere Al_uGa_1-uN (0 < u ≤ 1), ähnlich wie die zuvor beschriebene Topfschicht für ein System mit kurzen Wellenlängen. Für einen Bereich mit längeren Wellenlängen kann ein In oder GaN aufweisender Nitridhalbleiter wie zuvor beschrieben verwendet werden, und insbesondere ermöglicht der Gebrauch von In_vGa_1-vN (0 ≤ v ≤ 1) breite Anwendungen auf den sichtbaren Bereich von ultraviolett bis rot.
In der aktiven Schicht der Quantentopfstruktur können die Sperrschichten abwechselnd mit den Topfschichten gebildet sein, oder mehrere Sperrschichten können für eine Topfschicht vorgesehen sein. Insbesondere können zwei oder mehr Sperrschichten durch Topfschichten eingefügt sein, wobei die Struktur mindestens eine erste Sperrschicht und die zweite Sperrschicht hat, und es kann auch eine solche Struktur vorgesehen sein, daß mehrere Filmsperrschichten und Topfschichten abwechselnd gestapelt sind.
Die Sperrschicht kann mit einer p-Verunreinigung oder einer n-Verunreinigung dotiert sein oder undotiert bleiben, was der zuvor beschriebenen Topfschicht ähnelt, wird aber vorzugsweise mit einer n-Verunreinigung dotiert oder undotiert aufgewachsen. Ist die Sperrschicht mit einer n-Verunreinigung dotiert, beträgt die Verunreinigungskonzentration mindestens 5 × 10¹⁶/cm³. Insbesondere im Fall einer LED ist die n-Verunreinigung mit einer Konzentration von 5 × 10¹⁶/cm³ bis 2 × 10¹⁸/cm³ zugegeben. In einer LED mit höherer Ausgangsleistung oder einer LD mit hoher Ausgabe ist die n-Verunreinigung mit einer Konzentration in einem Bereich von 5 × 10¹⁷/cm³ bis 1 × 10²⁰/cm³ oder stärker bevorzugt 1 × 10¹⁸/cm³ bis 5 × 10¹⁹/cm³ zugegeben. Ist die Sperrschicht mit einer so hohen Konzentration dotiert, wird die Topfschicht vorzugsweise so aufgewachsen, daß sie im wesentlichen keine n-Verunreinigung aufweist oder undotiert ist. Ist die Sperr schicht mit einer n-Verunreinigung dotiert, können alle Sperrschichten in der aktiven Schicht dotiert sein, oder ein Teil der Sperrschichten kann dotiert und der Rest undotiert aufgewachsen werden. Ist ein Teil der Sperrschichten mit einer n-Verunreinigung dotiert, ist bevorzugt, die auf der n-Seite in der aktiven Schicht liegende Sperrschicht zu dotieren. Insbesondere ist die n-te Sperrschicht Bn (n = 1, 2, 3, ...) in der Zählung von der n-Schichtseite dotiert, was bewirkt, daß Elektronen wirksam in die aktive Schicht injiziert werden, so daß ein Bauelement mit hohem Lichtemissionswirkungsgrad und hohem inneren Quantenwirkungsgrad erhalten werden kann. Dies ist nicht auf die Sperrschicht begrenzt, sondern gilt auch für die Topfschicht. Sind sowohl die Sperrschicht als auch die Topfschicht dotiert, so sind die n-te Sperrschicht Bn (n = 1, 2, 3, ...) und die m-te Topfschicht Wm (m = 1, 2, 3, ...) in der Zählung von der n-Schichtseite dotiert. Das heißt, o. g. Wirkungen lassen sich erreichen, wenn nahe der n-Schicht liegende Schichten dotiert sind.
Wie auch später beschriebene Ausführungsformen zeigen, führt bei Bereitstellung einer Mg-dotierten p-seitigen Elektroneneingrenzungsschicht speziell benachbart zur aktiven Schicht und/oder Sperrschicht die Dotierung mit einer n-Verunreinigung bei der p-seitigen Sperrschicht, die am nächsten zur p-Schichtseite liegt, in der aktiven Schicht zu Kodotierung infolge der Diffusion von Mg, was zur Beeinträchtigung der Funktion der aktiven Schicht führt. Ist daher die Mg-dotierte p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht vorgesehen, kann das o. g. Problem mit einem solchen Aufbau vermieden werden, daß die p-seitige Sperrschicht vorzugsweise im wesentlichen keine n-Verunreinigung aufweist, insbesondere nur eine Konzentration unter 5 × 10¹⁶/cm³.
Die Dicke der Sperrschicht ist in einem Bereich von 3 nm bis 30 nm festgelegt. Kristallinitätsbeeinträchtigung läßt sich verhindern, indem die Dicke auf höchstens 30 nm be schränkt ist, und eine zufriedenstellende Funktion der Sperrschicht kann erreicht werden, indem die Schicht mindestens 3 nm dick wird. Eine Schicht mit relativ gleichmäßiger Qualität kann mit besserer Funktionalität der Sperrschicht gebildet werden, wenn die Dicke mindestens 3 nm beträgt, und gute Kristallinität läßt sich erreichen, wenn die Dicke höchstens 20 nm beträgt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der aktiven Schicht mit einer erfindungsgemäßen Quantentopfstruktur für ein mit kurzen Wellenlängen arbeitendes Lichtemissionsbauelement verfügt über mindestens ein Paar Topfschichten, die aus einem Binärverbindungshalbleiter, Tertiärverbindungshalbleiter Al_xGa_1-xN (0 ≤ x < 1) oder Quaternärverbindungshalbleiter Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1) hergestellt sind, und Sperrschichten, die aus einem Quaternärverbindungshalbleiter Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u < 1, 0 < v < 1, u + v < 1) oder Tertiärverbindungshalbleiter Al_uGa_1-uN (0 < u < 1) hergestellt sind. Wie insbesondere als aktive Schicht 12 in 3A, 3B, 5A und 5B gezeigt ist, hat sie eine oder mehrere Topfschichten aus AlGaN oder AlInGaN und zwei oder mehr Sperrschichten aus InAlGaN oder AlGaN, was Topfschichten mit ausgezeichnetem inneren Quantenwirkungsgrad und Lichtemissionswirkungsgrad erzeugt. Außerdem kann durch Steuern des Al-Gehalts im Al aufweisenden Nitridhalbleiter die Topfschicht befähigt werden, Licht im kurzen Wellenlängenbereich unter 375 nm zu emittieren, was 3A und 3B zeigen. Eine ausgezeichnete Sperrschicht, die im kurzen Wellenlängenbereich arbeitet, kann durch Bilden der Sperrschicht 2 mit einer höheren Bandlückenenergie als die Topfschicht 1 aus InAlGaN oder AlGaN hergestellt sein.
Aktive Schicht sowie diese einfügende Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp Näher beschrieben werden nachstehend die Struktur der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die die aktive Schicht 12 einfügen, insbesondere die Beziehung zwischen den nahe der aktiven Schicht gebildeten Schichten, die speziell so gebildet sind, daß sie an die aktive Schicht angrenzen, und der aktiven Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die herkömmliche Laserbauelementstruktur hat die Bandstruktur gemäß 4A und 4B und eine Variation des Al-Mischkristallverhältnisses in der gestapelten Schichtstruktur von 2a gemäß 7, in der die Bandlückenenergie in der Reihenfolge von den optischen Leiterschichten 26, 29, die die aktive Schicht einfügen, zu den Mantelschichten 25, 30 steigt, die diese von außen einfügen. Beispielsweise erhält ein auf der Basis von AlGaN/InGaN mit 410 nm Wellenlänge arbeitendes Nitridhalbleiter-Laserbauelement die Bandlückenstruktur des herkömmlichen Laserbauelements durch Ersetzen mit dem In-Mischanteil in der aktiven Schicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie im Vergleich zum Bezugspunkt 0 hat, der für das Al-Verhältnis in den optischen Leiterschichten 26, 29 in 7 angenommen ist. Für ein weiteres herkömmliches Halbleiterlaserbauelement auf der Basis von. AlGaN, das mit kurzen Wellenlängen im ultravioletten Bereich gemäß 7 arbeitet, wurde eine solche Struktur vorgeschlagen, daß das Al-Mischkristallverhältnis in der Reihenfolge von den außerhalb der aktiven Schicht liegenden optischen Leiterschichten 26, 29 zu den außen liegenden Mantelschichten erhöht ist, weshalb die Bandlückenenergie von der aktiven Schicht nach außen steigt, was 4A und 4B zeigen. Im herkömmlichen Nitridhalbleiter-Laserbauelement auf der Basis von AlGaN, das Licht im ultravioletten Bereich emittiert, wurde zudem eine solche Struktur wie die des zuvor beschriebenen Laserbauele ments mit Ausnahme der Mantelschicht oder der optischen Leiterschicht vorgeschlagen. Insbesondere wurde eine Schicht mit einer hohen Bandlückenenergie gebildet, indem das Al-Verhältnis in der lichtemittierenden Schicht (aktiven Schicht 27) in einer Struktur erhöht wurde, in der die optischen Leiterschichten 26, 29 und die Mantelschichten 25, 30 gemäß 7 für die Trägereingrenzungsschicht verwendet werden. Da aber in einer solchen Struktur das Verhältnis von Al nach außen zunehmend steigt, verursachten Kristallinitätsbeeinträchtigung und Rißbildung erhebliche Probleme.
Erfindungsgemäß wird das Auftreten von Rissen, die mit der zuvor beschriebenen herkömmlichen Struktur einhergehen, unterdrückt und kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur ermöglicht, indem eine solche Struktur erzeugt wird, daß gegenüber der in der aktiven Schicht vorgesehenen Sperrschicht 2 gemäß 2A und 2B die Bandlückenenergie gesenkt und das Al-Mischkristallverhältnis in den optischen Leiterschichten 26, 29 verringert ist, die die aktive Schicht 27 einfügen. Insbesondere ist die erste Halbleiterschicht 26 in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet, und die Bandlückenenergie ist niedriger als in der Sperrschicht, speziell in der ersten Sperrschicht 2a, die in der aktiven Schicht vorgesehen ist, so daß das Al-Mischkristallverhältnis in der ersten Halbleiterschicht niedriger als in der Sperrschicht in der aktiven Schicht ist, die in einem kurzen Wellenlängenbereich arbeitet. Hierbei ist die Beziehung zwischen der Topfschicht und ersten Halbleiterschicht so, daß die Bandlückenenergie in der ersten Halbleiterschicht höher als in der Topfschicht ist, die in der aktiven Schicht liegt, um Rekombination zur Lichtemission zu bewirken. Diese Beziehung kann auch auf die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp angewendet sein. Insbesondere ist in der zweiten Halbleiterschicht 29, die in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, die Bandlückenenergie niedriger und das Al-Mischkri stallverhältnis verringert, vergleicht man sie mit der in der aktiven Schicht vorgesehenen Sperrschicht 2. Durch Anordnen der ersten Halbleiterschicht (zweiten Halbleiterschicht) mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis als in diesen Sperrschichten nahe der aktiven Schicht, vorzugsweise angrenzend an die aktive Schicht, kann die aktive Schicht mit guten Trägereingrenzungskennwerten und guter Kristallinität gebildet sein. Bei Verwendung dieser Schichten in der optischen Leiterschicht kann eine Wellenleiterstruktur gebildet sein, die für einen kurzen Wellenlängenbereich geeignet ist. Im folgenden wird dies näher beschrieben.
Das Nitridhalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat eine solche Struktur wie in 2A und 3A, in der die aktive Schicht 12 zwischen der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist. Speziell sind eine Kontaktschicht 23, eine untere Mantelschicht 25 und eine untere optische Leiterschicht 26 als Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp nacheinander gestapelt, worauf eine aktive Schicht 27 gebildet ist, und eine Trägereingrenzungsschicht 28, eine obere optische Leiterschicht 29, eine obere Mantelschicht 30 und eine Kontaktschicht 24 sind als Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der aktiven Schicht nacheinander gestapelt. Die Anordnung der Trägereingrenzungsschicht, optischen Leiterschicht, oberen Mantelschicht und Kontaktschicht, die aneinandergrenzen, ist nicht auf die kontaktierende Konfiguration gemäß 2A beschränkt, und diese Schichten können durch andere, dazwischen eingefügte Schichten getrennt sein. 2A ist eine Schnittansicht der Stapelstruktur des Bauelements, das die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur hat. 3A zeigt eine Stapelstruktur 40 der aktiven Schicht und der Schichten die zum Einfügen der aktiven Schicht angeordnet sind, und 3B zeigt eine Bandstruktur 41, die in Entsprechung zur Stapelstruktur 40 vorgespannt ist, wobei die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp auf der n-Schichtseite festgelegt und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der p-Schichtseite festgelegt ist. Gleiches gilt für die Bandstruktur 41 gemäß 4A, 4B, 5A und 5B, in denen leere Kreise Löcher und schwarze Kreise Elektronenträger bezeichnen. Pfeile dienen zur schematischen Anzeige der Bewegung der Träger, und Umkehrpfeile dienen zur Anzeige der Trägereingrenzung durch Band-Offset. Durchgezogene Linien bezeichnen das Leitungsband E_C und Valenzband E_V, und gestrichelte Linien bezeichnen das Ferminiveau E_F. Wie aus 3A hervorgeht, sind die erste Halbleiterschicht und zweite Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die Sperrschichten 2a, 2b, die die Topfschicht 1 einfügen, so angeordnet, daß sie die aktive Schicht einfügen und werden als obere und untere optische Leiterschicht verwendet. In diesem Fall ist die Trägereingrenzungsschicht 28 in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p-Schichtseite) nahe der aktiven Schicht, vorzugsweise daran angrenzend, zwischen der Schicht 29 vom zweiten Leitfähigkeitstyp und der aktiven Schicht 27 vorgesehen. Dadurch sind Löcher infolge der Sperrschicht 2a in der aktiven Schicht in der Topfschicht eingegrenzt, und Elektronen sind in der Trägereingrenzungsschicht 28 eingegrenzt, die an die Sperrschicht 2b und/oder die aktive Schicht 27 angrenzt. In der herkömmlichen Bandstruktur gemäß 4A und 4B ist der Offset zur Trägereingrenzung zwischen der Schicht 26 vom ersten Leitfähigkeitstyp sowie der aktiven Schicht 27 und Sperrschicht 2 vorgesehen, während eine Nitridhalbleiterschicht oder optische Leiterschicht 26, die eine höhere Bandlückenenergie als die aktive Schicht 27 und Sperrschicht 2a hat, so vorgesehen ist, daß sie an die aktive Schicht angrenzt und als Trägereingrenzungsschicht fungiert. Allerdings ist die erste Halbleiterschicht 26, die an die aktive Schicht 27 und Sperrschicht 2a angrenzt, nicht in einer solchen Struktur gebildet, die die Träger in der aktiven Schicht eingrenzt, und die Träger sind in der Topfschicht 1a durch die erste Sperrschicht 2a eingegrenzt, die am nächsten zur Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt.
Im folgenden wird die Beziehung zwischen der Topfschicht, Sperrschicht und ersten Halbleiterschicht (zweiten Halbleiterschicht) beschrieben. Das Nitridhalbleiterbauelement der Erfindung hat eine solche Struktur, daß die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp wie zuvor beschrieben gestapelt sind. Hier wird eine solche Konfiguration beschrieben, daß die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht mit einem n-Nitridhalbleiter ist und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht mit einem p-Nitridhalbleiter ist. In der aktiven Schicht mit der Quantentopfstruktur wird die am nächsten zur n-Schicht liegende n-Sperrschicht als erste Sperrschicht bezeichnet, und die am nächsten zur p-Schicht liegende p-Sperrschicht wird zweite Sperrschicht genannt. Erfindungsgemäß ist die Bandlückenenergie der ersten Halbleiterschicht vorzugsweise höher als die der ersten Sperrschicht bezogen auf die erste Halbleiterschicht, die in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp (n-Schicht) nahe der n-seitigen Sperrschicht vorgesehen ist. Die aktive Schicht der Erfindung hat mindestens die erste Sperrschicht, die zweite Sperrschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die zuerst genannte und mindestens eine dazwischen angeordnete Topfschicht. Notwendig ist, die zweite Sperrschicht näher zur Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp (n-Schicht) als die Topfschicht zu plazieren und die zweite Sperrschicht näher zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p-Schicht) zu plazieren. Daher ist bevorzugt, die zweite Sperrschicht (p-Sperrschicht) näher zur p-Schicht als mindestens eine Topfschicht anzuordnen, um die Topfschicht mindestens zwischen der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht einzufügen. Grund dafür ist, daß die erste Sperr schicht und zweite Sperrschicht, die zum Einfügen der Topfschicht vorgesehen sind, die Sperrschichten sind, die an Positionen vorgesehen sind, die am nächsten zur n-Schicht bzw. am nächsten zur p-Schicht liegen, und unterschiedliche Funktionen haben.
Die erste Sperrschicht ist die Sperrschicht, die an einer Position vorgesehen ist, die am nächsten zur p-Schicht in der aktiven Schicht liegt, und ist vorzugsweise an einer zur n-Schicht nächstgelegenen Position vorgesehen und liegt in der aktiven Schicht am weitesten außen. Stärker bevorzugt ist die erste Sperrschicht in Kontakt mit der n-Schicht und ersten Halbleiterschicht vorgesehen. Dies ist wie folgt begründet: Ist die erste Sperrschicht über die Topfschicht von der n-Schicht getrennt vorgesehen, werden z. B. in der Ausführungsform gemäß 4B Träger in die Topfschicht injiziert, die auf der n-Schichtseite näher als die erste Sperrschicht 2a liegt, was bewirkt, daß Träger zur n-Schichtseite überlaufen, während Unterdrückung des Überlaufs zur n-Schichtseite durch Verdicken der ersten Sperrschicht es unmöglich macht, die Träger in die auf der n-Schichtseite liegende Topfschicht zu injizieren, was die Funktion der Topfschicht beeinträchtigt, Rekombination zur Lichtemission zu bewirken. Dagegen fungiert die erste Sperrschicht als Sperre zum Eingrenzen der Träger in der Topfschicht, die in der aktiven Schicht liegt, die durch die erste Sperrschicht und die p-Schicht eingefügt ist, und ferner wirkt die zweite Sperrschicht als Sperre zum Eingrenzen der Träger in der Topfschicht, die durch die zweite Sperrschicht und die n-Schicht eingefügt ist. Andererseits haben die durch die Topfschichten eingefügten Sperrschichten, z. B. die Sperrschichten 2c, 2d gemäß 5A und 5B, die Funktion zum Eingrenzen der Träger, während die Träger unter den Topfschichten verteilt werden, was sich von der Funktion der Sperrschicht unterscheidet, die zwischen der ersten Sperrschicht, zweiten Sperrschicht und Topfschicht liegt. Um daher maximalen Gebrauch von der Funktion der ersten Sperrschicht zu machen, ist es notwendig, die Träger in der aktiven Schicht zufriedenstellend einzugrenzen, indem die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht an äußersten Positionen in der aktiven Schicht angeordnet sind.
Bezüglich der zweiten Sperrschicht können zusätzlich zu dieser zweiten Sperrschicht gemäß der vorstehenden Beschreibung die Träger in den Topfschichten eingegrenzt werden, die in Entsprechung zur asymmetrischen Sperrschichtstruktur in der aktiven Schicht vorgesehen sind, indem die später zu beschreibende Trägereingrenzungsschicht auf der Außenseite der aktiven Schicht, vorzugsweise in Kontakt mit der aktiven Schicht, in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp (p-Schicht) vorgesehen ist. Somit wird es durch Anordnen der Trägereingrenzungsschicht außerhalb der aktiven Schicht zusätzlich zur zweiten Sperrschicht möglich, die Träger zufriedenstellend einzugrenzen und in die aktive Schicht zu injizieren, insbesondere in die Topfschicht, indem das Problem abgeschwächt wird, daß Elektronen im Nitridhalbleiter leichter diffundieren und eine längere Diffusionsentfernung als Löcher haben. Ähnlich wie die erste Sperrschicht liegt die zweite Sperrschicht näher zur p-Schicht (Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp) als die Topfschicht, stärker bevorzugt liegt sie am nächsten zur p-Schicht, und am stärksten bevorzugt liegt sie an einer zur p-Schicht nächstgelegenen Position und ist die äußerste in der aktiven Schicht, was zufriedenstellende Trägerinjektion ermöglicht. Während die zweite Sperrschicht auch getrennt von der Trägereingrenzungsschicht liegen kann, ist die zweite Sperrschicht vorzugsweise in Kontakt mit der Trägereingrenzungsschicht 28 in der p-Schicht gebildet, so daß die Trägerinjektion in die Topfschicht durch die zweite Sperrschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht gegenüber der Trägereingren zungsschicht gefördert ist, die eine höhere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht hat.
Andere Sperrschichten als die äußersten Sperrschichten unter den in der aktiven Schicht gebildeten Sperrschichten, z. B. der ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht, die näher zur Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp als die Topfschicht in der aktiven Schicht liegen, können mit Innensperrschichten 2c, 2d vorgesehen sein, die durch die Topfschicht 1a und Topfschicht 1b sowie die Topfschicht 1b und die Topfschicht 1c gemäß 5A und 5B eingefügt sind. Besonders im Fall der Mehrfachquantentopfstruktur können die Träger unter den mehreren Topfschichten zufriedenstellend verteilt, darin injiziert und eingegrenzt werden, indem die durch die Topfschichten eingefügten Innensperrschichten verwendet werden. Das heißt, die Innensperrschichten haben eine andere Funktion als die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht und können dünner als die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht hergestellt sein, um die Quantentopfstruktur zu bilden, ohne die Funktion der durch die Topfschichten eingefügten Sperrschicht zu beeinträchtigen, was zur Einschränkung der Dicke der gesamten aktiven Schicht und zum Verhindern eines Anstiegs von Vf vorteilhaft ist. Ist gemäß 5A die Innensperrschicht 2c so gebildet, daß sie eine höhere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht hat, müssen die aus der Schicht vom jeweiligen Leitfähigkeitstyp injizierten Träger, die an die aktive Schicht angrenzt, die zwischen den Topfschichten liegenden größeren Innensperrschichten 2c, 2d überwinden, was zu geringerem Wirkungsgrad der Trägerinjektion in die Topfschicht führt, die auf der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, indem die Innensperrschicht überwunden wird. Sind die durch die Topfschichten eingefügten Sperrschichten 2c, 2d mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht gemäß 5B gebildet, ist die Eingrenzungsfunktion der an den Innenpositionen liegenden Sperrschicht geschwächt, und die Funktion der außen liegenden ersten Sperrschicht und zweiten Sperrschicht ist bezogen auf diese Sperrschichten verstärkt. Daher bilden die Außensperrschichten eine größere Sperre, auch wenn die Anzahl von Topfschichten erhöht ist, so daß zufriedenstellende Injektion der Träger in die Topfschichten und Eingrenzung darin erreicht werden kann. Das heißt, indem die Bandlückenenergie der Innensperrschichten gegenüber der ersten Sperrschicht gemäß 5B verringert ist, erhält die erste Sperrschicht, die am weitesten entfernt liegt, die höchste Bandlückenenergie, so daß die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in die Topfschichten zufriedenstellend injiziert werden können. Bevorzugt ist, daß die Bandlückenenergie der Innensperrschicht eine andere als die der zweiten Sperrschicht ist, so daß die Bandlückenenergie der Sperrschichten von der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp schrittweise zunimmt, was zufriedenstellende Trägerinjektion in die Topfschichten gemäß 5B ermöglicht.
Da wie zuvor beschrieben die erste Sperrschicht und zweite Sperrschicht, die Außensperrschichten sind, andere Funktionen als die Sperrschichten haben, die durch die innen liegenden Topfschichten eingefügt sind, kann ein Bauelement mit gewünschten Kennwerten mit einer Struktur hergestellt werden, in der sich Filmdicke, Bandlückenenergie und Zusammensetzung zwischen den Innensperrschichten und Außensperrschichten unterscheiden. Wie 5B auch zeigt, ist es gleichfalls möglich, daß sich Filmdicke, Bandlückenenergie und Zusammensetzung zwischen den Innensperrschichten in einer aktiven Schicht unterscheiden, die mehrere Innensperrschichten hat, oder alternativ Filmdicke, Bandlückenenergie und Zusammensetzung nahezu gleich sein können. Den Innensperrschichten wird eine vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßige Funktion verliehen, indem Filmdicke, Bandlückenenergie und Zusammensetzung nahezu gleich gestaltet sind, wodurch Träger in die Topfschichten zufriedenstellend injiziert werden können.
Aus dem o. g. Grund ist die am nächsten zur n-Schichtseite liegende erste Sperrschicht 2a vorzugsweise mit einer n-Verunreinigung dotiert, und die am nächsten zur p-Schichtseite liegende zweite Sperrschicht ist vorzugsweise im wesentlichen nicht mit einer n-Verunreinigung dotiert, wobei die Verunreinigungskonzentration höchstens 5 × 10¹⁶/cm³ beträgt. Grund dafür ist, daß viele in Nitridhalbleitern verwendete p-Verunreinigungen eine hohe Diffusionstendenz haben, z. B. können Mg und Zn, die verbreitet zum Einsatz kommen, in einer Stapelstruktur weit diffundieren. Sind also die Sperrschichten mit einer p-Verunreinigung dotiert, diffundiert die Verunreinigung in die angrenzende Topfschicht, wodurch sie die Rekombination der Träger zur Lichtemission in der Topfschicht behindert. Bevorzugt ist, die nahe der p-Schicht liegende zweite Sperrschicht undotiert aufzuwachsen, was eine Unterdrückungswirkung auf die Diffusion der Verunreinigung aus der p-Schicht in die Sperrschicht hat, was die weitere Diffusion der Verunreinigung in die Topfschicht verhindert. Da besonders im Fall der vorhandenen Trägereingrenzungsschicht 28 in der p-Schicht, die nahe der zweiten Sperrschicht angeordnet ist, vorzugsweise in Kontakt mit der zweiten Sperrschicht, die Trägereingrenzungsschicht dazu neigt, einen relativ hohen Widerstand zu haben, besteht eine Tendenz zur starken Dotierung mit einer p-Verunreinigung. Somit wird die Diffusion dieser Verunreinigung zu einem Problem, das durch undotiertes Aufwachsen der zweiten Sperrschicht gelöst werden kann, was diffusionsbedingte Funktionsbeeinträchtigung der Topfschicht verhindert. Auch weil ein p-n-Übergang in der Umgebung der Trägereingrenzungsschicht gebildet ist und die Trägereingrenzungsschicht in der Tendenz mit dem höchsten Al- Mischkristallverhältnis im Bauelement gemäß 3A, 3B, 5A und 5B gebildet ist, wird eine hohe piezoelektrische Spannung durch den Nitridhalbleiter mit hohem Al-Mischkristallverhältnis angelegt, was zu einer negativen Auswirkung auf die Topfschicht führt, die durch undotiertes Aufwachsen der zweiten Sperrschicht unterdrückt werden kann, die ein niedrigeres Al-Mischkristallverhältnis als die Trägereingrenzungsschicht hat.
Ist die erste Sperrschicht dicker als die zweite Sperrschicht, kann durch Bereitstellen der Trägereingrenzungsschicht 28 in der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, um die Trägereingrenzungsfunktion in der aktiven Schicht durch die zweite Sperrschicht zu verringern, die die Sperrschicht ist, die ähnlich wie die Innensperrschichten mit der Trägereingrenzungsschicht 28 funktioniert, um eine Struktur zu bilden, die die Trägereingrenzung hauptsächlich in der aktiven Schicht erreicht, die Dicke der gesamten aktiven Schicht verringert werden, was zur Senkung von Vf beiträgt, und da im Nitridhalbleiter die Diffusionslänge von Löchern verglichen mit der Diffusionslänge von Elektronen ausreichend kurz und die erste Sperrschicht, die als Injektionsstelle für Löcher dient, dünn ist, kann die Trägerinjektion in die Topfschicht effizient erfolgen und ist bevorzugt. Ist andererseits die mit der p-Verunreinigung dotierte Trägereingrenzungsschicht 28 vorgesehen oder hat die zweite Halbleiterschicht 29, die nahe der aktiven Schicht liegt, vorzugsweise in Kontakt mit der aktiven Schicht, eine höhere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht, liegt eine Schicht mit einem hohen Al-Mischkristallverhältnis benachbart zur aktiven Schicht. Da eine Schicht mit einem hohen Al-Mischkristallverhältnis einen hohen Widerstand hat, wird im Betrieb des Bauelements erhebliche Wärme in dieser Schicht erzeugt, was eine negative Auswirkung auf die Topfschicht hat, die zu Beeinträchtigung der Bauelementkennwerte führt, wenn diese Schicht nahe der Topf schicht liegt. Ist ein p-n-Übergang in der Grenzfläche zwischen einer solchen Schicht mit hohem Al-Mischkristallverhältnis und der aktiven Schicht oder auf der aktiven Schichtseite der Schicht mit hohem Al-Mischkristallverhältnis oder in ihrer Umgebung gebildet oder ist eine Topfschicht der aktiven Schicht vorgesehen, neigt gemäß 3A, 3B, 5A und 5B die Vorspannung dazu, eine negative Auswirkung auf die Rekombination zur Lichtemission in der Topfschicht zu haben. Das heißt, die erste Sperrschicht wird vorzugsweise veranlaßt, als Abstandshalter zur Trennung der Topfschicht und der Schicht mit hohem Al-Mischkristallverhältnis zu dienen, um so zu verhindern, daß die negative Auswirkung der Schicht mit hohem Al-Mischkristallverhältnis die Topfschicht beeinflußt. In diesem Fall beträgt die Dicke der ersten Sperrschicht mindestens 20 Å, was ermöglicht, die Abstandshalterfunktion zu realisieren, und vorzugsweise mindestens 40 Å, was den Einfluß auf die Topfschicht unterdrückt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In der Bauelementstruktur der Erfindung ist eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur zwischen der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eingefügt, wobei die aktive Schicht, die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus Nitridhalbleiter hergestellt sind. Insbesondere hat gemäß 2A das Bauelement eine solche Struktur, daß die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht 12 und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf dem Substrat 21 gestapelt sind, wobei die aktive Schicht in einer Quantentopfstruktur mit mindestens einer Sperrschicht und einer Topfschicht hergestellt ist. Die aktive Schicht mit der Quantentopfstruktur zwischen der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp hat gemäß der Stapelstruktur von 3A die ers te Sperrschicht 2a, die auf der Seite der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, die zweite Sperrschicht 2b, die auf der Seite der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp liegt, und mindestens eine Topfschicht 1, die zwischen der ersten Sperrschicht 2a und zweiten Sperrschicht 2b eingefügt ist. Insbesondere sind die erste Sperrschicht 2a und zweite Sperrschicht 2b vorzugsweise Sperrschichten, die auf der Seite der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp bzw. Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp liegen und befinden sich an den äußersten Positionen in der aktiven Schicht. Dies bedeutet, daß die innen liegenden Innensperrschichten 2c, 2d Funktionen haben, die sich von denen der ersten Sperrschicht 2a und zweiten Sperrschicht 2b gemäß 5A und 5B unterscheiden.
Die Erfindung hat ein solches Merkmal, daß in der aktiven Schicht, die die zuvor beschriebenen Sperrschichten hat, die zweite Sperrschicht 2b eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a hat. Da insbesondere gemäß 3A, 3B, 5A und 5B die zweite Sperrschicht 2b eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a hat, stößt der Weg 51 der Trägerinjektion aus der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf eine geringere Sperre als der Weg 52 des herkömmlichen Bauelements gemäß dem Zeichnungspfeil, was wirksame Trägerinjektion in die Topfschicht 1a ermöglicht. Die Träger auf der Seite der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp sind in der Topfschicht 1a durch die erste Sperrschicht 2a auf der Seite der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp eingegrenzt, die eine höhere Bandlückenenergie hat. Bevorzugt ist, daß die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht ist, was bewirkt, daß eine höhere Sperre auf der Valenzbandseite verglichen mit der Leitungsbandseite gemäß 3A, 3B, 5A und 5B gebildet ist, wodurch zufriedenstellende Injektion und Eingrenzung von Löchern auch mit einem so dünnen Film wie der Sperrschicht und einer nied rigen Sperre in einem System erreicht werden, das wie der Nitridhalbleiter kürzere Diffusionslängen für Löcher und Elektronen ermöglicht. Außerdem ist in der Bauelementstruktur mit der n-Schichtseite 11 und p-Schichtseite 13 in der Tendenz ein p-n-Übergang nahe der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht und p-Schicht 13 im Nitridhalbleiterbauelement gemäß 3A, 3B, 5A und 5B gebildet, und folglich neigt die höhere Bandlückenenergie der zweiten Sperrschicht 2b dazu, die Sperre gegen Lochinjektion zu erhöhen.
Betrachtet man die Eingrenzung von Elektronen in der Bauelementstruktur, in der die aktive Schicht zwischen der n-Schichtseite 11 und p-Schichtseite 13 vorgesehen ist, ist der zuvor beschriebene p-n-Übergang nahe der Trägereingrenzungsschicht 28 gebildet, indem die Trägereingrenzungsschicht 28 zur Eingrenzung von Elektronen nahe der aktiven Schicht in der p-Schicht 13 gemäß 3A, 3B, 5A und 5B vorgesehen und eine zum Eingrenzen von Elektronen geeignete Sperre gebildet ist, die vorzugsweise in Verbindung mit der o. g. Sperrschicht verwendet wird. Stärker bevorzugt ist die Trägereingrenzungsschicht 28 in Kontakt mit der zweiten Sperrschicht 2b gebildet, die als äußerste Schicht auf der Seite der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der aktiven Schicht 27 gemäß 3A vorgesehen ist, wobei in diesem Fall eine Struktur zum zufriedenstellenden Eingrenzen der Träger aus der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet ist, die mit der zweiten Sperrschicht 2b mit einer geringen Sperre schwierig einzugrenzen sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung kommt in Kombination mit der ersten Ausführungsform zum Einsatz. Insbesondere ist die erste Halbleiterschicht 26 mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a auf der Seite der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp gemäß 3A, 3B, 5A und 5B vorgesehen, und die zweite Halbleiterschicht 29 mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperr schickt 2a ist auf der Seite der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen. Bei Bereitstellung der zweiten Halbleiterschicht 29 auf der Seite der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist bevorzugt, die zweite Halbleiterschicht 29 von der aktiven Schicht über die Trägereingrenzungsschicht 28 getrennt vorzusehen, d. h. die Trägereingrenzungsschicht 28 zwischen der zweiten Halbleiterschicht 29 und aktiven Schicht 12 vorzusehen.
Ist die Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die aktive Schicht 12, insbesondere die erste Sperrschicht 2a, die die höchste Bandlückenenergie in der aktiven Schicht 12 hat, auf der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen, die die aktive Schicht 12 einfügen, lassen sich Kennwerte des mit kurzen Wellenlängen arbeitenden lichtemittierenden Bauelements verbessern. Grund dafür ist,, daß es im zuvor gemäß 4A und 4B beschriebenen herkömmlichen lichtemittierenden Nitridhalbleiterbauelement, das mit kurzen Wellenlängen arbeitet, notwendig ist, eine Schicht mit einer höheren Bandlückenenergie als die der aktiven Schicht vorzusehen, d. h. eine Schicht mit einem höheren Al-Mischkristallverhältnis, was die Kristallinität infolge des Effekts der Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten o. ä. beeinträchtigt. Erfindungsgemäß können anders als im herkömmlichen Bauelement die aktive Schicht und ein Bauelement mit guter Kristallinität gebildet werden, indem die Schicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie als die aktive Schicht hat, auf der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist, die die aktive Schicht 12 einfügen. Wie auch in einem Beispiel gezeigt wird, kann im Bauelement, das durch Bilden der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp, der aktiven Schicht 12 und der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp in dieser Reihenfolge hergestellt ist, die aktive Schicht mit guter Kristallinität durch Unterdrücken des Al-Mischkristallverhältnisses in der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet sein, die unter der aktiven Schicht 12 liegt. Auch durch Bereitstellen der Schicht, die ein niedrigeres Al-Mischkristallverhältnis als die aktive Schicht 12 hat, besonders die Sperrschicht 2a, auf der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die die aktive Schicht einfügen, ist es möglich, die starke Spannung abzubauen, die auf die aktive Schicht durch den Al aufweisenden Nitridhalbleiter ausgeübt wird, und eine aktive Schicht zu bilden, die ein höheres Ansteuervermögen des Bauelements hat.
Im folgenden werden die im Bauelement der Erfindung verwendeten Schichten anhand von Ausführungsformen für Anwendungen mit kurzen Wellenlängen näher beschrieben.
Laserbauelement, Wellenleiterstruktur
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Laserbauelement und ein lichtemittierendes Stirnflächenbauelement mit einer solchen Nitridhalbleiterstruktur, daß die aktive Schicht zwischen der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eingefügt ist. Speziell sind gemäß 2A die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht 12 und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf dem Substrat gestapelt, und mindestens die erste optische Leiterschicht 26 ist in der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen, und die zweite optische Leiterschicht 29 ist in der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen, um die aktive Schicht zwischen der ersten und zweiten optische Leiterschicht 26, 29 einzufügen, während ein Wellenleiter aus der ersten und zweiten optischen Leiterschicht und der dazwischen vorgesehenen aktiven Schicht gebildet ist. Hat weiterhin die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp die untere Mantelschicht 25 und hat die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp die obere Mantelschicht 30, wird der Bereich, der die aktive Schicht aufweist und zwi schen der oberen und unteren Mantelschicht 25, 30 eingefügt ist, zum Wellenleiter. Ist eine optische Leiterschicht im Wellenleiter vorgesehen, der zwischen der oberen und unteren Mantelschicht 25, 30 eingefügt ist, sinkt die Schwellenstromdichte, und ein Laserbauelement mit hoher Ausgangsleistung wird erhalten. Im folgenden wird eine solche Bauelementstruktur beschrieben, die mit einer optischen Leiterschicht im Wellenleiter versehen ist, der mit kurzen Wellenlängen einer breiten Bandlückenkonfiguration mit einer Bandlückenenergie der Topfschicht arbeitet, die etwa gleich oder höher als die von GaN ist.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung sind gemäß 2A die aktive Schicht 12, die in der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehene erste optische Leiterschicht 26 und die in der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehene zweite optische Leiterschicht 29 als Wellenleiter vorgesehen, so daß das Bauelement eine solche Struktur hat, daß der Wellenleiter bereitgestellt ist, der die aktive Schicht verwendet, die mit höchstens 380 nm Wellenlänge wie zuvor beschrieben arbeitet.
Der Wellenleiter soll hauptsächlich Licht aus der aktiven Schicht leiten. Lichtemissionswirkungsgrad, Schwellenstromdichte und andere Kennwerte des Laserbauelements und lichtemittierenden Stirnflächenbauelements variieren in Abhängigkeit von der Wellenleiterstruktur. Während die optischen Leiterschichten so gebildet sind, daß sie die aktive Schicht beschreibungsgemäß einfügen, kann es ausreichen, eine optische Leiterschicht auf der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und/oder Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorzusehen, das heißt, entweder die erste optische Leiterschicht oder die zweite optische Leiterschicht bereitzustellen. Allerdings ist bevorzugt, die optischen Leiterschichten auf beiden Seiten der aktiven Schicht vorzusehen, so daß die Schwellenstromdichte abnimmt und das Laserbauelement mit hoher Ausgangsleistung erhalten wird.
Für die erfindungsgemäße erste optische Leiterschicht 26 und zweite optische Leiterschicht 29 wird Al aufweisender Nitridhalbleiter verwendet. Ferner ist gemäß der Bandstruktur 41 in 3B, 5A und 5B der Wellenleiter hergestellt, indem die Bandlückenenergie höher als mindestens die der Topfschicht 1 in der aktiven Schicht 27 mit der Quantentopfstruktur festgelegt ist und die Brechzahldifferenz zwischen der aktiven Schicht 27 und den optischen Leiterschichten 26, 29 gebildet ist. Die optischen Leiterschichten 26, 29 können alle niedrigere Bandlückenenergien als die Sperrschicht gemäß 3B, 5A und 5B haben, oder eine größere Schicht als die Sperrschicht kann als Teil der optischen Leiterschicht gemäß 4A und 4B vorgesehen sein. In diesem Fall kann der optischen Leiterschicht mit Ausnahme der ersten Sperrschicht oder mindestens einem Teil von ihr eine höhere Bandlückenenergie als die der Sperrschicht verliehen sein, oder die Bandlückenenergie der optischen Leiterschicht kann höher als die der Innensperrschicht und zweiten Sperrschicht sein, d. h. eines Teils der in der aktiven Schicht vorgesehenen Sperrschichten gemäß 5B. Das heißt, bevorzugt ist, daß die optische Leiterschicht die erste Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht hat, und stärker bevorzugt haben alle optischen Leiterschichten niedrigere Bandlückenenergien als die erste Sperrschicht in der die erste Halbleiterschicht aufweisenden optischen Leiterschicht oder in der optischen Mehrfachfilmleiterschicht, die andere Schichten als die erste Halbleiterschicht hat, was ermöglicht, die Funktion der ersten Sperrschicht als Trägereingrenzungsschicht zufriedenstellend zu realisieren. Ist die optische Leiterschicht mit einem niedrigen Al-Mischkristallverhältnis so gebildet, daß sie die untere optischen Leiterschicht bildet, so kann dadurch z. B. ein lichtemittierendes Bauelement und Laserbauelement mit guten Kennwerten hergestellt sein, indem eine gute Topfschicht durch Unterdrücken der Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters gebildet ist. Hierbei ist stärker bevorzugt, die Bandlückenenergie eines Teils oder vorzugsweise der gesamten optischen Leiterschicht niedriger als die der Innensperrschicht und stärker bevorzugt niedriger als die der ersten Sperrschicht zu machen, wodurch ein noch besseres Bauelement zustande kommt. Das heißt, in dem zuvor beschriebenen, mit kurzen Wellenlängen arbeitenden System ist das Al-Mischkristallverhältnis eines Teils oder vorzugsweise der gesamten optischen Leiterschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter niedriger als das der Innensperrschicht und stärker bevorzugt niedriger als das der zweiten Sperrschicht. Alternativ kann auch ein solcher Aufbau zum Einsatz kommen, daß die erste Halbleiterschicht als solche vorgesehen ist, ähnlich wie die Bereitstellung der optischen Leiterschicht in der Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp, wenn die optische Leiterschicht in der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, und die zweite Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht auch vorgesehen sein kann, deren Wirkung der der ersten Halbleiterschicht ähnelt. Ist weiterhin die zweite Halbleiterschicht in der oberen optischen Leiterschicht vorgesehen, so ist die optische Leiterschicht insbesondere mit einer Halbleiterzusammensetzung In_αAl_βGa_1-α-βN (0 ≤ α, 0 < β, α + β ≤ 1) hergestellt. Vorzugsweise weist der Nitridhalbleiter kein In auf, d. h. der In-Gehaltsanteil im Nitridhalbleiter ist auf null festgelegt, um die Lichtabsorption zu verhindern, die in Gegenwart von In auftritt, wodurch ein Wellenleiter gebildet ist, in dem die optische Dämpfung auf einen niedrigen Wert unterdrückt ist. Bevorzugt kommt Al_βGa_1-βN (0 ≤ β ≤ 1) zum Einsatz, was einen Wellenleiter erzeugt, der auf einen breiten Wellenlängenbereich vom ultravioletten bis zum infra roten Spektrum angewendet werden kann. Um Licht mit kurzen Wellenlängen von höchstens 380 nm zu leiten, wird vorzugsweise Al_βGa_1-βN (0 < β ≤ 1) verwendet. Grund dafür ist, daß GaN das Licht im o. g. kurzen Wellenlängenbereich absorbiert, was zu optischer Dämpfung führt, die eine negative Auswirkung auf die Schwellenstromdichte und optischen Ausgangsstromkennwerte hat. Insbesondere ist der Al-Anteil β in der optischen Leiterschicht so festgelegt, daß die Bandlückenenergie E_g der optischen Leiterschicht mindestens 0,05 eV höher als die Photonenenergie E_p des aus der aktiven Schicht emittierten Lichts ist (E_g – E_p ≥ 0,05 eV). Dies erzeugt einen Wellenleiter, in dem die optische Dämpfung durch die Leiterschicht im o. g. kurzen Wellenlängenbereich unterdrückt ist. Stärker bevorzugt ist die Energielücke auf E_g – E_p ≥ 0,1 eV festgelegt, wodurch ein ausgezeichneter Wellenleiter erhalten werden kann. Somit kann ein ausgezeichnete Bauelementkennwerte ermöglichender Wellenleiter durch Erfüllung der zuvor beschriebenen Bedingungen und Bildung der optischen Leiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht gebildet sein.
Die erste optische Leiterschicht 26 und/oder zweite optische Leiterschicht 29 können als Einzelfilm oder Mehrschichtfilm gebildet sein. Bei Bildung der optischen Leiterschicht als einzelnen Nitridhalbleiterfilm wird die Stapelstruktur 40 mit der ersten optischen Leiterschicht 26 und zweiten optischen Leiterschicht 29 gebildet, die die aktive Schicht 27 gemäß 3A einfügen, deren Bandstruktur so ist, daß die Bandlückenenergie höher als die der aktiven Schicht wird. Insbesondere wird o. g. Al_βGa_1-βN (0 ≤ β ≤ 1) verwendet. Im o. g. kurzen Wellenlängenbereich kommt Al_βGa_1-βN (0 < β ≤ 1) zum Einsatz, und stärker bevorzugt ist der Al-Anteil β in der ersten optischen Leiterschicht und zweiten optischen Leiterschicht so gesteuert, daß die Bandlückenenergie E_g der er sten optischen Leiterschicht und zweiten optischen Leiterschicht mindestens 0,05 eV höher als die Photonenenergie E_p ist (E_g – E_p ≥ 0,05 eV, vorzugsweise E_g – E_p ≥ 0,1 eV).
Keine Einschränkung gilt für die Dicke der ersten optischen Leiterschicht 26 und zweiten optischen Leiterschicht 29. Insbesondere liegt die Dicke in einem Bereich von 10 nm bis 5 μm, vorzugsweise 20 nm bis 1 μm und stärker bevorzugt 50 nm bis 300 nm. Ist die Schicht mindestens 10 nm dick, funktioniert sie als Leiterschicht, bei mindestens 20 nm Dicke läßt sich ein solcher Wellenleiter bilden, der die Schwellenstromdichte verringert, und ist die Schicht mindestens 50 nm dick, sinkt die Schwellenstromdichte weiter. Ist die Schicht höchstens 5 μm dick, funktioniert sie als Leiterschicht, bei mindestens 1 μm läßt sich ein solcher Wellenleiter bilden, der die optische Dämpfung verringert, und ist sie höchstens 300 nm dick, läßt sich die optische Dämpfung weiter verringern.
Die optische Leiterschicht kann aus Nitridhalbleiter als Mehrschichtfilm gebildet sein, wobei in diesem Fall vorzugsweise ein Nitridhalbleiter verwendet wird, der kein In aufweist. Weiterhin wird Al_βGa_1-βN (0 ≤ β ≤ 1) verwendet, und im zuvor beschriebenen kurzen Wellenlängenbereich kommt AlβGa_1-βN (0 < β ≤ 1) vorzugsweise zum Einsatz. Dieser Nitridhalbleiter wird zur Herstellung eines Mehrschichtfilms verwendet, in dem Nitridhalbleiterschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet sind, mindestens eine in jeder optischen Leiterschicht. Insbesondere werden eine erste Schicht und eine sich von der ersten Schicht unterscheidende zweite Schicht in der ersten optischen Leiterschicht 26 verwendet, während eine dritte Schicht und eine sich von der dritten Schicht unterscheidende vierte Schicht in der zweiten optischen Leiterschicht 29 verwendet werden. Die erste bis vierte Schicht sind aus Nitridhalbleitern hergestellt. Somit kann eine Mehr schichtfilmstruktur mit unterschiedlichen Werten der Bandlückenenergie und Brechzahl durch ein unterschiedliches Al-Verhältnis zwischen der ersten Schicht und zweiten Schicht sowie zwischen der dritten Schicht und vierten Schicht in jeder Leiterschicht gebildet sein.
Beispielsweise ist in der Struktur, in der die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp gestapelt sind, eine solche Struktur gebildet, daß die erste optische Leiterschicht die erste Schicht und zweite Schicht hat und die zweite optische Leiterschicht die dritte Schicht und vierte Schicht hat, wobei die zweite Schicht und dritte Schicht auf der Seite der aktiven Schicht liegen und die erste Schicht und vierte Schicht an Positionen liegen, die von der aktiven Schicht entfernt sind, so daß die Bandlückenenergie zur aktiven Schicht schrittweise abnimmt. Insbesondere sind die Al-Anteile β2 und β3 in der zweiten Schicht und dritten Schicht, die auf der Seite der aktiven Schicht liegen, niedriger als die Al-Anteile β1 und β4 in der ersten Schicht und vierten Schicht, die von der Seite der aktiven Schicht entfernt liegen (β1 > β2, β4 > β3), was zu einer abgestuften Bandstruktur führt, wodurch die Träger wirksam in die aktive Schicht injiziert werden können, die im Wellenleiter gebildet ist, wobei die aktive Schicht und ihre Umgebung eine höhere Brechzahl haben, was eine solche Struktur bildet, daß Licht im Wellenleiter stärker um die aktive Schicht verteilt wird. Der Grund für die Herstellung der optischen Leiterschichten als Mehrschichtstruktur ist, daß ein höheres Al-Verhältnis zu schlechter Kristallinität führt, und ist es wegen Beeinträchtigung der Kristallinität oder Bauelementkennwerten schwierig, die optische Leiterschicht in einem Einzelfilm zu bilden, kann Kristallinitätsbeeinträchtigung durch Bilden eines Mehrschichtfilms unterdrückt werden. Möglich ist auch ein Aufbau, bei dem die Al-Anteile auf (β1 < β2 und β4 < β3 statt β1 > β2 und β4 > β3 wie zuvor beschrieben festgelegt sind, so daß die Leiterschichten (zweite Schicht und dritte Schicht), die nahe der aktiven Schicht liegen, eine höhere Bandlückenenergie und niedrigere Brechzahl haben, während die Leiterschichten (erste Schicht und vierte Schicht), die von der aktiven Schicht entfernt liegen, eine niedrigere Bandlückenenergie und höhere Brechzahl haben. Allerdings ist die Festlegung von β1 > β2 und β4 > β3 bevorzugt, um bessere Trägerinjektion und Lichtverteilung zu erreichen. Bei Bildung der optischen Leiterschichten als Mehrschichtstruktur kann jede optische Leiterschicht auch aus drei oder mehr Schichten statt der zuvor beschriebenen ersten bis vierten Schicht so aufgebaut sein, daß die erste Schicht (dritte Schicht) und zweite Schicht (vierte Schicht) abwechselnd gestapelt sind, d. h. mehrere Paare aus der ersten Schicht und zweiten Schicht gestapelt sind, um die Leiterschicht zu bilden. Bei Bildung der optischen Leiterschichten als Mehrschichtstruktur wird eine mittlere Zusammensetzung der gesamten optischen Leiterschichten in der Berechnung der Ungleichung E_g – E_p ≥ 0,05 eV verwendet. Ist beispielsweise die erste optische Leiterschicht aus der ersten Schicht gebildet, die aus Al_β1Ga_1-β1N (0 < β1 ≤ 1) mit einer Dicke d₁ und Al_β2Ga_1-β2N (0 < β2 ≤ 1, β1 ≠ β2) mit einer Dicke d₂ hergestellt ist, so ist der mittlere Al-Anteil βm durch Gewichten des Anteils mit der Dicke jeder Schicht gegeben, d. h. βm = (d₁ × β1 + d₂ × β2)/(d₁ + d₂).
Die optische Leiterschicht der Erfindung kann als GRIN-(Gradientenindex-)Struktur mit gradierter Zusammensetzung so gebildet sein, daß die Bandlückenenergie mit abnehmender Entfernung von der aktiven Schicht sinkt. Insbesondere kann eine GRIN-Struktur gebildet und der Trägerinjektionswirkungsgrad verbessert sein, indem der Al-Anteil β so graduell geändert ist, daß der Al-Anteil β mit abnehmender Entfernung von der aktiven Schicht sinkt. Realisieren läßt sich die gradierte Zusammensetzung durch kontinuierliches Ändern der Zusammensetzung gemäß 8A oder schrittweises Ändern der Zusammensetzung. Auch in der Supergitter-Mehrschichtfilmstruktur, z. B. der zuvor beschriebenen Struktur, in der mehrere Paare aus der ersten Schicht und zweiten Schicht abwechselnd gestapelt sind, um die erste optische Leiterschicht zu bilden, kann bewirkt werden, daß die Bandlückenenergie mit abnehmender Entfernung von der aktiven Schicht sinkt, indem das Al-Verhältnis so gesteuert wird, daß es sich in einer gradierten Verteilung ändert. In diesem Fall kann nur eine der Schichten, z. B. die erste Schicht, mit gradierter Zusammensetzung gebildet sein, oder alle das Paar bildenden Schichten, z. B. die erste Schicht und zweite Schicht, können mit gradierter Zusammensetzung gebildet sein. Eine gradierte Zusammensetzung kann in Dickenrichtung der optischen Leiterschicht teilweise vorgesehen sein, während bevorzugt ist, eine gradierte Zusammensetzung in Dickenrichtung des gesamten Bereichs vorzusehen, wodurch der Trägerinjektionswirkungsgrad verbessert werden kann.
Die optische Leiterschicht mit einem Mehrschichtfilmaufbau kann auch eine Supergitterstruktur haben. Durch Gebrauch einer Supergitterstruktur kann die Beeinträchtigung der Kristallinität infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters unterdrückt und der Wellenleiter mit guter Kristallinität gebildet werden. Insbesondere ist die erste optische Leiterschicht 26 durch zwei- oder mehrfaches abwechselndes Stapeln der ersten Schicht und zweiten Schicht für eine der Schichten gebildet, vorzugsweise durch zwei- oder mehrfaches für beide Schichten, oder das Paar aus der ersten Schicht und zweiten Schicht ist mehrfach gestapelt. Während die Zusammensetzung des Nitridhalbleiters die gleiche wie zuvor beschrieben ist, sind vorzugsweise die erste Schicht und zweite Schicht aus Al_β1Ga_1-β1N (0 ≤ β1 ≤ 1) bzw. Al_β2Ga_1-β2N (0 ≤ β2 ≤ 1, β1 ≠ β2) oder aus Al_β1Ga_1-β1N (0 < β1 ≤ 1) bzw. Al_β2Ga_1-β2N (0 < β2 ≤ 1, β1 ≠ β2) für den zuvor beschriebenen kurzen Wellenlängenbereich hergestellt, wodurch ein Wellenleiter gebildet werden kann, der die optische Dämpfung und die Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge der Supergitterstruktur unterdrückt. Zur Bildung der optischen Leiterschicht mit einer Supergitterstruktur ist jede den Mehrschichtfilm bildende Schicht auf eine solche Dicke festgelegt, daß ein Supergitter gebildet sein kann. Während die Dicke von der Zusammensetzung und der Kombination der Schichten abhängt, kommt eine Dicke von höchstens 10 nm, vorzugsweise höchstens 7,5 nm zum Einsatz, was gute Kristallinität gewährleistet, und stärker bevorzugt werden höchstens 5 nm verwendet, um bessere Kristallinität zu erreichen.
Die optische Leiterschicht der Erfindung ist vorzugsweise mit einer Verunreinigung von jedem Leitfähigkeitstyp mindestens in einem Teil der Schicht dotiert, um zufriedenstellende Bewegung und Injektion der Träger zu erreichen. Die optische Leiterschicht kann teilweise oder insgesamt dotiert sein. Bei der optischen Leiterschicht mit der Mehrschichtstruktur können in der ersten optischen Leiterschicht mit der ersten Schicht und zweiten Schicht beide dotiert sein, oder die erste Schicht und zweite Schicht können in unterschiedlichen Konzentrationen dotiert sein, oder es kann eine modulierte Dotierung zum Einsatz kommen, bei der eine Schicht dotiert und die andere undotiert ist. Beispielsweise kann in einer solchen Supergitter-Mehrschichtstruktur, in der die erste Schicht und zweite Schicht in der zuvor beschriebenen ersten optischen Schicht abwechselnd gestapelt oder mehrere Paare vorgesehen sind, Beeinträchtigung der Kristallinität unterdrückt sein, indem die modulierte Dotierung verwendet wird, bei der nur eine der Schichten, z. B. die erste Schicht, dotiert ist. Stärker bevorzugt ist, nur die Schicht zu dotieren, die einen geringeren Al-Gehalt hat, was ermög licht, die Schicht mit guter Kristallinität zu dotieren, wodurch die Beeinträchtigung der Kristallinität unterdrückt und Aktivierung durch Dotieren mit einer Verunreinigung erreicht wird. Grund dafür ist, daß in der ersten optischen Leiterschicht mit der Supergitterstruktur, die die erste Schicht und zweite Schicht aufweist, die Zusammensetzungen von Al_β1Ga_1-β1N (0 ≤ β1 ≤ 1) bzw. Al_β2Ga_1-β2N (0 < β2 ≤ 1, β1 ≠ β2) haben, durch Dotieren der zweiten Schicht, die einen geringeren Al-Gehalt hat, und durch undotiertes Belassen der ersten Schicht die Kristallinität der zweiten Schicht mit niedrigerem Al-Gehalt besser als die der ersten Schicht wird, und folglich kann durch Dotieren der Schicht mit besserer Kristallinität mit der Verunreinigung eine höhere Aktivierung und ausgezeichnete Trägerbewegung und -injektion der optischen Leiterschicht erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Dotieren der optischen Leiterschicht mit der Verunreinigung ist so, daß gemäß der sich ändernden Dotierungskonzentration in 8A bis 8D in der ersten und zweiten optischen Leiterschicht 26, 29 die Konzentration der Dotierungsverunreinigung mit abnehmender Entfernung von der aktiven Schicht sinkt. Ist die Konzentration der Dotierungsverunreinigung in einem Bereich nahe der aktiven Schicht niedriger als in einem von der aktiven Schicht entfernten Bereich, läßt sich die optische Dämpfung im Wellenleiter weiter verringern, insbesondere in der optischen Leiterschicht, wodurch das Licht zufriedenstellend geleitet wird, während die Schwellenstromdichte und der Ansteuerstrom verringert sind. Grund dafür ist, daß die Lichtausbreitung durch einen mit einer Verunreinigung dotierten Bereich zu optischer Dämpfung infolge von Lichtabsorption durch die Verunreinigung führt. Zusätzlich hat der Wellenleiter eine solche Struktur, daß die aktive Schicht 27 zwischen der ersten optischen Leiterschicht 26 und zweiten optischen Leiterschicht 29 eingefügt ist, während Licht im Wellenleiter durch eine sol che Struktur eingegrenzt ist, daß die Außenseite der Leiterschicht oder des Wellenleiters zwischen der oberen und unteren Mantelschicht 25, 30 eingefügt ist, die eine niedrigere Brechzahl als die Leiterschicht haben. Viel Licht wird in der im Wellenleiter vorgesehenen aktiven Schicht 27 und in der Umgebung der aktiven Schicht verteilt. Daher ist durch niedrigeres Festlegen der Konzentration der Dotierungsverunreinigung im Bereich nahe der aktiven Schicht, d. h. durch Bereitstellen eines Bereichs mit niedriger Verunreinigungskonzentration in der aktiven Schicht und eines Bereichs mit hoher Verunreinigungskonzentration an dessen Außenseite (von der aktiven Schicht entfernter Bereich), die optische Dämpfung in dem Bereich verringert, in dem viel Licht verteilt wird, wodurch der Wellenleiter einer geringeren optischen Dämpfung unterliegt. Insbesondere betrachtet man in der ersten optischen Leiterschicht 26 und zweiten optischen Leiterschicht 29 einen Bereich nahe der aktiven Schicht und einen von der aktiven Schicht entfernten Bereich, die durch eine Ebene aufgeteilt sind, die den Halbdickenpunkt jeder Schicht durchläuft, und legt die Konzentration der Verunreinigung von einem Leitfähigkeitstyp im Bereich nahe der aktiven Schicht niedriger als in dem von der aktiven Schicht entfernten Bereich fest, so daß der Bereich nahe der aktiven Schicht zu einem Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration und der von der aktiven Schicht entfernte Bereich zu einem Bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration wird. Keine spezielle Einschränkung gilt für die Verunreinigungskonzentration in der optischen Leiterschicht, und die Konzentration im Bereich nahe der aktiven Schicht ist auf höchstens 5 × 10¹⁷/cm³ festgelegt. Hierbei bedeutet Dotieren mit einer Verunreinigung, daß die erste optische Leiterschicht mit einer Verunreinigung vom ersten Leitfähigkeitstyp dotiert und die zweite optische Leiterschicht mit einer Verunreinigung vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist.
Wege zur Änderung der Dotierungskonzentration in der optischen Leiterschicht können sein, die Dotierungskonzentration graduell und kontinuierlich zur aktiven Schicht in jeder optischen Leiterschicht zu verringern (mit 42a bezeichnet), die Dotierungskonzentration schrittweise zu senken (mit 42b bezeichnet) oder die Schrittgröße der schrittweisen Verringerung der Dotierungskonzentration so zu reduzieren, daß die Dotierungskonzentration in der optischen Leiterschicht lokal differenziert ist (mit 42c bezeichnet), oder diese Wege können kombiniert sein. Vorzugsweise bleibt in der optischen Leiterschicht ein Bereich in einem Abstand von höchstens 50 nm von der aktiven Schicht undotiert (Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration), wodurch die optische Dämpfung reduziert sein kann, und stärker bevorzugt bleibt ein Bereich in höchstens 100 nm Abstand von der aktiven Schicht undotiert (Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration), wodurch die optische Dämpfung, die Schwellenstromdichte und der Ansteuerstrom wirksam verringert sein können. Ist der undotierte Bereich (Bereich mit niedriger Verunreinigungskonzentration) der Bereich in einem Abstand von höchstens 50 nm von der aktiven Schicht, beträgt die Dicke der optischen Leiterschicht mindestens 50 nm, und liegt der Bereich höchstens 100 nm von der aktiven Schicht, beträgt die Dicke der optischen Leiterschicht natürlich mindestens 100 nm. Ist der undotierte Bereich in der optischen Leiterschicht vorgesehen, so ist er mit der optischen Leiterschicht mit der o. g. gradierten Zusammensetzung kombiniert. Grund dafür ist, daß gemäß 8A die Bandlückenenergie mit abnehmendem Abstand zur aktiven Schicht sinkt, und es wird eine optische Leiterschicht erhalten, bei der ein Rückgang des Trägerinjektionswirkungsgrads verhindert ist, auch wenn der undotierte Bereich in der Umgebung der aktiven Schicht vorgesehen ist. Hierbei hat die optische Leiterschicht mit der gradierten Zusammensetzung eine o. g. GRIN-Struktur. Auch wenn die Bandlückenenergie mit ab nehmendem Abstand zur aktiven Schicht in der o. g. Mehrschiochtstruktur sinkt, ist es wirksam, den undotierten Bereich zu bilden. In jeder optischen Leiterschicht kann eine Verunreinigung aus benachbarten Schichten auch bei undotiertem Aufwachsen diffundieren, d. h. wenn die optische Leiterschicht undotiert aufgewachsen ist, wobei in diesem Fall der ohne Dotierung aufgewachsene Bereich mit der Verunreinigung dotiert wird. Insbesondere hat Mg, das als p-Verunreinigung vorzugsweise verwendet wird, eine hohe Diffusionsneigung und kann aus der benachbarten Elektroneneingrenzungsschicht und der Mantelschicht diffundieren, wodurch die Schicht mit der p-Verunreinigung dotiert wird, auch wenn die optische p-Leiterschicht ohne Dotierung gebildet ist, was Beispiel 1 zeigt. Kommt es zu Dotierung mit der Verunreinigung infolge von Diffusion, wird wie zuvor beschrieben die Verunreinigungskonzentration im Bereich nahe der aktiven Schicht niedriger als im entfernten Bereich. Ein solcher dotierter Bereich ist vorzugsweise mindestens in einer der optischen Leiterschichten und stärker bevorzugt in beiden optischen Leiterschichten vorgesehen, was den Wellenleiter weniger anfällig für optische Dämpfung macht. Die Bezugszahlen 61, 62 in 8B bis 8D bezeichnen Änderungen der Dotierungskonzentration in den optischen Leiterschichten.
Schichtaufbau, Art der Dotierung mit einer Verunreinigung, Zusammensetzung und Dicke können in der ersten optischen Leiterschicht und zweiten optischen Leiterschicht gleich oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel können beide optische Leiterschichten unterschiedlich aufgebaut sein, wobei die erste optische Leiterschicht ein Einzelfilm und die zweite optische Leiterschicht ein Mehrschichtfilm ist.
Mantelschicht
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Nitridhalbleiterbauelement eine solche Struktur haben, daß die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp gestapelt sind, wobei die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine untere Mantelschicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine obere Mantelschicht hat. Insbesondere sind gemäß 2A die Schicht 11 vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht 12 und die Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf einem Substrat gestapelt, während die untere Mantelschicht 25 in der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen und die obere Mantelschicht 30 in der Schicht 13 vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, wobei die obere und untere Mantelschicht 25, 30 die aktive Schicht einfügen. Verwendet werden kann auch ein solcher Aufbau, bei dem die optische Eingrenzung in der unteren Mantelschicht 25 und oberen Mantelschicht 30 erfolgt und die optische Leiterschicht im Wellenleiter vorgesehen ist, der zwischen den o. g. beiden Schichten eingefügt ist. Im folgenden wird die Bauelementstruktur mit den Mantelschichten beschrieben.
Zusammensetzungen der oberen Mantelschicht 25 und unteren Mantelschicht 30 sind gemäß der Bandstruktur 41 in 3B, 5A und 5B so, daß die Bandlückenenergie höher als die der aktiven Schicht (Topfschicht) ist, während wenn das Laserbauelement und lichtemittierende Stirnflächenbauelement die erste und zweite optische Leiterschicht 26, 29 hat, die Bandlückenenergie mindestens gleich der der optischen Leiterschicht festgelegt ist, so daß die Brechzahl niedriger als die der optischen Leiterschicht ist. Dies bezweckt, daß die obere und untere Mantelschicht als Trägereingrenzungsschicht und optische Eingrenzungsschicht fungieren. Bei Bereitstellung einer optischen Leiterschicht ist veranlaßt, daß sie als optische Eingrenzungsschicht funktioniert. Die Mantelschicht ist vorzugsweise aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet, insbesondere Nitridhalbleiter In_aAl_bGa_1-a-bN (0 ≤ a, 0 < b, a + b ≤ 1). Vorzugsweise wird ein Nitridhalbleiter verwendet, bei dem der Anteil a des In-Gehalts null ist, da In aufweisender Nitridhalbleiter in der Tendenz optische Dämpfung infolge der Lichtabsorption in der Mantelschicht verursacht. Somit kommt bevorzugt ein Nitridhalbleiter mit der Zusammensetzung Al_bGa_1-b N (0 < b ≤ 1) zum Einsatz, um zufriedenstellende optische Eingrenzung und bei nicht vorgesehener Leiterschicht zufriedenstellende Trägereingrenzung zu erreichen. Im Laserbauelement und lichtemittierenden Stirnflächenbauelement mit einer solchen Struktur, daß der Wellenleiter zwischen der oberen und unteren Mantelschicht eingefügt ist, ist eine ausreichende Brechzahldifferenz zwischen dem Wellenleiter und der Mantelschicht vorgesehen, insbesondere zwischen der aktiven Schicht und/oder der optischen Leiterschicht, so daß Licht im Wellenleiter eingegrenzt und Licht darin geleitet wird. Vorgesehen ist eine solche Brechzahldifferenz vorzugsweise durch Verwendung von Al_bGa_1-bN (0 < b ≤ 1), und eine ausreichende Brechzahldifferenz läßt sich erhalten, indem eine Beziehung β ≤ b mit dem Al-Gehalt (mittlerer Anteil) β in der optischen Leiterschicht erfüllt ist, vorzugsweise indem b – β ≥ 0,05 erfüllt ist. Da die optische Eingrenzung durch die Mantelschicht nur von der Dicke der Mantelschicht abhängt, wird die Zusammensetzung des Nitridhalbleiters bestimmt, während auch die Dicke berücksichtigt wird. In den Beispielen der Erfindung kann eine ausreichende Brechzahldifferenz gegenüber der optischen Leiterschicht zur optischen Eingrenzung vorgesehen und die Mantelschicht mit ausreichender Dicke gebildet sein, da das Al-Mischkristallverhältnis (mittlere Zusammensetzung) in den Mantelschichten niedriger als das der ersten Sperrschicht gemäß 2B ist. Das heißt, durch Bilden der Mantelschicht mit einer gewünschten Brechzahldifferenz gegenüber der optischen Leiterschicht, die ein niedrigeres Al-Mischkristallverhältnis als die aktive Schicht hat, insbesondere die erste Sperrschicht, wird es möglich, das Al-Mischkristallverhältnis in der Mantelschicht zu senken. Da zudem im Beispiel die optische Leiterschicht mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis als die zweite Sperrschicht gebildet ist, ist das Al-Mischkristallverhältnis in der Mantelschicht so weit wie möglich unterdrückt, so daß ein mit kurzen Wellenlängen arbeitendes Nitridhalbleiterbauelement mit ausgezeichneten Bauelementkennwerten erhalten werden kann.
Die Mantelschicht der Erfindung kann als Einzelfilm, Mehrschichtfilm oder Mehrschicht-Supergitterstruktur ähnlich wie die zuvor beschriebene optische Leiterschicht gebildet sein. Ist die Mantelschicht als Einzelfilm gebildet, erleichtert die Bildung des Einzelfilms aus dem o. g. Nitridhalbleiter, die Trägereingrenzungsstruktur zu gestalten und die erforderliche Zeit zum Aufwachsen der Mantelschicht zu verkürzen, vergleicht man dies mit einem Mehrschichtfilm. Andererseits ist es schwierig, einen solchen Al aufweisenden Nitridhalbleiter wie AlGaN mit guter Kristallinität aufzuwachsen, und es kommt leichter zu Rißbildung, wenn der Film dicker als ein bestimmter Wert aufgewachsen wird.
Ist die Mantelschicht als Mehrschichtfilm gebildet, sind mehrere Nitridhalbleiterschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gestapelt. Insbesondere sind mehrere Nitridhalbleiterschichten mit unterschiedlichen Al-Gehaltsanteilen gestapelt. Durch Bilden eines solchen Mehrschichtfilms wird es möglich, die Kristallinitätsbeeinträchtigung und Rißbildung zu unterdrücken, zu der es bei einem Einzelfilm kommt. Gebildet wird der Mehrschichtfilm insbesondere durch Stapeln einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht mit einer anderen Zusammensetzung als die erste Schicht, wodurch mehrere Schichten gebildet werden, die unterschiedliche Brechzahl- und Bandlückenenergiewerte haben. Zum Beispiel kann der Mehrschichtfilm durch Stapeln der ersten Schicht mit einem Al-Gehaltsanteil b1 und der zweiten Schicht mit einem Al-Gehaltsanteil b2 (b1 ≠ b2) gebildet sein. Sind hierbei die Al- Gehaltsanteile so festgelegt, daß b1 < b2 ist (0 ≤ b1, b2 ≤ 1), läßt sich eine hohe Brechzahl und eine hohe Bandlückenenergie durch die erste Schicht erhalten, die einen hohen Al-Gehalt hat, und die Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge der Bildung der ersten Schicht kann mit Hilfe der zweiten Schicht unterdrückt sein, die einen niedrigeren Al-Gehalt hat. Außerdem können mehr Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gestapelt sein, z. B. durch Stapeln der ersten Schicht und zweiten Schicht und anschließendes Stapeln einer dritten Schicht, die eine andere Zusammensetzung als die zweite Schicht hat. Die erste Schicht und zweite Schicht können auch abwechselnd gestapelt sein. Mehrere Paare aus mindestens der ersten Schicht und zweiten Schicht können ebenfalls gebildet sein. Eine solche Mehrschichtstruktur ermöglicht, eine zur optischen Eingrenzung erforderliche Filmdicke zu erreichen, da Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters unterdrückt und die Dicke erhöht sein kann.
In der Mantelschicht mit der Mehrschichtstruktur ist bevorzugt, eine Supergitterstruktur zu bilden, wodurch die Mantelschicht mit besserer Kristallinität gebildet sein kann. Die Supergitterstruktur ist mindestens in einem Teil der Mantelschicht und vorzugsweise in der gesamten Mantelschicht gebildet, was ermöglicht, die Mantelschicht mit besserer Kristallinität zu bilden. Hierbei ist ähnlich wie bei der optischen Leiterschicht die Supergitterstruktur gebildet, indem mehrere Paare aus mindestens der ersten Schicht und zweiten Schicht gestapelt sind oder mehrere Paare aus mindestens der ersten Schicht und zweiten Schicht gestapelt sind. Während die Dicke jeder die Supergitterstruktur bildenden Schicht von der Zusammensetzung und der Kombination der Schichten abhängt, kommt eine Dicke von höchstens 10 nm, vorzugsweise höchstens 7,5 nm zum Einsatz, was gute Kristallinität gewähr leistet, und stärker bevorzugt werden höchstens 5 nm verwendet, um bessere Kristallinität zu erreichen.
Die Mantelschicht ist vorzugsweise mit einer Verunreinigung von jedem Leitfähigkeitstyp dotiert und kann ähnlich wie die optische Leiterschicht teilweise oder insgesamt dotiert sein. Im Fall der Mehrschichtstruktur können ähnlich wie bei der optischen Leiterschicht sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht dotiert sein, oder die erste Schicht und zweite Schicht können in unterschiedlichen Konzentrationen dotiert sein, oder moduliertes Dotieren kann genutzt werden, bei dem eine Schicht dotiert und die andere undotiert ist. Zum Beispiel kann in der Supergitterstruktur mit der ersten Schicht und zweiten Schicht, die Zusammensetzungen von Al_b1Ga_1-b1N (0 ≤ b1 ≤ 1) bzw. Al_b2Ga_1-b2N (0 < b2 ≤ 1, b1 < b2) haben, durch Dotieren der zweiten Schicht, die einen geringeren Al-Gehalt hat, und undotiertes belassen der ersten Schicht die Kristallinität ähnlich wie bei der optischen Leiterschicht verbessert sein.
Während die Dicke der Mantelschicht nicht eingeschränkt ist, liegt die Dicke in einem Bereich von 10 nm bis 2 μm, vorzugsweise 50 nm bis 1 μm. Grund dafür ist, daß die Trägereingrenzung möglich wird, wenn die Dicke mindestens 10 nm beträgt, und Kristallinitätsbeeinträchtigung läßt sich durch Festlegen der Dicke auf höchstens 2 μm unterdrücken. Ferner werden Trägereingrenzung und Anwendung auf ein Laserbauelement und lichtemittierendes Stirnflächenbauelement möglich, wenn die Dicke mindestens 50 nm beträgt, und die Mantelschicht läßt sich mit guter Kristallinität bilden, indem die Dicke auf höchstens 1 μm festgelegt ist.
Vorzugsweise sind die obere Mantelschicht und untere Mantelschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt, der mit kurzen Wellenlängen arbeitet, wodurch eine große Brechzahldifferenz zwischen dem Wellenleiter und den Mantelschichten gewährleistet sein kann. Bevorzugt ist, daß der Nitridhalbleiter zur Bildung der Mantelschichten kein In aufweist, da In aufweisender Nitridhalbleiter zu niedriger Kristallinität führt. In einer Struktur mit einer p-seitigen Mantelschicht auf der aktiven Schicht bewirkt insbesondere der Gebrauch von In aufweisendem Nitridhalbleiter in der p-seitigen Mantelschicht eine erhebliche Kristallinitätsbeeinträchtigung, was zu starker Verschlechterung der Bauelementkennwerte führt. Der für die Mantelschicht verwendete Nitridhalbleiter ist vorzugsweise Al_bGa_1-bN (0 < b < 1).
Trägereingrenzungsschicht (p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht)
Erfindungsgemäß ist entsprechend der Bandstruktur 41 in 3A, 5A und 5B bevorzugt, die Trägereingrenzungsschicht 28 in der aktiven Schicht 27 oder nahe der aktiven Schicht in Kombination mit der asymmetrischen Struktur der ersten und zweiten Sperrschicht in der aktiven Schicht vorzusehen. Bei einer Struktur, die die optischen Leiterschichten 26, 29 und die Mantelschichten 25, 30 wie im Fall des Laserbauelements und lichtemittierenden Stirnflächenbauelements hat, ist die Trägereingrenzungsschicht vorzugsweise zwischen den optischen Leiterschichten 26, 29 und der aktiven Schicht 27 oder als Teil der aktiven Schicht der optischen Leiterschicht gemäß 2A, 3A, 5A und 5B vorgesehen. Die Trägereingrenzungsschicht grenzt die Träger in der aktiven Schicht oder in der Topfschicht ein und ermöglicht, die Träger am Überlauf aus der aktiven Schicht durch Temperaturerhöhung durch Ansteuern des Bauelements und Erhöhung der Stromdichte im Laserbauelement oder lichtemittierenden Bauelement mit hoher Ausgangsleistung zu hindern. Dadurch wird eine Struktur erhalten, bei der die Träger in die aktive Schicht injiziert werden können. Insbesondere werden gemäß 3A, 5A und 5B die Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp durch die Trägereingrenzungsschicht 28b eingegrenzt, die auf der Seite der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp liegt, und die Träger aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp werden durch die Trägereingrenzungsschicht 28a eingegrenzt, die auf der Seite der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt. Vorzugsweise ist die Trägereingrenzungsschicht mindestens auf einer Seite vorgesehen, und in einem solchen Bauelement, bei dem die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht und die Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht nach Beispiel 1 ist, ist die Trägereingrenzungsschicht vorzugsweise mindestens auf der p-Schichtseite vorgesehen. Grund dafür ist, daß die Diffusionslänge von Elektronen größer als die Diffusionslänge von Löchern im Nitridhalbleiter ist, Elektronen leichter aus der aktiven Schicht überlaufen und daher ein Laserbauelement oder lichtemittierendes Bauelement mit hoher Ausgangsleistung durch Bereitstellen der Trägereingrenzungsschicht 28 erhalten werden kann, die Elektronen auf der p-Schichtseite eingrenzt. Im folgenden wird ein Bauelement, das die zweite Sperrschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie kombiniert, im Beispiel beschrieben, in dem die Trägereingrenzungsschicht als p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht auf der p-Schichtseite vorgesehen ist, was durch Ändern des Leitfähigkeitstyps auch auf die n-Schicht angewendet werden kann. Besonders bevorzugt ist, mindestens die p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht vorzusehen. Dies ist dadurch begründet, daß die Diffusionslänge von Elektronen länger als die Diffusionslänge von Löchern ist und Elektronen mit größerer Wahrscheinlichkeit aus der aktiven Schicht überlaufen.
Die p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht ist aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter hergestellt, insbesondere Al_cGa_1-cN (0 < c < 1). Hierbei ist notwendig, eine ausreichend höhere Bandlückenenergie als die der aktiven Schicht bereitzustellen (mit Offset davon), damit die Trägereingrenzungsschicht funktioniert. Der Al-Gehaltsanteil c ist in einem Bereich von 0,1 ≤ c < 1 und vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 ≤ c < 0,5 festgelegt. Grund dafür ist, daß die Elektroneneingrenzungsschicht nicht vollständig funktionieren kann, wenn c höchstens 0,1 beträgt, während Elektronen vollständig eingegrenzt werden können (Träger eingegrenzt werden können) und Träger am Überlauf gehindert werden können, wenn c mindestens 0,2 beträgt. Beträgt c höchstens 0,5, kann der Kristall aufgewachsen werden, während die Rißbildung unterdrückt ist, und beträgt c höchstens 0,35, kann der Kristall mit guter Kristallinität aufgewachsen werden. Hat die Struktur die o. g. optische Leiterschicht, ist bevorzugt, daß die Trägereingrenzungsschicht eine Bandlückenenergie hat, die gleich oder höher als die der Mantelschicht ist. Grund dafür ist, daß die Eingrenzung von Trägern einen Nitridhalbleiter mit einem höheren Mischanteil als die Mantelschicht erfordert, die Licht eingrenzt. Die p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht kann im Nitridhalbleiterbauelement der Erfindung und insbesondere in einem Bauelement verwendet werden, das mit einem großen Strom angesteuert wird, wobei viele Träger in die aktive Schicht injiziert werden, z. B. in einem Laserbauelement, was sie befähigt, die Träger wirksamer als in dem Fall einzugrenzen, in dem die p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht nicht vorgesehen ist, was eine Anwendung nicht nur auf ein Laserbauelement, sondern auch auf eine LED mit hoher Ausgangsleistung ermöglicht. Hierbei lassen sich ausgezeichnete Bauelementkennwerte erreichen, indem die Trägereingrenzungsschicht mit einer höheren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht in der asymmetrischen Struktur der aktiven Schicht vorgesehen ist.
Die Dicke der Trägereingrenzungsschicht der Erfindung ist auf höchstens 100 nm und vorzugsweise höchstens 40 nm festgelegt. Grund dafür ist, daß Al aufweisender Nitridhalbleiter einen höheren Volumenwiderstand als andere (kein Al aufweisende) Nitridhalbleiter hat, während das Al-Mischkristallverhältnis in der p-seitigen Elektroneneingrenzungs schicht auf einen hohen Wert wie zuvor beschrieben festgelegt ist, weshalb eine Dicke über 100 nm zu einem extrem hohen Widerstand führt, durch den es zu einem starken Anstieg der Vorwärtsspannung Vf kommt. Beträgt die Dicke höchstens 40 nm, kann die Zunahme von Vf unterdrückt sein, und beträgt stärker bevorzugt die Dicke höchstens 20 nm, kann der Vf-Anstieg weiter unterdrückt sein. Die Untergrenze für die Dicke der p-seitigen Elektroneneingrenzungsschicht ist auf mindestens 1 nm, vorzugsweise mindestens 5 nm festgelegt, wodurch Elektronen zufriedenstellend eingegrenzt werden können. Die Trägereingrenzungsschicht kann als Einzelfilm oder Mehrschichtfilm mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet sein.
Ist im Nitridhalbleiterbauelement der Erfindung nur die Mantelschicht vorgesehen, ohne die optische Leiterschicht bereitzustellen, so ist es bei ausreichendem Band-Offset zum Eingrenzen der Träger zwischen der aktiven Schicht und Mantelschicht nicht notwendig, die Trägereingrenzungsschicht getrennt von der Mantelschicht vorzusehen, aber liegt die Mantelschicht getrennt von der aktiven Schicht wie in der Struktur mit der optischen Leiterschicht, ist es besser, die Trägereingrenzungsschicht zwischen der aktiven Schicht und der Mantelschicht und vorzugsweise in der Umgebung der aktiven Schicht vorzusehen. Grund dafür ist, daß die Unterdrückungswirkung auf den Trägerüberlauf verloren geht, wenn die Trägereingrenzungsschicht an einer von der aktiven Schicht entfernten Position vorgesehen ist. Insbesondere ist der Abstand zwischen der aktiven Schicht und der p-seitigen Elektroneneingrenzungsschicht (Trägereingrenzungsschicht) auf höchstens 100 nm festgelegt, was eine effektive Trägereingrenzungsfunktion ermöglicht, und beträgt stärker bevorzugt höchstens 500 Å, was eine bessere Trägereingrenzungsfunktion ermöglicht. Liegt die Trägereingrenzungsschicht auf der Außenseite der aktiven Schicht, ist sie vorzugsweise in Kontakt mit der aktiven Schicht vorgesehen, was die wirksamste Eingrenzung der Träger in der aktiven Schicht gewährleistet. Ist die Trägereingrenzungsschicht auf diese Weise in der aktiven Schicht vorgesehen, wird die Bandlückenenergie höher als die der in der aktiven Schicht vorgesehenen Sperrschicht, insbesondere der ersten Sperrschicht, und stärker bevorzugt wird die Bandlückenenergie höher als die aller in der aktiven Schicht vorgesehenen Sperrschichten, was die Trägereingrenzungsschicht außerhalb der aktiven Schicht für die o. g. asymmetrische Struktur der aktiven Schicht geeignet macht.
Die erfindungsgemäße p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht (Trägereingrenzungsschicht) kann undotiert oder mit einer p-Verunreinigung (Verunreinigung von jedem Leitfähigkeitstyp) dotiert aufgewachsen sein, und ist vorzugsweise mit einer Verunreinigung vom festgelegten Leitfähigkeitstyp dotiert, z. B. ist die p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht mit einer p-Verunreinigung zwecks Erhöhung der Trägermobilität und Verringerung von Vf dotiert. Im Fall eines Laserbauelements oder einer leistungsstarken LED, die mit einem großen Strom angesteuert wird, ist bevorzugt, mit hoher Konzentration zur Mobilitätsverbesserung zu dotieren. Die Dotierungskonzentration ist auf mindestens 5 × 10¹⁶/cm und vorzugsweise mindestens 5 × 10¹⁸/cm³ gesteuert. Im Bauelement, das mit einem großen Strom wie zuvor beschrieben angesteuert wird, ist die Konzentration auf mindestens 1 × 10¹⁸/cm³ oder vorzugsweise mindestens 1 × 10¹⁹/cm³ gesteuert. Während die Obergrenze für die Konzentration der p-Verunreinigung nicht festgelegt ist, wird die Konzentration auf höchstens 1 × 10²¹/cm³ gehalten. Bei zu viel p-Verunreinigung steigt der Volumenwiderstand, was zu einem höheren Vf-Wert führt. Um dieses Problem zu umgehen, kommt die kleinstmögliche Konzentration der p-Verunreinigung zum Einsatz, die den erforderlichen Trägermobilitätsgrad gewährleisten kann. Möglich ist auch, eine undotierte Trägereingrenzungsschicht zu bilden und dann die Schicht mit der Verunreinigung zu dotieren, die aus den benachbarten Schichten diffundiert.
Erfindungsgemäß wird die mit der p-Verunreinigung dotierte p-seitige Trägereingrenzungsschicht verwendet, die außerhalb der aktiven Schicht, insbesondere auf der p-Schichtseite liegt, so daß ein p-n-Übergang nahe der Trägereingrenzungsschicht gebildet ist, die nahe der aktiven Schicht gemäß 3B und 5B liegt, wenn Spannung anliegt. Dies ermöglicht, effiziente Trägerinjektion in die Topfschicht durch die zweite Sperrschicht mit einem kleinen Offset zu erreichen, ohne einen Offset vorzusehen, der die Injektion der Träger von der p-Schichtseite behindert.
Beispiel 1
Im folgenden wird ein Laserbauelement als Beispiel beschrieben, das aus dem Nitridhalbleiter mit der Laserbauelementstruktur gemäß 1 hergestellt ist.
Substrat 101
Für das Substrat wird ein Nitridhalbleiter, GaN in diesem Beispiel, zu einem dicken Film (100 μm) auf einem Substrat aufgewachsen, das aus einem anderen Material hergestellt ist. Nach Entfernung des Substrats aus dem anderen Material wird ein Nitridhalbleitersubstrat aus GaN mit einer Dicke von 80 μμm verwendet. Nachstehend wird das Verfahren zur Bildung des Substrats näher beschrieben. Ein Substrat aus einem anderen Material, das aus Saphir hergestellt ist, bei dem die Hauptebene in der C-Ebene liegt und das einen Durchmesser von 2 Inch hat, wird in ein MOVPE-Reaktionsgefäß gegeben, dessen Temperatur auf 500°C eingestellt ist, und eine Pufferschicht aus GaN wird in 200 Å Dicke mit Hilfe von Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH₃) gebildet. Bei erhöhter Temperatur wird ein Film aus undotiertem GaN mit einer Dicke von 1,5 μm als Basisschicht aufgewachsen. Anschließend werden mehrere Streifenmasken auf der Oberfläche der Basisschicht gebildet, und ein Nitridhalbleiter, GaN in diesem Beispiel, wird durch Öffnungen (Fenster) der Maske selektiv aufgewachsen. Die durch ein Aufwachsverfahren mit Seitenwachstum (ELOG) gebildete Nitridhalbleiterschicht wird weiter auf eine größere Dicke aufgewachsen. Danach wird das Nitridhalbleitersubstrat erhalten, indem das Substrat aus dem anderen Material, die Pufferschicht und die Basisschicht entfernt werden. Hierbei ist die beim selektiven Aufwachsen verwendete Maske aus SiO₂ mit einer Maskendicke von 0,1 μm, Maskenbreite von 20 μm und Fenster-(Öffnungs-)Breite von 8 μm mit einer GaN-Richtungsorientierung von (1–100) hergestellt.
Pufferschicht 102
Auf dem GaN-Substrat wird bei einer Temperatur von 1050°C eine Pufferschicht 102 aus Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 4 μm mit Hilfe von TMG (Trimethylgallium), TMA (Trimethylaluminium) und Ammoniak gebildet. Diese Schicht fungiert als Pufferschicht zwischen der n-seitigen Kontaktschicht aus AlGaN und dem Nitridhalbleitersubstrat aus GaN. Anschließend werden die Bauelementstruktur bildende Schichten auf der Basisschicht aus Nitridhalbleiter gebildet.
N-seitige Kontaktschicht 103
Die n-seitige Kontaktschicht 103, die aus Si-dotiertem Al_0,05Ga_0,95N hergestellt ist, wird in einer Dicke von 5 μm bei einer Temperatur von 1050°C auf der Pufferschicht 102 gebildet, die wie zuvor beschrieben gebildet wurde, indem TMG, TMA, Ammoniak und Silangas als Verunreinigungsgas verwendet werden.
Rißschutzschicht 104
Danach wird eine Rißschutzschicht 104 aus In_0,06Ga_0,94N in einer Dicke von 0,15 μm bei einer Temperatur von 800°C gebildet, indem TMG, TMI (Trimethylindium), Ammoniak und Silangas als Verunreinigungsgas verwendet werden.
N-seitige Mantelschicht 105: untere Mantelschicht 25
Anschließend wird bei einer Temperatureinstellung auf 1050°C nach Aufwachsen einer Schicht A aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 25 Å mit Hilfe von TMA, TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialgas die Zufuhr von Verunreinigungsgas gestoppt, und eine Schicht B aus undotiertem Al_0,1Ga_0,9N wird in einer Dicke von 25 Å gebildet. Dieser Vorgang wird 100 mal wiederholt, um die Schicht A und Schicht B zu stapeln und dadurch die n-seitige Mantelschicht 106 zu bilden, die als Mehrschichtfilm (Supergitterstruktur) mit einer Dicke von 0,5 μm hergestellt wird. Hierbei kann eine Brechzahldifferenz vorgesehen werden, die für die Funktion der Mantelschicht ausreichend ist, wenn das Al-Verhältnis des undotierten AlGaN in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 liegt. Hierbei beträgt das mittlere Al-Mischverhältnis in der n-seitigen Mantelschicht 25 0,75, das niedriger als das der ersten Sperrschicht 2a und höher als das der zweiten Sperrschicht 2b und optischen Leiterschicht 26 gemäß 2B ist. Ähnlich ist die Bandlückenenergie der n-seitigen Mantelschicht 25 niedriger als die der ersten Sperrschicht 2a und höher als die der zweiten Sperrschicht 2b und optischen Leiterschicht 26. Die Konzentration der n-Verunreinigung ist in der n-seitigen Mantelschicht 25 und ersten Sperrschicht 2a höher als in der optischen Leiterschicht.
N-seitige optische Leiterschicht 106: untere optische Leiterschicht 26
Danach wird bei einer ähnlichen Temperatur eine optische Leiterschicht 106 aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 0,15 μm mit Hilfe von TMA, TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialgas gebildet. Diese Schicht kann auch mit einer n-Verunreinigung dotiert sein. In der Erfindung wird diese Schicht zur ersten Halbleiterschicht. Die n-seitige optische Leiterschicht, die aktive Schicht, die Trägereingrenzungs schicht und die p-seitige optische Leiterschicht in diesem Beispiel entsprechen der unteren optischen Leiterschicht (ersten Halbleiterschicht) 26, der aktiven Schicht 27, der Trägereingrenzungsschicht 28 bzw. der oberen optischen Leiterschicht (zweiten Halbleiterschicht) 29 gemäß 3A.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Danach wird bei einer ähnlichen Temperatur eine Sperrschicht (erste Sperrschicht 2a) aus Al_0,15Ga_0,85N, das mit Si in einer Konzentration von 5 × 10¹⁸/cm³ dotiert ist, in einer Dicke von 100 Å mit Hilfe von TMA, TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialgas und Silangas als Verunreinigungsgas gebildet. Danach wird die Zufuhr von TMA und Silangas gestoppt, und eine Topfschicht 1a (W) aus GaN wird in einer Dicke von 100 Å gebildet, während die Schichten in der Reihenfolge (B)/(W)/(B) gestapelt werden, wobei undotiertes Al_0,05Ga_0,95N mit 150 Å Dicke als letzte Sperrschicht (zweite Sperrschicht 2b) verwendet wird. Die aktive Schicht 107 kann als Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) hergestellt werden, indem das Stapeln der Sperrschicht (B) und Topfschicht (W) in der Form (B)/(W)/(B) wiederholt wird. Die Topfschicht 1a hat eine niedrigere Konzentration der n-Verunreinigung als die erste Sperrschicht 2a, während die zweite Sperrschicht 2b eine niedrigere Konzentration der n-Verunreinigung als die erste Sperrschicht 2a und eine höhere Bandlückenenergie, ein höheres Al-Mischkristallverhältnis und eine größere Dicke hat.
P-seitige Elektroneneingrenzungsschicht 108: Trägereingrenzungsschicht 28
Anschließend wird bei einer ähnlichen Temperatur eine p-seitige Elektroneneingrenzungsschicht 108 aus Al_0,3Ga_0,7N, die mit Mg in einer Konzentration von 1 × 10¹⁹/cm³ dotiert ist, in einer Dicke von 100 Å mit Hilfe von TMA, TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialgas und Cp₂Mg (Cyclopentadienylmagnesium) als Verunreinigungsgas gebildet. Diese Schicht braucht nicht vorgesehen zu sein, würde aber als Elektroneneingrenzungsschicht fungieren und dazu beitragen, den Schwellwert zu senken, wenn sie vorgesehen ist.
P-seitige optische Leiterschicht 109: obere optische Leiterschicht 29
Danach wird durch Einstellen der Temperatur auf 1050°C eine p-seitige optische Leiterschicht 109 aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 0,15 μm mit Hilfe von TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialgas gebildet. Obwohl die p-seitige optische Leiterschicht 109 undotiert aufgewachsen wird, erreicht die Mg-Konzentration darin 5 × 10¹⁶/cm³, so daß sie infolge der Diffusion von Mg aus benachbarten Schichten, z. B. der p-seitigen Elektroneneingrenzungsschicht 108 und p-seitigen Mantelschicht 110, p-leitend ist. Diese Schicht kann auch mit bewußter Dotierung aufgewachsen werden. Aus dieser Schicht wird die zweite Halbleiterschicht.
P-seitige Mantelschicht 110: obere Mantelschicht 30
Danach wird bei gestoppter TMA-Zufuhr und mit Hilfe von Cp₂Mg eine mit Mg dotierte Schicht aus Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 25 Å bei 1050°C gebildet, anschließend wird die Zufuhr von Cp₂Mg gestoppt, und es wird eine Schicht aus undotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 25 Å gebildet. Dieser Vorgang wird 100 mal wiederholt, um die p-seitige Mantelschicht 110 zu bilden, die sich aus einer Supergitterstruktur mit einer Gesamtdicke von 0,5 μm zusammensetzt. Ist die p-seitige Mantelschicht mit der Supergitterstruktur gebildet, die aus Nitridhalbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlückenenergiewerten besteht, wobei mindestens eine Al aufweisende Nitridhalbleiterschicht übereinander gestapelt ist, neigt die Kristallinität zu Verbesserung durch stärkeres Dotieren mindestens einer der Schichten als die andere beim sogenannten modulierten Dotieren. In der Erfindung können aber beide Schichten ähnlich dotiert sein. Durch Bildung der p- seitigen Mantelschicht 110 mit der Supergitterstruktur kann das Al-Mischkristallverhältnis der gesamten Mantelschicht erhöht sein, was zu einer geringeren Brechzahl der Mantelschicht und einer höheren Bandlückenenergie führt, die zum Senken des Schwellwerts wirksam sind. Außerdem senkt die Supergitterstruktur die Wahrscheinlichkeit, daß Löcher und Kurzschlüsse in der Mantelschicht erzeugt werden. Hierbei beträgt das mittlere Al-Mischkristallverhältnis 0,75 ähnlich wie bei der n-seitigen Mantelschicht, und gemäß 2B ist das Al-Mischkristallverhältnis der p-seitigen Mantelschicht 30 niedriger als das der ersten Sperrschicht 2a sowie höher als das der zweiten Sperrschicht 2b und optischen Leiterschicht 29. Auch im Hinblick auf die Bandlückenenergie hat die p-seitige Mantelschicht 30 eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a sowie eine höhere als die zweite Sperrschicht 2b und optische Leiterschicht 29. Die Konzentration der p-Verunreinigung ist in der Trägereingrenzungsschicht 28 höher als in der p-seitigen Mantelschicht 30 und in der p-seitigen Mantelschicht 30 höher als in der optischen Leiterschicht 29, so daß die zweite Sperrschicht 2b und optische Leiterschicht 29 in niedriger Konzentration durch die Diffusion der Verunreinigung aus der Trägereingrenzungsschicht 28 dotiert sind oder undotiert bleiben.
P-seitige Kontaktschicht 111
Zuletzt wird bei einer Temperatur von 1050°C eine p-seitige Kontaktschicht 111 aus p-leitendem GaN, das mit Mg in einer Konzentration von 1 × 10²⁰/cm³ dotiert ist, in einer Dicke von 150 Å auf der p-seitigen Mantelschicht 110 gebildet. Die p-seitige Kontaktschicht 111 kann aus p-leitendem In_xAl_yGa_1-x-yN (0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) und vorzugsweise aus Mg-dotiertem GaN gebildet werden, was den besten ohmschen Kontakt mit der p-seitigen Elektrode 120 erzielt. Da die Kontaktschicht 111 die Schicht ist, auf der die Elektrode zu bilden ist, ist erwünscht, daß sie eine hohe Trägerkonzentration von mindestens 1 × 10¹⁷/cm³ hat. Liegt die Konzentration unter 1 × 10¹⁷/cm³, wird es schwierig, zufriedenstellenden ohmschen Kontakt mit der Elektrode zu erreichen. Durch Bildung der Kontaktschicht mit einer Zusammensetzung aus GaN wird es leichter, zufriedenstellenden ohmschen Kontakt mit der Elektrode zu erzielen. Nach Abschluß der Reaktion wird der Wafer in einer Stickstoffatmosphäre bei 700°C im Reaktionsgefäß getempert, um dadurch den elektrischen Widerstand der p-Schicht weiter zu verringern. Das durch Stapeln der wie zuvor beschriebenen Schichten hergestellte Bauelement hat die Stapelstruktur gemäß 2A und das Al-Mischkristallverhältnis gemäß 2B. Insbesondere schließen die n-seitige Mantelschicht 25 und p-seitige Mantelschicht, die ein Al-Mischkristallverhältnis haben, das niedriger als das der ersten Sperrschicht 2a und höher als das der Topfschicht 1a ist, die aktive Schicht und die optischen Leiterschichten 26, 29 ein. Die n-seitige optische Leiterschicht 26 und p-seitige optische Leiterschicht 29 sind aus Nitridhalbleiter hergestellt, dessen Al-Mischkristallverhältnis niedriger als das der ersten Sperrschicht 2a und höher als das der Topfschicht 1a ist. Die Mantelschichten 25, 30 sind aus Nitridhalbleiter hergestellt, dessen Al-Mischkristallverhältnis höher als das der optischen Leiterschichten 26, 29 und niedriger als das der zweiten Sperrschicht 2b ist.
Nachdem die Nitridhalbleiterschichten wie zuvor beschrieben übereinander gebildet sind, wird der Wafer aus dem Reaktionsgefäß entnommen. Danach wird ein Schutzfilm aus SiO₂ auf der Oberfläche der obersten p-seitigen Kontaktschicht gebildet, und die Oberfläche der n-seitigen Kontaktschicht 103, auf der die n-seitige Elektrode zu bilden ist, wird gemäß 1 durch Ätzen mit SiCl4-Gas im RIE-(reaktiven Ionenätz-)Verfahren freigelegt. Zum tiefen Ätzen des Nitridhalbleiters ist SiO₂ als Schutzfilm am besten geeignet.
Anschließend wird ein Stegstreifen als Streifenwellenleiterbereich gemäß der vorstehenden Beschreibung gebildet. Zunächst wird ein Schutzfilm 161 mit 0,5 μm Dicke aus Si-Oxid (hauptsächlich SiO₂) im wesentlichen über der gesamten Oberfläche der obersten p-seitigen Kontaktschicht (oberen Kontaktschicht) mit Hilfe einer PVD-Vorrichtung gebildet. Danach wird der erste Schutzfilm 161 mit 1,6 μm Streifenbreite und darauf plazierter Maske mit vorbestimmter Konfiguration mit Hilfe eines Fotolithographieverfahrens und der RIE-Vorrichtung (zum reaktiven Ionenätzen) strukturiert, die CF₄-Gas verwendet. Hierbei ist die Höhe des Stegstreifens (Ätztiefe) so festgelegt, daß die Dicke der p-seitigen optischen Leiterschicht 109 0,1 μm wird, indem die p-seitige Kontaktschicht 111, p-seitige Mantelschicht 109 und p-seitige optische Leiterschicht 110 partiell geätzt werden.
Nach Bildung des Stegstreifens wird eine zweite Schutzschicht 162 aus Zr-Oxid (hauptsächlich ZrO₂) auf der ersten Schutzschicht 161 in einer Dicke von 0,5 μm kontinuierlich über der ersten Schutzschicht 161 und der p-seitigen optischen Leiterschicht 109 gebildet, die durch Ätzen freigelegt wurde.
Nach Bildung des zweiten Schutzfilms 162 wird der Wafer einer Wärmebehandlung bei 600°C unterzogen. Ist der zweite Schutzfilm aus einem anderen Material als SiO₂ gebildet, ist bevorzugt, die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 300°C, vorzugsweise mindestens 400°C, aber unter der Zersetzungstemperatur des Nitridhalbleiters (1200°C) nach Bildung des zweiten Schutzfilms durchzuführen. Da die Wärmebehandlung den zweiten Schutzfilm weniger löslich in dem Material (Fluorwasserstoffsäure) macht, das den ersten Schutzfilm löst, ist erwünscht, dieses Verfahren zuzufügen.
Danach wird der Wafer in Fluorwasserstoffsäure getaucht, um den ersten Schutzfilm 161 durch das Abhebeverfahren zu entfernen. Damit wird der auf der p-seitigen Kontaktschicht 111 vorgesehene erste Schutzfilm 161 entfernt, um so die p-seitige Kontaktschicht freizulegen. Der zweite Schutzfilm 162 ist auf den Seitenflächen des Stegstreifens und der Ebene gebildet, die sich davon fortsetzt (freiliegende Oberfläche der p-seitigen optischen Leiterschicht 109), was 1 zeigt.
Nachdem der auf der p-seitigen Kontaktschicht 111 vorgesehene erste Schutzfilm 161 wie zuvor beschrieben entfernt ist, wird eine p-seitige Elektrode 120 aus Ni/Au auf der Oberfläche der freiliegenden p-seitigen Kontaktschicht 111 gemäß 1 gebildet. Die p-seitige Elektrode 120 wird mit einer Streifenbreite von 100 μm über dem zweiten Schutzfilm 162 gemäß 1 gebildet. Nach Bildung des zweiten Schutzfilms 162 wird eine n-seitige Elektrode 121 aus Ti/Al in Streifenkonfiguration in Parallelrichtung zum Streifen auf der n-seitigen Kontaktschicht 103 gebildet, die bereits freigelegt wurde.
Danach wird die Oberfläche eines gewünschten Bereichs, der durch Ätzen freigelegt wurde und in dem Anschlußelektroden für die p-seitige und n-seitige Elektrode zu bilden sind, maskiert, und ein dielektrischer Mehrschichtfilm 164 aus SiO₂ und ZrO₂ wird gebildet. Anschluß-(Kontakt-)Elektroden 122, 123 aus Ni-Ti-Au (1000 Å – 1000 Å – 8000 Å) werden auf der p-seitigen und n-seitigen Elektrode gebildet. Hierbei ist die aktive Schicht 107 mit einer Breite von 200 μm gebildet (Breite in senkrechter Richtung zur Resonatorrichtung). Der dielektrische Mehrschichtfilm aus SiO₂ und ZrO₂ wird auch auf der Resonatoroberfläche (Reflektorseite) gebildet.
Nach beschreibungsgemäßer Bildung der n-seitigen und p-seitigen Elektrode wird der Wafer in Stabformen entlang der M-Ebene (M-Ebene von GaN, (1 1- 0 0 o. ä.) des Nitridhalbleiters in senkrechter Richtung zur Streifenelektrode aufgeteilt. Der Wafer in Stabform wird weiter aufgeteilt, um Laserbauelemente zu erhalten, bei denen die Resonatorlänge 600 μm beträgt.
Herstellen läßt sich ein Laserbauelement, das mit einer Wellenlänge von 369 nm, einem Schwellenstrom I_th von 61 mA und einer Stromdichte von 3,8 kA/cm² bei Raumtemperatur kontinuierlich schwingen kann. Das so erhaltene Laserbauelement hat eine geschätzte Lebensdauer von etwa 4000 Stunden unter der Bedingung einer kontinuierlichen Schwingung bei Raumtemperatur.
Beispiel 2
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Einzelquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 150 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem GaN in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_uGa_1-uN in einer Dicke d (Å) gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Mit dem Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht, das auf 0,05 (gleiches Al-Mischkristallverhältnis wie im Beispiel 1), 0,1 und 0,15 (Vergleichsbeispiele) festgelegt ist, sind der Schwellenstrom und die Bauelementlebensdauer in 9 bzw. 10 als Funktionen der Dicke der zweiten Sperrschicht gezeigt. Änderungen des Schwellenstroms bei Dickenänderungen der zweiten Sperrschicht sind in 9 mit einer Linie (a) dargestellt, wenn das Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht u = 0,05 ist, mit einer Linie (b), wenn u = 0,1 ist und mit einer Linie (c), wenn u = 0,15 ist (Vergleichsbeispiel). Änderungen der Bauelementlebensdauer bei Dickenänderungen der zweiten Sperrschicht sind in 10 mit einer Linie (d) dargestellt, wenn das Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht u = 0,05 ist, mit einer Linie (e), wenn u = 0,1 ist und mit einer Linie (f), wenn u = 0,15 ist (Vergleichsbeispiel). Bauelementkennwerte werden geschätzt, indem die Dicke d von 50 Å, 100 Å auf 150 Å geändert wird.
Wie aus 9 hervorgeht, wird ein Laserbauelement erhalten, das im wesentlichen keine Änderung des Schwellenstroms I_th bei Änderung der Dicke auf 50 Å oder 100 Å zusätzlich zu 150 Å erfährt, die mit der im Beispiel 1 identisch ist, wenn das Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht u = 0,05 (wie im Beispiel 1) beträgt. Beträgt das Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht u = 0,05 (wie im Beispiel 1) gemäß 10, variiert die Bauelementlebensdauer wesentlich, wenn die Dicke zusätzlich zu 150 Å geändert wird, die mit der im Beispiel 1 identisch ist. Ist die Dicke mit 100 Å nahezu die gleiche wie die der ersten Sperrschicht, sinkt die Lebensdauer auf etwa die Hälfte, und ist die Dicke mit 50 Å kleiner als die der ersten Sperrschicht, sinkt die Lebensdauer weiter auf nahezu die Hälfte des vorgenannten Werts. Somit kann angenommen werden, daß bei einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht als das der ersten Sperrschicht wie im Beispiel 1 der Schwellenstrom keine wesentliche Änderung bei Dickenänderung der zweiten Sperrschicht zeigt, wenngleich die Bauelementlebensdauer eine starke Verbesserung erfährt, wenn die Dicke der zweiten Sperrschicht größer als die der ersten Sperrschicht wird, vergleicht man dies mit Fällen gleicher oder kleinerer Dicke als die der ersten Sperrschicht.
Beträgt das Al-Mischkristallverhältnis u der zweiten Sperrschicht u = 0,1, steigt anders als bei u = 0,05 der Schwellenstrom I_th bei zunehmender Dicke d, was die Linie (b) in 9 zeigt, und die Bauelementlebensdauer sinkt bei zunehmender Dicke d gemäß der Linie (e) in 10. Angenommen wird, daß dies auf den steigenden Offset zurückzuführen ist, insbesondere den steigenden Offset im Hinblick auf die zweite Halbleiterschicht, so daß bei einem höheren Al-Mischkristallverhältnis anders als bei u = 0,05 der Trägerinjektionswirkungsgrad aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp zurückgeht. Das heißt, da die zweite Sperrschicht 2b aus einem Nitridhalbleiter gebildet ist, der ein höheres Al-Mischkristallverhältnis als die zweite Halbleiterschicht (p-seitige optische Leiterschicht) mit einer höheren Bandlückenenergie als die zweite Halbleiterschicht hat, wird ein größerer Offset erzeugt, wodurch der Schwellenstrom steigt, vergleicht man dies mit einem Fall ähnlicher Werte des Al-Mischkristallverhältnisses und der Bandlückenenergie wie die der zweiten Sperrschicht mit u = 0,05 und der zweiten Halbleiterschicht gemäß 3B. Auch weil die Topfschicht aus GaN gebildet ist, bewirkt bei Bildung der zweiten Sperrschicht aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten eine starke Spannung, die ausgeübt wird, wenn das Al-Mischkristallverhältnis u auf u = 0,1 steigt, und eine erhebliche negative Auswirkung auf die sich verschlechternde Kristallinität, was zu einem steigenden Schwellwert und einer sinkenden Bauelementlebensdauer führt. Da insbesondere der Schwellwert mit zunehmender Dicke zunimmt, nimmt man an, daß der Effekt der sich verschlechternden Kristallinität steigt. Obwohl erwähnt wurde, daß die zweite Sperrschicht eine Abstandshalterfunktion zum Trennen der Topfschicht von der Trägereingrenzungsschicht hat, wird davon ausgegangen, daß die Abstandshalterfunktion beeinträchtigt wird, wenn sich die Kristallinität der zweiten Sperrschicht bei u = 0,1 verschlechtert. Ferner kann das Al-Mischkristallverhältnis der zweiten Sperrschicht die Wirkung haben, den Widerstand der Schicht zu erhöhen, wenngleich die Wirkung als weniger erheblich als die am p-n-Übergang liegende Trägereingrenzungsschicht gilt.
Als Vergleichsbeispiel ist ein sich ändernder Schwellenstrom durch die Linie (c) in 9 gezeigt, wenn das Al- Mischkristallverhältnis der zweiten Sperrschicht mit 0,15 etwa das gleiche wie das der ersten Sperrschicht ist. Mit zunehmender Dicke zeigt der Schwellenstrom einen steilen Anstieg, von dem angenommen wird, daß er durch die kombinierte Wirkung der Kristallinitätsbeeinträchtigung und des zunehmenden Offsets verursacht ist, was im Gegensatz zum Fall von u = 0,1 steht. Gemäß der Linie (f) in 10 wird die Bauelementlebensdauer noch kürzer als bei u = 0,1, vermutlich durch die kombinierte Wirkung der Kristallinitätsbeeinträchtigung und des sich ändernden Band-Offsets.
Beispiel 3
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Einzelquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 200 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem Al_0,04In_0,02Ga_0,94N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 150 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Das so erhaltene Laserbauelement, das den Quaternärverbindungshalbleiter AlInGaN für die Topfschicht im Gegensatz zum Beispiel 1 verwendet, schwingt kontinuierlich mit etwa derselben Wellenlänge von 370 nm bei Raumtemperatur. Obwohl die Kristallinität infolge der Reaktion von Al und In beim Kristallwachstum möglicherweise nicht gut ist, gilt der Lichtemissionswirkungsgrad durch den In-Einschluß als verbessert, was zu einem Schwellenstrom von 50 mA führt, der kleiner als im Fall von Beispiel 1 ist. Die Bauelementlebensdauer ähnelt der von Beispiel 1.
Beispiel 4
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Einzelquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15In_0,01Ga_0,85N in einer Dicke von 200 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem Al_0,04In_0,02Ga_0,94N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,05In_0,01Ga_0,85N in einer Dicke von 150 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Das so erhaltene Laserbauelement hat einen etwas größeren Schwellenstrom und eine etwas kürzere Lebensdauer als die Beispiele 1 und 3. Vermutlich ist der Grund dafür der Quaternärverbindungshalbleiter AlInGaN in allen Sperrschichten und Topfschichten, was die Wirkung der Kristallinitätsbeeinträchtigung infolge der Reaktion von In und Al stärker als im Beispiel 3 macht. Weiterhin kommt es durch den Einsatz des Quaternärverbindungshalbleiters AlInGaN in der Tendenz zur Verringerung der Kennwertvariationen der Bauelementchips über den Wafer anders als in den Beispielen 1 und 3, in denen die Sperrschichten aus AlGaN hergestellt sind, wodurch die Produktionsausbeute verbessert wird. Angenommen wird, daß dadurch eine gleichmäßigere Filmbildung durch die Verwendung des Quaternärverbindungshalbleiters AlInGaN als im Fall von AlGaN erreicht wird.
Beispiel 5
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Einzelquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 200 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem Al_0,02Ga_0,98N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 150 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Das so erhaltene Laserbauelement schwingt mit einer kürzeren Wellenlänge, hat aber einen größeren Schwellenstrom und eine kürzere Lebensdauer als die Beispiele 1 und 3. Vermutlich ist dies Folge des höheren Al-Mischkristallverhältnisses in der Topfschicht, das den Band-Offset gegenüber der zweiten Sperrschicht verringert, was zu einem geringeren Eingrenzungswirkungsgrad der Träger aus der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp in der Topfschicht führt. Dieses Beispiel scheint größere Kennwertschwankungen der Bauelementchips über den Wafer als Beispiel 3 zu haben, vermutlich wegen der Filmbildungsvariation über den Wafer im Gegensatz zu dem Fall, in dem ein Quaternärverbindungshalbleiter AlInGaN in der Topfschicht verwendet wird. Somit können Halbleiterbbauelemente mit hoher Ausbeute hergestellt werden, indem ein In und Al aufweisender Nitridhalbleiter entweder in der Topfschicht, in der ersten Sperrschicht oder in der zweiten Sperrschicht verwendet wird. Vorzugsweise kommt der In und Al aufweisende Nitridhalbleiter unter den zuvor beschriebenen Schichten mindestens in der Topfschicht zum Einsatz, so daß der Lichtemissionswirkungsgrad und die Produktionsausbeute verbessert werden können.
Beispiel 6
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der Bildung der n-seitigen optischen Leiterschicht und p-seitigen optischen Leiterschicht aus Al_xGa_1-xN erhalten.
Sind das Al-Mischkristallverhältnis und die Bandlückenenergie etwa auf die gleichen Werte wie in der zweiten Sperrschicht mit x = 0,15 festgelegt, sinkt der Band-Offset gegenüber der zweiten Sperrschicht während der Trägerinjektion aus der Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp (zweiten Halbleiterschicht). Gemäß 3B, 5A und 5B hat aber bei Injektion der Träger über den p-n-Übergang der Effekt des geringeren Offsets einen kleineren Einfluß auf den Injektionswirkungsgrad. Andererseits zeigt durch Erhöhung des Al-Mischkristallverhältnisses dicker Schichten, z. B. der optischen Leiterschicht im Bauelement, dieses Beispiel schlechte Kristallinität und Bauelementkennwerte, einen größeren Schwellenstrom und eine kürzere Bauelementlebensdauer als Beispiel 2, in dem die Sperrschichten und Topfschichten mit kleineren Dicken gebildet sind. Auffälliger wird diese Tendenz, wenn das Al-Mischkristallverhältnis x der optischen Leiterschicht erhöht wird, besonders wenn das Al-Mischkristallverhältnis x über das Al-Mischkristallverhältnis der ersten Sperrschicht hinaus erhöht wird, was zu erheblich niedrigeren Bauelementkennwerten führt. Erfindungsgemäß lassen sich Bauelementkennwerte verbessern, indem die Bandlückenenergie der ersten Halbleiterschicht und zweiten Halbleiterschicht gemäß den Beispielen 1 bis 3 verringert wird und insbesondere in dem mit kurzen Wellenlängen arbeitenden Nitridhalbleiter die Bandlückenenergie und das Al-Mischkristallverhältnis gesenkt werden.
Beispiel 7
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der Bildung der Schichten in der aktiven Schicht gemäß der nachfolgenden Beschreibung erhalten.
Ist die aktive Schicht ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme einer undotierten Bildung der ersten Sperrschicht gebildet, wird der Schwellenstrom mit 113 mA groß, was darauf verweist, daß ein Laserbauelement mit einem niedrigen Schwel lenstrom durch Dotieren der ersten Sperrschicht mit einer n-Verunreinigung erhalten werden kann.
Ist die aktive Schicht ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme des Aufwachsens Si-dotierter Topfschichten gebildet, ist eine große Bauelementanzahl je Wafer unfähig zur Laserschwingung, woraus hervorgeht, daß die Topfschicht bei der Herstellung von Laserbauelementen vorzugsweise undotiert gewachsen wird.
Obwohl der Schwellenstrom höher als im Beispiel 1 wird, erhält man ein gutes Laserbauelement durch Bilden der aktiven Schicht als Mehrfachquantentopfstruktur gemäß 5A mit einem solchen Aufbau, daß die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, die Topfschicht 1a, die aus undotiertem GaN in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, die Innensperrschicht 2c, die aus Si-dotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem GaN in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 150 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind. Man geht davon aus, daß dieses Ergebnis auf die Bereitstellung der Innensperrschicht zurückzuführen ist, die die Funktion der Topfschicht durch die Innenspannung und das starke piezoelektrische Feld infolge der Sperrschicht aus AlGaN verringert. Verstärkt wird diese Tendenz, wenn das Al-Mischkristallverhältnis der Innensperrschicht 2c größer als das der ersten Sperrschicht 2a gemäß 5A wird, was die Bauelementkennwerte in Kombination mit dem Effekt stark beeinträchtigt, daß sich die Kristallinität infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters verschlechtert. Sind das Al-Mischkristallverhältnis und die Bandlückenenergie der Innensperrschicht 2c niedriger als in der zweiten Sperrschicht 2b gemäß 5B, sinkt der Offset zwischen der Innensperrschicht und Topfschicht, was zu einer geringeren Verteilungsfunktion in die Topfschichten zusammen mit der Wirkung führt, daß sich die Kristallinität infolge des Al aufweisenden Nitridhalbleiters verschlechtert, und die Bandlückenenergie der Innensperrschicht wird höher als die der zweiten Sperrschicht, was zu sich verschlechternden Bauelementkennwerten führt.
Beispiel 8
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der Bildung der optischen Leiterschicht mit einer gradierten Zusammensetzung gemäß 8A wie in der nachstehenden Beschreibung erhalten.
N-seitige optische Leiterschicht 106 (erste optische Leiterschicht 26)
Ein Film aus Al_xGa_1-xN wird in einer Dicke von 0,15 μm gebildet. Beim Aufwachsen des Films, d. h. bei Annäherung an die aktive Schicht, wird der Al-Anteil x von 0,1 auf 0,02 geändert, um eine n-seitige optische Leiterschicht 106 zu bilden, die eine gradierte Zusammensetzung in Filmdickenrichtung hat. Die n-seitige optische Leiterschicht wird mit Si in einem Abschnitt dotiert, in dem die Dicke 0,1 μm beträgt (Bereich hoher Verunreinigungskonzentration), und wird in ihrem ersten Abschnitt undotiert aufgewachsen, in dem die Dicke 0,05 μm beträgt (Bereich von 50 nm auf der Seite der aktiven Schicht: Bereich niedriger Verunreinigungskonzentration). In der optischen Leiterschicht wird in der Umgebung der aktiven Schicht ein kleiner Abschnitt, der eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht hat, zur ersten Halbleiterschicht.
P-seitige optische Leiterschicht 109 (zweite optische Leiterschicht 29)
Ein Film aus Al_xGa_1-xN wird in einer Dicke von 0,15 μm gebildet. Beim Wachsen des Films wird der Al-Anteil x von 0,02 auf 0,1 geändert, um eine p-seitige optische Leiterschicht 109 zu bilden, die eine gradierte Zusammensetzung in Filmdickenrichtung hat, wobei das Al-Mischkristallverhältnis und die Bandlückenenergie zur aktiven Schicht sinken. Die p-seitige optische Leiterschicht wird in ihrem ersten Abschnitt undotiert aufgewachsen, in dem die Dicke 0,05 μm beträgt (Bereich von 0,05 μm auf der Seite der aktiven Schicht (Bereich niedriger Verunreinigungskonzentration)), und wird mit Mg dotiert in ihrem Restabschnitt aufgewachsen, in dem die Dicke 0,1 μm beträgt. In der p-seitigen optischen Leiterschicht 29 wird in der Umgebung der aktiven Schicht und der p-seitigen Trägereingrenzungsschicht ein kleiner Abschnitt, der ein niedrigeres Al-Mischkristallverhältnis und eine niedrigere Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht hat, zur zweiten Halbleiterschicht.
Obwohl das so erhaltene Laserbauelement nahezu das gleiche mittlere Al-Zusammensetzungsverhältnis wie im Beispiel 1 hat, verbessert das Vorhandensein der optischen Leiterschicht mit der gradierten Bandlückenenergie gemäß 8A den Trägerinjektionswirkungsgrad in die aktive Schicht, und der innere Quantenwirkungsgrad verbessert sich. Da der undotierte Bereich (Bereich niedriger Verunreinigungskonzentration) nahe der aktiven Schicht in der optischen Leiterschicht (Seite der aktiven Schicht) vorgesehen ist, wird eine Wellenleiterstruktur gebildet, in der die optische Dämpfung durch Dotieren mit der Verunreinigung unterdrückt ist, was zu einer abnehmenden Schwellenstromdichte führt.
Beispiel 9
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Einzelquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 75 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem In_0,02Ga_0,98N in einer Dicke von 100 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 45 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Das so erhaltene Laserbauelement schwingt-kontinuierlich bei Raumtemperatur mit einer Wellenlänge von 371 nm und einem Schwellenstrom von 30 mA.
Beispiel 10
Ein Laserbauelement wird ähnlich wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Bildung der aktiven Schicht erhalten.
Aktive Schicht 107 (27, 12)
Die aktive Schicht hat eine Mehrfachquantentopfstruktur, in der die erste Sperrschicht 2a, die aus Si-dotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 75 Å gebildet ist, die Topfschicht 1a, die aus undotiertem In_0,02Ga_0,98N in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, die Innensperrschicht 2c, die aus Si-dotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, die Topfschicht 1b, die aus undotiertem In_0,02Ga_0,98N in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, und die zweite Sperrschicht 2b, die aus undotiertem Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 50 Å gebildet ist, nacheinander gestapelt sind.
Das so erhaltene Laserbauelement schwingt kontinuierlich bei Raumtemperatur mit einer Wellenlänge von 371 nm und einem Schwellenstrom von 30 mA.
Beispiel 11
Im folgenden wird ein lichtemittierendes Bauelement 200b der Erfindung anhand von 6B beschrieben. Das lichtemittierende Bauelement ist mit einer solchen Struktur hergestellt, in der ein Paar aus einer positiven und negativen Elektrode auf derselben Seite des Substrats gemäß 200b gebildet ist.
Ein Substrat 201 aus Saphir (C-Ebene) wird in ein MOVPE-Reaktionsgefäß gegeben, die Substrattemperatur wird auf 1050°C erhöht, während Wasserstoff zugeführt wird, und das Substrat wird gereinigt.
Pufferschicht (nicht gezeigt): Mit der auf 510°C abgesenkten Temperatur wird eine Pufferschicht aus GaN in einer Dicke von etwa 100 Å durch Aufwachsen bei niedriger Temperatur auf dem Substrat 201 aufgewachsen. Diese bei niedriger Temperatur aufgewachsene Schicht wächst bei einer niedrigeren Temperatur als die als nächstes aufzuwachsende Schicht, um die Gitterfehlanpassung mit dem Substrat abzuschwächen, und kann in Abhängigkeit von der Art des Substrats entfallen.
Basisschicht (nicht gezeigt): Nach Aufwachsen der Pufferschicht wird eine Basisschicht aus undotiertem GaN in einer Dicke von 1,5 μm bei einer Temperatur von 1050°C gebildet. Die Basisschicht dient als Substrat, auf dem die Bauelementstruktur aufgewachsen wird.
N-seitige Kontaktschicht 202: Danach wird eine n-seitige Kontaktschicht 202 (Trägerinjektionsschicht), hergestellt aus Al_0,05Ga_0,95N, das mit Si in einer Konzentration von 4,5 × 10¹⁸/cm³ dotiert ist, in einer Dicke von 2 μm bei einer Temperatur von 1050°C gebildet. Die n-seitige Kontaktschicht 202 wird zur ersten Halbleiterschicht.
Aktive Schicht 203: Eine Sperrschicht (erste Sperrschicht 2a) wird aus undotiertem Al_0,15Ga_0,85N in einer Dicke von 100 Å gebildet, und eine Topfschicht wird aus undotiertem Al_0,05Ga_0,95N in einer Dicke von 30 Å gebildet. Danach wird eine Innensperrschicht (nicht gezeigt) aus Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 30 Å gebildet, und vier Topfschichten 1 (nicht gezeigt) sowie drei Innensperrschichten (nicht gezeigt) werden abwechselnd gestapelt, wobei Al_0,1Ga_0,9N in einer Dicke von 40 Å als zweite Sperrschicht 2b gebildet wird, wodurch die aktive Schicht 203 als Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Gesamtdicke von 380 Å zustande kommt. Die aktive Schicht hat eine solche Struktur, daß die Innensperrschichten (2c usw.) mit einem niedrigeren Al-Mischkristallverhältnis und einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht 2a sowie einem höheren Al-Mischkristallverhältnis und einer höheren Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht 2b gemäß 5B gebildet sind.
P-seitige Mantelschicht 204: Eine Schicht A 204 aus undotiertem Al_0,2Ga_0,9N wird in einer Dicke von 40 Å gebildet, und eine Schicht B 205 aus Al_0,05Ga_0,95N, das mit Mg in einer Konzentration von 5 × 10¹⁹/cm³ dotiert ist, wird in einer Dicke von 25 Å gebildet. Diese Vorgänge werden wiederholt, um die Schicht A und dann die Schicht B darauf fünfmal zu stapeln, worauf eine Deckschicht A in einer Dicke von 40 Å gebildet wird, um so die p-seitige Mehrschichtmantelschicht 204 mit einer Supergitterstruktur und einer Gesamtdicke von 365 Å zu bilden. Die erste Schicht B wird zur zweiten Halbleiterschicht mit einer Bandlückenenergie und einem Al-Mischkristallverhältnis, die niedriger als die der zweiten Sperrschicht sind.
P-seitige Kontaktschicht 205: Danach wird eine p-seitige Kontaktschicht 205 aus GaN, das mit Mg in einer Konzentration von 1 × 10²⁰/cm³ dotiert ist, in einer Dicke von 200 Å gebildet.
Nach Reaktionsabschluß wird die Temperatur auf Raumtemperatur verringert, und der Wafer wird bei 700°C in einer Stickstoffatmosphäre im Reaktionsgefäß getempert, um dadurch den Widerstand der p-Schicht zu senken.
Nach dem Tempern. wird der Wafer aus dem Reaktionsgefäß entnommen. Eine Maske mit vorbestimmter Form wird auf der Oberfläche der oben vorgesehenen p-seitigen Kontaktschicht 205 gebildet, und die p-seitige Kontaktschicht 205 wird in einer RIE-Vorrichtung (zum reaktiven Ionenätzen) geätzt, wodurch die n-seitige Kontaktschicht 202 gemäß 6B freigelegt wird.
Nach dem Ätzen wird eine p-seitige Elektrode 206 aus einem Ni und Au aufweisenden Material, das lichtdurchlässig ist, in einer Dicke von 200 Å im wesentlichen über der gesamten Oberfläche der oben vorgesehenen p-seitigen Kontaktschicht 205 gebildet, und eine p-seitige Kontaktelektrode (nicht gezeigt) aus Au zum Bonden wird in einer Dicke von 0,5 μm auf der p-seitigen Elektrode 206 gebildet. Andererseits wird eine n-seitige Elektrode 207, die W und Al aufweist, auf der Oberfläche der n-seitigen Kontaktschicht 202 gebildet, die durch Ätzen freigelegt wurde, um dadurch eine LED zu erhalten.
Das LED-Bauelement emittiert ultraviolettes Licht mit 360 nm Wellenlänge, und durch Bereitstellen der zweiten Sperrschicht kann die aktive Schicht mit guter Kristallinität gebildet werden, um ein lichtemittierendes Bauelement mit ausgezeichneten Lichtemissionskennwerten zu erhalten.
Vergleichsbeispiel 1
Gemäß Beispiel 2 wurden bei Festlegung des Al-Mischkristallverhältnisses u der zweiten Sperrschicht auf 0,15 wie in der ersten Sperrschicht im Beispiel 1 Änderungen des Schwellenstroms und der Bauelementlebensdauer bei Dickenänderungen gemessen, was aus der Linie (c) in 9 bzw. Linie (f) in 10 hervorgeht.
Wie zuvor erwähnt, ermöglicht das Nitridhalbleiterbauelement der Erfindung, ein Lichtemissionsbauelement und Laserbauelement zu erhalten, die mit einer kurzen Wellenlänge von höchstens 375 nm mit einem niedrigen Schwellenstrom arbeiten. Somit kann ein Ersatz für eine Leuchtstofflampe bereitgestellt werden, indem die Leuchtdiode mit einem Leuchtstoff kombiniert wird, der im Ultraviolettbereich angeregt wird.
Das Laserbauelement zeigt eine ausgezeichnete Halbwertsbreite (FWHM), um ausgezeichnete Auflösung zu erhalten, und ist daher als Lichtquelle zur Fotolithographie und für künstlerische optische Zwecke von Nutzen.
Die Erfindung kann in verschiedenen anderen Ausführungsformen realisiert sein, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Daher sollte beachtet werden, daß die hierin beschriebenen Ausführungsformen in allen Aspekten lediglich Beispiele sind und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken, der in den Ansprüchen festgelegt ist. Ferner ist zu beachten, daß alle Varianten und Abwandlungen der Erfindung, die in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, zum Schutzumfang der Erfindung gehören.

Claims

Lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit: einer aktiven Schicht (12) mit einer Quantentopfstruktur, die mindestens eine aus Nitridhalbleiter gebildete Topfschicht (1a, 1b, 1c) und mehrere aus Nitridhalbleiter gebildete Sperrschichten (2a, 2b) aufweist, wobei mindestens eine der Sperrschichten Al aufweist; einer Schicht (11) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einer Schicht (13) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die aktive Schicht (12) zwischen der Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp und der Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eingefügt ist; wobei die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine n-Schicht ist, die n-Nitridhalbleiter enthält, und die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine p-Schicht ist, die p-Nitridhalbleiter enthält, die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die aktive Schicht (12) und die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in dieser Reihenfolge gestapelt sind, eine erste Sperrschicht (2a) benachbart zur Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp und zu einer der Topfschichten vorgesehen ist und eine zweite Sperrschicht (2b) benachbart zur Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp und zu einer der Topfschichten vorgesehen ist; die zweite Sperrschicht (2b) eine niedrigere Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht (2a) hat, wobei die Differenz der Bandlückenenergie zwischen der ersten Sperrschicht (2a) und der zweiten Sperrschicht (2b) min destens 0,02 eV beträgt und die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine Trägereingrenzungsschicht (28) mit einer höheren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht (2a) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Sperrschicht (2a) im Bereich von 3 nm bis 15 nm liegt und die Dicke der zweiten Sperrschicht (2b) im Bereich von 5 nm bis 30 nm liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Sperrschicht (2a) in der aktiven Schicht (12) am nächsten zur Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist und die zweite Sperrschicht (2b) in der aktiven Schicht (12) am nächsten zur Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Sperrschicht (2b) an der äußersten Position in der aktiven Schicht (12) liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine erste Halbleiterschicht (26) mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei die erste Halbleiterschicht (26) und/oder die Trägereingrenzungsschicht (28) benachbart zur aktiven Schicht (12) vorgesehen sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine zweite Halbleiterschicht (29) mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht aufweist und die zweite Halbleiterschicht von der aktiven Schicht (12) über die Trägereingrenzungsschicht getrennt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 6, wobei die Trägereingrenzungsschicht mit einer p-Verunreinigung dotiert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei Mantelschichten (25, 30) in der Schicht (11, 13) vom ersten bzw. zweiten Leitfähigkeitstyp über die erste Halbleiterschicht (26) und die zweite Halbleiterschicht (29) getrennt von der aktiven Schicht (12) vorgesehen sind und die Mantelschicht (25) in der Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine höhere Bandlückenenergie als die erste Halbleiterschicht hat und die Mantelschicht (30) in der Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eine höhere Bandlückenenergie als die zweite Halbleiterschicht hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei ein Wellenleiter gebildet ist, wobei die aktive Schicht (12) zwischen den Mantelschichten (25, 30) zur optischen Eingrenzung eingefügt ist, die in der Schicht (11, 13) vom ersten bzw. zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind, und eine optische Leiterschicht (26), die in der Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, die erste Halbleiterschicht (26) hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die optische Leiterschicht (29), die in der Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, die zweite Halbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste und/oder zweite Halbleiterschicht aus Al aufweisendem Halbleiter gebildet und ihr Al-Mischkristallverhältnis niedriger als das der aus Nitridhalbleiter gebildeten ersten Sperrschicht sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die erste Sperrschicht (2a) eine höhere Bandlückenenergie als die Mantelschicht (25) hat.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die aktive Schicht (12) eine Quantentopfstruktur mit mehreren Topfschichten hat, eine Innensperrschicht zwischen der ersten Sperrschicht (2a) und der zweiten Sperrschicht (2b) über die Topfschicht vorgesehen ist und die Innensperrschicht eine andere Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, wobei die Innensperrschicht eine höhere Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht (2b) hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei die erste Sperrschicht (2a) eine höhere Bandlückenenergie als die Innensperrschicht hat.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die aktive Schicht (12) eine Quantentopfstruktur mit mehreren Topfschichten hat, eine Innensperrschicht zwischen der ersten Sperrschicht (2a) und der zweiten Sperrschicht (2b) über die Topfschicht vorgesehen ist und die Innensperrschicht eine andere Bandlückenenergie als die zweite Sperrschicht (2b) hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, wobei die erste Sperrschicht (2a) eine höhere Bandlückenenergie als die Innensperrschicht hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine erste Halbleiterschicht (26) mit einer niedrigeren Bandlückenenergie als die erste Sperrschicht (2a) aufweist und die Innensperrschicht eine niedrigere Bandlückenenergie als die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp hat.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die aktive Schicht (12) die aus Nitridhalbleiter gebildete Topfschicht (1a) und die aus Nitridhalbleiter gebildete Sperrschicht aufweist, die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter enthält, die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter enthält und die Topfschicht aus GaN oder aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet ist, der eine höhere Bandlückenenergie als GaN hat.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei die Zusammensetzung der Topfschicht GaN, Al_xGa_1-xN (0 < x ≤ 1) oder Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 1, x + y < 1) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Zusammensetzung der Sperrschicht Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1, u + v < 1) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Differenz zwischen dem Al-Mischkristallver hältnis u der ersten Sperrschicht (2a) und dem Al-Mischkristallverhältnis x der Topfschicht mindestens 0,1 beträgt, d. h. u – x ≥ 0,1.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die aktive Schicht (12) die aus Nitridhalbleiter gebildete Topfschicht (1a) und die aus Nitridhalbleiter gebildete Sperrschicht aufweist, die Schicht (11) vom ersten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter enthält, die Schicht (13) vom zweiten Leitfähigkeitstyp Nitridhalbleiter enthält und die Zusammensetzung der Topfschicht (1a) In_zGa_1-zN (0 < z < 1) ist und die Zusammensetzung der Sperrschicht Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 < u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1, u + v < 1) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei die erste Halbleiterschicht (26) aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei die zweite Halbleiterschicht (29) aus Al aufweisendem Nitridhalbleiter gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Sperrschicht (2a) eine kleinere Dicke als die zweite Sperrschicht (2b) hat.