DE19905516C2 - Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselben

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen und insbesondere auf das Umgehen mit Belastungen und das Steuern von Verunreinigungen in den aufgewachsenen Schichten.
Gegenwärtig existiert kein Substratmaterial, das die Gitter­ konstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ver­ bindungen und Legierungen in dem III-V-Nitridmaterialsystem anpassen kann. Somit ist die Fähigkeit, hochqualitative Filme der III-V-Nitride (AlInGaN) durch Standardepitaxie­ techniken (z. B. organisch-metallische Dampfphasenepitaxie (OVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Hydriddampfphasen­ epitaxie (HVPE)) auf fehlangepaßte Substrate, wie z. B. Saphir und Siliziumcarbid, aufzuwachsen, eine Schlüsselkom­ ponente, um hochqualitative Schichten zu erzeugen, und um ein optimales Bauelementeverhalten zu erreichen. Das Wachs­ tum von AlInGaN-Schichten bei typischen Wachstumstempera­ turen (< 1.000°C) resultiert in Filmen, die aus einer mosa­ ikartigen Ansammlung von hexagonalen Kristallisationskernen bestehen. Diese Schichten zeigen eine sehr rauhe Morpho­ logie, sehr hohe Hintergrund-Donatorkonzentrationen, und dieselben sind für eine Sprungbildung sehr anfällig.
Die Verwendung von Kernbildungs- oder Pufferschichten, die bei niedrigen Temperaturen (400 bis 900°C) auf Saphir und bei höheren Temperaturen auf Siliziumkarbid aufgebracht wer­ den, bevor das Wachstum bei hoher Temperatur durchgeführt wird, erlaubt es, daß das Kristallwachstum mit dramatisch verbesserter Qualität der epitaxialen Nitridfilme durchge­ führt werden kann. Gegenwärtig bestehen diese Pufferschich­ ten aus AlN, GaN oder einer bestimmten Zusammensetzung zwi­ schen den zwei Binärmaterialien. Die Einfügung dieser Nie­ dertemperatur-Pufferschicht liefert die Einrichtung, durch die drastische Differenzen in 1) Gitterparameter, 2) ther­ mischer Ausdehnung, 3) Oberflächenenergie und 4) Kristallo­ graphie zwischen dem Substrat, z. B. Saphir, und der Ni­ trid-Epischicht überwunden werden.
Nitridbasierte lichtemittierende Dioden (LEDs) umfassen ty­ pischerweise ein Substrat, eine Kernbildungs- oder Puffer­ schicht, eine n-Typ-Leitschicht, eine aktive Schicht, eine p-Typ-Leitschicht und Metallkontakte auf der n- und der p- Typ-Schicht. Eine schematische Darstellung einer allgemeinen LED ist in Fig. 1 gezeigt. Nitrid-LEDs haben typischerweise die in Fig. 2 gezeigte Struktur. Die Kernbildungsschicht ist üblicherweise aus AlN, GaN oder AlGaN.
Eine zusätzliche Komplikation beim Umgang mit der Nitrid­ epitaxie ist das Problem der Sprungbildung. Eine Sprungbil­ dung tritt auf, wenn die epitaxialen Filme unter Spannung gezogen werden, und zwar aufgrund: 1) einer Gitterfehlanpas­ sung zwischen Substrat und Film, 2) einer Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Film, 3) hohen Dosierpegeln und 4) einer Gitterfehlanpassung aufgrund beabsichtigter Zusammensetzungsmodulationen während des Wachstums eines Nitridbauelements. Typische nitridba­ sierte Bauelemente zeigen stark dotierte Schichten, in denen die Dotierungskonzentrationen oft 1018-1019 cm-3 über­ schreiten, und mehrere Zusammensetzungs-Heterogrenzflächen. Obwohl diese Probleme, die einer Gitter- und thermischen Fehlanpassung zugeordnet sind, unter Verwendung existieren­ der Kernbildungsschichttechnologien unter Steuern der Erwär­ mungs- und Abkühlungssituationen, die dem Wachstum zugeord­ net sind, adäquat angegangen werden können, kann eine Sprungbildung aufgrund einer Dotierung und aufgrund beab­ sichtigter Zusammensetzungsschwankungen nicht durch solche Verfahren gelöst werden.
Die Sprungbildung stellt ein wesentliches Problem dar, wenn GaN-Schichten mit Si (das einen Ionenradius hat, der 30% kleiner als der von Gallium ist, wobei Gallium das Atom ist, anstatt dessen Silizium eingesetzt wird) n-Typ-dotiert sind, und wenn Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen auf­ einander aufgebracht werden. Der zweite Fall ist besonders problematisch, wenn die oben aufgewachsene Schicht einen kleineren a-Achsen-Gitterparameter als die Schicht hat, auf der sie aufgewachsen ist, z. B. AlN oder AlGaN auf GaN, auf­ grund der sehr starren Elastizitätskonstanten, die die III- V-Nitride zeigen. Zusätzlich zeigen Heterostrukturen, die aus Nitridschichten bestehen, allgemein eine Ausrichtung entlang der a-Achse, die parallel zu der Substrat-Film- Grenzfläche ist, und dieselben sind nur entlang der c-Achse verzerrt, die senkrecht zu der Substrat-Film-Grenzfläche ist. Wenn somit eine Schicht einen kleineren relaxierten a-Achsen-Parameter hat als die Schicht, auf der sie aufge­ wachsen ist, wird eine Zugspannung in dieser Schicht einge­ führt, um die Grenzfläche in Ausrichtung zu halten.
Ein weiteres Problem, das beim Aufwachsen von Kristallen auftritt, ist typischerweise das Problem der unerwünschten Verunreinigungen in ansonsten reinen Kristallen. Unter den üblichen Verunreinigungen, die während des Verfahrens des Kristallwachstums auftreten können, und zwar unabhängig von dem verwendeten Verfahren, wird Sauerstoff als die problema­ tischste Verunreinigung angesehen. Sauerstoff kann die Fä­ higkeit wesentlich begrenzen, die Leitfähigkeit, die Bela­ stung und die optische Lumineszenz zu steuern. Sauerstoff­ quellen können Reaktandenquellen, Reaktorwände und Hardware, Graphit-Suszeptoren oder Boote und sogar die Substratwafer selbst sein. Weitere Sauerstoffquellen sind denkbar.
Die DE 196 29 720 A1 zeigt eine lichtemittierende Halblei­ tervorrichtung mit einer aktiven InGaAlN-Schicht, die auf einem Saphirsubstrat ausgebildet ist, wobei eine ZnO-Puffer­ schicht für eine Gitteranpassung auf dem Substrat ausge­ bildet ist.
Die DE 197 25 578 A1 betrifft die Reduzierung der Rißbildung im Material von III-V-Halbleiterbauelementen bei einer gleichzeitigen Maximierung einer elektrischen Dotierung. Das betreffende Bauelement umfaßt ein Substrat, auf dem eine aktive Schicht aus AlGaIn aufgebracht ist, wobei zusätzlich eine Pufferschicht zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat angeordnet ist.
Die EP 0 731 512 A2 offenbart eine lichtemittierende Diode mit einer Doppel-Heterostruktur und einer InGaN-Puffer­ schicht, auf der die lichtemittierende Schicht gebildet ist.
In dem Artikel "Improvements in AlGaAs laser diodes grown by molecular beam epitaxy using a compositionally graded buffer layer" von T. Hayakawa u. a. in Applied Physics Letters 49 (4), 1986, S. 191-193 werden AlGaAs-Laserdioden beschrieben, die eine Pufferschicht aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine lichtemittierende Diode mit einer höheren Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu schaffen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Diese Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Diode gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 4 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Grenzflächen­ schicht zu einer lichtemittierenden Diode oder einer Laser­ diodenstruktur hinzugefügt, um die Rolle des Umgehens mit Belastungen und des Getterns von Verunreinigungen zu über­ nehmen. Eine Schicht aus AlxInyGa1-x-yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), die mit Mg, Zn, Cd dotiert ist, kann für diese Schicht verwendet werden. Die Grenzflächenschicht wird direkt auf der Pufferschicht vor dem Wachstum der n-Typ- (GaN : Si-) Schicht und dem Rest der Bauelementestruktur aufgebracht. Die Dicke der Grenzflächenschicht variiert von 0,01 bis 10,0 µm.
Die Grenzflächenschicht erhöht die Bauelementezuverlässig­ keit und Reproduzierbarkeit, da die Probleme, die der Sprungbildung, des Schichtzusammenwachsens und des Einfan­ gens von Verunreinigungen zugeordnet sind, in eine Region des Bauelements verlagert sind, die während des Bauelemente­ betriebs nicht aktiv ist. Zur Veranschaulichung dient die Grenzflächenschicht zum "Gettern" oder zum "Einfangen" der Restverunreinigungen (z. B. O) in der Anfangsschicht der Struktur. Zusätzlich reinigt dieses Verfahren ferner die Kammer- und die Reaktorkomponenten, indem sie dieselben frei von unerwünschten Verunreinigungen macht, die ansonsten sgä­ ter vorhanden sein würden, wenn die kritischeren Schichten, z. B. die aktive Schicht oder die p-Typ-Schichten, in der Struktur aufgewachsen werden. Die bevorzugten Ausführungs­ beispiele für diese Schicht umfassen GaN : Mg und AlGaN : Mg für die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht, da sowohl Mg als auch Al eine hohe Affinität für Sauerstoff haben. Zu­ sätzlich reduziert die Verwendung dieser Grenzflächenschicht die Belastung und verringert die Antriebskraft zum Sprung­ bilden durch Verändern des Wesens des Belastungszustands der Nitrid-Epischicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine lichtemittierende Diode gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine typische nitridbasierte LED gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine lichtemittierende Diode gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein SIMS-Profil einer GaN : Mg-Schicht, wo die Anwe­ senheit von O an der Grenzfläche deutlich zu sehen ist;
Fig. 5 das Tiefenprofil für Mg einer bekannten LED; und
Fig. 6 das Tiefenprofil für Mg unter Verwendung des Ver­ fahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung 10 dar. Eine Grenzflächenschicht 16 ist einer licht­ emittierenden Diodenstruktur oder einer Laserdiodenstruktur hinzugefügt worden, um die Rolle des Umgehens mit Belastun­ gen und des Getterns von Verunreinigungen zu übernehmen. Eine Schicht aus AlxInyGa1-x-yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), die mit Mg, Zn, Cd dotiert ist, kann als Grenzflächenschicht verwendet werden. Die Grenzflächenschicht 16 wird vor dem Wachstum der n-Typ- (GaN : Si-) Schicht 18, der aktiven Region 20 und der p-Typ-Schicht 22 direkt auf der Pufferschicht 14 aufgebracht. Die Dicke der Grenzflächenschicht variiert von 0,01 bis 10,0 µm und hat einen bevorzugten Dickenbereich von 0,25 bis 1,0 µm. Metallkontaktschichten 24A, 24B sind auf der p-Typ-Schicht 22 bzw. auf der n-Typ-Schicht 18 aufgebracht.
Die Grenzflächenschicht erhöht die Bauelementezuverlässig­ keit und die Reproduzierbarkeit durch "Gettern" oder Einfan­ gen der Restverunreinigungen, z. B. Sauerstoff, in der Anfangsschicht der Struktur. Das Verfahren reinigt ferner die Kammer- und die Reaktorkomponenten, indem sie dieselben von weiteren Verunreinigungen frei macht, die ansonsten spä­ ter vorhanden sein würden, wenn die kritischeren Schichten, z. B. die aktive Schicht oder die p-Typ-Schichten, in der Struktur aufgewachsen werden. Das bevorzugte Ausführungsbei­ spiel verwendet GaN : Mg als Zusammensetzung der Grenzflächen­ schicht, da Mg eine hohe Affinität für Sauerstoff hat. Allgemein sind die Quellen, die durch die Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Verunreinigungen ungünstig beeinflußt werden, z. B. die, die Mg, Zn und Al enthalten, einfacher zu verwenden und für Vorreaktionen und schließlich eine Gasphasenverarmung weniger anfällig, nachdem die Grenzflächenschicht aufgewachsen ist.
Fig. 4 zeigt ein Sekundärionenmassenspektrometrie-Profil (SIMS-Profil; SIMS = Secondary Ion Mass Spectrometry) einer GaN : Mg-Schicht, in dem die Anwesenheit von Sauerstoff an der Grenzfläche deutlich zu sehen ist. Nach den ersten 0,25 bis 0,35 µm ist die Konzentration von Sauerstoff auf den SIMS- Hintergrundpegel reduziert, was anzeigt, daß der Sauerstoff in diesem nicht-kritischen Abschnitt der Struktur eingefan­ gen worden ist. Fig. 5 zeigt das Mg-Profil in einer GaN-ba­ sierten LED. Die Mg-dotierte Region auf der rechten Seite der Figur ist die Grenzflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Das In-Profil ist als Markierer vorhanden und zeigt die Position der aktiven Region an.
Wenn die GaN : Si-Schicht direkt auf die Pufferschicht aufge­ bracht wird (was für GaN-basierte optoelektronische Bauele­ mente typisch ist), besteht die Tendenz, daß die Sprungbil­ dung ein Problem ist. Si hat einen kleineren Atomradius als Ga (0,041 gegenüber 0,062 nm). Filme, die mit Si dotiert sind, werden in einem Spannungszustand aufgewachsen, welcher ein ungünstiger Zustand für zerbrechliche Materialien, z. B. GaN, ist. Die Größe der Ionenradien von Mg und Zn sind mit denen des Atoms vergleichbar, anstatt dessen dieselben eingebracht werden, wenn dotiert wird (Ga = 0,062 nm; Mg = 0,066 nm; Zn = 0,076 nm). Zusätzlich beträgt der Ionenradius von Cd 0,094 nm. Ein Einfügen dieser Atome in die GaN-Schicht verschiebt den Spannungszustand, der den Dotierstoffverunreinigungen zugeordnet ist, in eine Kompression, welche ein sehr günstiger Zustand für GaN ist. Auf ähnliche Art und Weise wird die GaN-Schicht in einem Zustand der Kompression sein, wenn GaN auf AlGaN auf­ gewachsen ist, wobei AlGaN eine kleinere Gitterkonstante als GaN hat, was in einer wesentlichen Reduktion der Sprung­ bildung resultiert.
Im Stand der Technik besteht ein Hauptproblem, das in allen Herstellungsprozessen, die Mg als Dotierstoffquelle verwen­ den, zu sehen ist, im Punkt der Einschaltzeit. Aufgrund sei­ nes reaktiven Wesens und seiner starken Anziehung zu Feuch­ tigkeit und Sauerstoff sowie zu der Reaktorverblombung und den Reaktorwänden ist Mg eine Verunreinigung, die während des Kristallwachstums sehr schwer gesteuert werden kann. Oft nimmt das chemische Profil für Mg eine längere Zeit und eine wesentliche Filmdicke ein, bevor eine Gleichgewichtskonzen­ tration erreicht wird. Da die Trägermobilität und Lebens­ dauer für Löcher in GaN : Mg im allgemeinen niedrig sind, ist die Plazierung von Mg und daher die Position des p-n-Über­ gangs für einen effizienten LED-Betrieb wesentlich. Da die Dicke der Grenzflächenschicht im allgemeinen größer als die Dicke ist, die erforderlich ist, um die Gleichgewichtskon­ zentration von Magnesium zu erreichen, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die Zeit wesentlich zu redu­ zieren, die benötigt wird, um eine Gleichgewichtskonzentra­ tion zu erreichen. Das Resultat ist ein viel schärferes Mg- Profil, wodurch ein scharfer Übergang zwischen der n- und der p-Typ-Schicht in der Struktur erzeugt wird, wodurch der Bauelementewirkungsgrad erhöht wird. Ein Vergleich zwischen den Profilen unter Verwendung des Stands der Technik und unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 5 gegeben. Beide y-Achsen sind normiert, um eine ab­ solute Mg-Konzentration von 5 × 1018-5 × 1021 cm-3 wieder­ zugeben.

Claims (4)

1. Lichtemittierende Diode (10) mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (12);
einer Pufferschicht (14), die über dem Substrat gebil­ det ist;
einer Grenzflächenschicht (16), die über der Puffer­ schicht gebildet ist und entweder eine Zusammensetzung hat, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Legie­ rungen aus GaN, GaP und GaAs umfaßt oder aus einer AlInGaN-basierten Verbindung besteht;
einer n-Typ-Schicht (18), die über der Grenzflächen­ schicht gebildet ist;
einer aktiven Region (20), die über der n-Typ-Schicht gebildet ist;
einer p-Typ-Schicht (22), die über der aktiven Region gebildet ist; und
zwei elektrischen Kontakten (24A, 24B), von denen ei­ ner mit der n-Typ-Schicht verbunden ist, während der andere mit der p-Typ-Schicht verbunden ist;
wobei die Grenzflächenschicht ferner einen Dotierstoff umfaßt, der einen Ionenradius in der Größenordnung des Atoms hat, das ersetzt wird, wobei der Dotierstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mg, Zn und Cd umfaßt.
2. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (10) mit folgenden Schritten: Bilden einer Pufferschicht (14) über einem transparen­ ten Substrat (12);
Bilden einer Grenzflächenschicht (16) über der Puffer­ schicht (14), wobei die Grenzflächenschicht (16) eine Zusammensetzung hat, die eine Affinität für ausgewähl­ te Verunreinigungen hat;
Bilden einer n-Typ-Schicht (18) über der Grenzflächen­ schicht (16);
Bilden einer aktiven Region (20) über der n-Typ- Schicht (18);
Bilden einer p-Typ-Schicht (22) über der aktiven Re­ gion (20); und
Aufbringen von zumindest zwei Metallkontaken (24A, 24B), wobei einer der Metallkontakte mit der n-Typ- Schicht verbunden ist, während der andere der Metall­ kontakte mit der p-Typ-Schicht verbunden ist;
wobei die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine GaN : Mg-basierte Verbindung ist.
3. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 2, bei dem die Zusammensetzung der Grenzflächenschicht eine AlInGaN­ basierte Verbindung ist.
4. Lichtemittierende Diode (10) mit folgenden Merkmalen:
einem transparenten Substrat (12);
einer Pufferschicht (14), die über dem transparenten Substrat (12) gebildet ist;
einer Grenzflächenschicht (16), die über der Puffer­ schicht (14) gebildet ist und eine Zusammensetzung aufweist, die eine Affinität für spezifische Verunrei­ nigungen hat;
einer ersten Schicht (18) mit einem ersten Typ, die über der Grenzflächenschicht (16) gebildet ist;
einer aktiven Region (20), die über der ersten Schicht (18) gebildet ist;
einer zweiten Schicht (22) mit einem zweiten Typ, die über der aktiven Region (20) gebildet ist; und
einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (24A, 24B), wobei der erste Kontakt mit der ersten Schicht verbunden ist, während der zweite Kontakt mit der zweiten Schicht verbunden ist;
wobei die Grenzflächenschicht (16) ferner einen Do­ tierstoff aufweist, der einen Ionenradius hat, der zu dem Ionenradius des Stoffes ähnlich ist, den derselbe ersetzt, wobei der Dotierstoff eine Affinität zu Sauerstoff hat.
DE19905516A 1998-06-05 1999-02-10 Lichtemittierende Diode mit dotierter Grenzflächenschicht zum Steuern von Verunreinigungen und Verfahren zum Herstellen derselben Expired - Lifetime DE19905516C2 (de)

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