DE69333250T2 - Lichtemittierende Vorrichtung aus einer Verbindung der Galliumnitridgruppe - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleiter aus einer Galliumnitridverbindung, die blaues Licht emittiert.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik:
  • Bei den herkömmlichen lichtemittierenden Dioden ist diejenige, die blaues Licht emittiert, ein Halbleiter aus einer Galliumnitridverbindung. Sie erregt Aufmerksamkeit aufgrund ihrer aus dem direkten Übergang resultierenden hohen Leuchteffizienz und aufgrund ihrer Fähigkeit, blaues Licht zu emittieren, eine der drei Hauptfarben des Lichts.
  • Die lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleiter aus einer Galliumnitridverbindung besteht aus einem Saphirsubstrat, einer n-Schicht, die auf dem Substrat aus einem Halbleiter mit n-Leitung aus einer GaN-Verbindung aufgewachsen ist, mit oder ohne einer Pufferschicht aus Aluminiumnitrid, die zwischen diesen angeordnet ist, und einer i-Schicht, die auf der n-Schicht aus einem Halbleiter aus einer GaN-Verbindung aufgewachsen ist und die durch Dotieren mit einer p-artigen Verunreinigung i- artig gemacht wird (offengelegte japanische Patente Nr. 119196/1957 und Nr. 188977/1988).
  • Es ist bekannt, dass die vorstehend erwähnte lichtemittierende Diode eine verbesserte Leuchtintensität haben wird, wenn die i-Schicht mit einer großflächigen Elektrode bereitgestellt ist, da die Lichtemission direkt unter oder nahe der i-Schicht statt findet.
  • Über das Studium des Kristallwachstums für lichtemittierende Dioden aus einem Halbleiter aus einer GaN-Verbindung ist viel berichtet worden. Allerdings ist nur wenig über das Verfahren zur Herstellung solcher lichtemittierenden Dioden berichtet worden. Dies gilt insbesondere für die Elektrode für die i-Schicht in der lichtemittierenden Diode einer MIS-Struktur (metal insulator semiconductor/Metall-Isolator-Halbleiter). Diese ist nur in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 46669/1982 offenbart worden, und bislang gab es keine Diskussion darüber, wie die Elektrode für die i-Schicht mit der Lichtemission verknüpft ist.
  • Die Elektrode für die i-Schicht hat die Schichtstruktur, die in einem vertikalen Schnitt in 8 gezeigt ist, die eine Wiedergabe aus dem vorstehend angegebenen japanischen Patent ist. In 8 ist eine lichtemittierende Diode 60 gezeigt, die eine Elektrode 67 für die i-Schicht und eine Elektrode 68 für die n-Schicht hat. Die Elektrode 67 ist aus Nickel gebildet, das auf einem direkt auf der i-Schicht abgeschiedenem Aluminiumsubstrat abgeschieden ist. Die Elektrode 68 ist ebenfalls aus Nickel gebildet, das auf einem Aluminiumsubstrat abgeschieden ist, das in einem die i-Schicht durchdringenden Loch abgeschieden ist.
  • Ein Nachteil des Bildens der Elektrode auf Aluminium, das in direktem Kontakt mit der i-Schicht steht, besteht darin, dass Licht eher von groben Punkten als von einer gleichförmigen Fläche emittiert wird, wie es in 5(a) gezeigt ist. Die resultierenden lichtemittierende Diode hat trotz ihres großen lichtemittierenden Bereiches keine verstärkte Leuchtintensität.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde vervollständigt, um das vorstehend erwähnte Problem anzugehen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende Diode aus einem Halbleiter aus einer GaN-Verbindung bereitzustellen, die ein blaues Licht eher von einer Fläche als von Punkten emittiert, um die Leuchtintensität zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung wird einer lichtemittierenden Vorrichtung aus einem Halbleiter aus einer Galliumnitridverbindung ausgeführt, wie es im angehängten Anspruch 1 spezifiziert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 ausgeführt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Struktur der lichtemittierenden Diode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die 2 bis 4 sind vertikale Schnittansichten, die die Schritte zur Herstellung der lichtemittierenden Diode gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Die 5 ist eine mikrophotographische Aufnahme, die die Metalloberflächenstruktur (als das Lichtemissionsmuster) jedes Substratmetalls der Elektrode für die i-Schicht zeigt.
  • Die 6 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Struktur der lichtemittierenden Diode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die 7 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Struktur der lichtemittierenden Diode gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die 8 ist eine vertikale Schnittansicht, die die Struktur einer herkömmlichen lichtemittierenden Diode zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Beispiel 1
  • Die Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben. Die 1 zeigt in einem vertikalen Schnitt eine lichtemittierende Diode 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie hat ein Saphir-Substrat 1, auf dem nacheinander eine Pufferschicht 2 aus AlN, (50 nm dick), eine n+-Schicht 3 aus GaN mit einer hohen Trägerdichte (2,2 μm dick), eine n-Schicht 4 aus GaN mit einer geringen Trägerdichte (1,5 μm dick), eine i-Schicht 5 aus GaN (0,1 μm dick), eine Elektrode 7 aus Aluminium und eine Elektrode 8 aus Aluminium (die mit der n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte in Kontakt steht) gebildet sind.
  • Diese lichtemittierende Diode 10 wird durch die Schritte hergestellt, die nachstehend mit Bezug auf die 2 bis 4 erläutert werden.
  • Das Gesamtverfahren wurde unter Verwendung von NH3, H2 (Trägergas), Trimethylgallium Ga(CH3)3 (kurz TMG), Trimethylaluminium Al(CH3)3 (kurz TMA), Silan SiH4 und Diethylzink (kurz DEZ) durchgeführt.
  • Zuerst wurde das Saphir-Substrat 1 aus einen Einkristall (mit der a-Ebene (d. h. {1120} als der Hauptebene) durch Waschen mit einem organischen Lösungsmittel und durch anschließende Hitzebehandlung gereinigt. Dann wurde es auf dem Sekundärzylinder in der Reaktionskammer für metallorganische Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) angeordnet. H2 wurde unter Normaldruck mit einer Strömungsrate von 2 L/min in die Reaktionskammer eingeführt, um bei 1100°C Gasphasen-Ätzen an dem Saphir-Substrat durchzuführen.
  • Bei einer verringerten Temperatur von 400°C wurden H2, NH3 und TMA mit einer Strömungsrate von 20 L/min, 10 L/min bzw. 1,8 × 10–5 mol/min in die Reaktionskammer eingeführt, um die Pufferschicht 2 aus AlN (50 nm dick) zu bilden.
  • Während die Temperatur des Saphir-Substrats bei 1150°C gehalten wurde, wurden H2, NH3, TMG und SiH4 (mit H2 auf 0,86 ppm verdünnt) mit einer Strömungsrate von 20 L/min, 10 L/min, 1,7 × 10–4 mol/min bzw. 200 mL/min für 30 Minuten in die Reaktionskammer eingeführt, um die n+-Schicht 3 aus GaN mit hoher Trägerdichte (2,2 μm dick) mit einer Trägerdichte von 1,5 × 1018/cm3 zu bilden.
  • Während die Temperatur des Saphirsubstrats 1 auf 1150°C gehalten wurde, wurden H2, NH3 und TMG mit einer Strömungsrate von 20 L/min, 10 L/min bzw. 1,7 × 10–4 mol/min für 20 Minuten in die Reaktionskammer eingeführt, um die n-Schicht 4 aus GaN mit geringer Trägerdichte (1,5 μm dick) mit einer Trägerdichte von 1 × 1015/cm3 zu bilden.
  • Während die Temperatur des Saphir-Substrats 1 auf 900°C gehalten wurde, wurden H2, NH3, TMG und DEZ mit einer Strömungsrate von 20 L/min, 10 L/min, 1,7 × 10–4 mol/min bzw. 1,5 × 10–4 mol/min für eine Minute in die Reaktionskammer eingeführt, um die i-Schicht 5 aus GaN (0,1 μm dick) zu bilden.
  • Auf diese Weise wurde die in 2(a) gezeigte Multischicht-Struktur erhalten.
  • Auf der i-Schicht 5 wurde wie in 2(b) gezeigt die SiO2-Schicht 11 (2000 Å dick) durch sputtern gebildet. Die SiO2-Schicht 11 wurde mit einem Photolack 12 überzogen, der anschließend nach der Konfiguration der Elektrode für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte durch Photolithographie gemustert wurde. Der frei liegende Teil der SiO2-Schicht 11 wurde durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure wie in 2(c) gezeigt entfernt. Der frei liegende Teil der i-Schicht 5, der darunter liegende Teil der n-Schicht 4 mit geringer Trägerdichte und der darunter liegende obere Teil der n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte wurde durch Trockenätzen mit BCl3-Gas, das mit einer Strömungsrate von 10 ml/min bei 5,33 Pa (0,04 Torr) zugeführt wurde, zusammen mit einer Hochfrequenz-Energie von 0,44 W/cm2 entfernt, gefolgt von Trockenätzen mit Ar, wie in 3(d) gezeigt. Die auf der i-Schicht 5 verbleibende SiO2-Schicht 11 wurde mit der Hilfe von Fluorwasserstoffsäure wie in 3(e) gezeigt entfernt.
  • Während die Temperatur bei 225°C und das Vakuum bei 1,07 × 10–4 Pa (8 × 10–7 Torr) gehalten wurde, wurde die Probe vollständig durch Gasabscheidung wie in 3(f) gezeigt mit der Ni-Schicht 13 (300 nm dick) überzogen. Die Ni-Schicht 13 wurde mit einem Photolack 14 überzogen, der anschließend nach der Konfiguration der Elektrode für die i-Schicht 5 durch Photolithographie gemustert wurde.
  • Der unmaskierte Teil der Ni-Schicht 13 wurde mit Salpetersäure weggeätzt und der Photolack 14 wurde mit Aceton entfernt, so dass die Ni-Schicht 13 wie in 4(g) gezeigt teilweise verblieb, auf der die Elektrode für die i-Schicht 5 anschließend gebildet wurde.
  • Während die Temperatur bei 225°C und das Vakuum bei 1,07 × 10–4 Pa (8 × 10–7 Torr) gehalten wurde, wurde die Probe wie in 4(h) gezeigt durch Gasabscheidung vollständig mit der Al-Schicht 15 (300 nm dick) überzogen.
  • Die Al-Schicht 15 wurde mit einem Photolack 16 überzogen, der anschließend nach der Konfiguration der jeweiligen Elektroden für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte und die i-Schicht 5 durch Photolithographie gemustert wurde, wie in 4(i) gezeigt.
  • Der frei liegende Teil der Al-Schicht 15 wurde mit Salpetersäure weggeätzt und der verbleibende Photolack 16 wurde mit Aceton entfernt. So wurden die Elektrode 7 für die i-Schicht 5 und die Elektrode 8 für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte gebildet.
  • Auf diese Weise wurde die in 1 gezeigte lichtemittierende GaN-Vorrichtung mit einer MIS-Struktur erhalten.
  • Gelegentlich kann die Unterschicht 13 auf der i-Schicht 5 anstelle von Ni aus Ag oder aus einer Legierung aus Ni und Ag gebildet sein. Zudem können die Elektrode 7 für die i-Schicht 5 und die Elektrode 8 für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte anstelle von Al aus jedem Metallgebildet sein, das einen ohmschen Kontakt ermöglicht, wie etwa Ti.
  • Die so hergestellte lichtemittierende Diode 10 wurde auf durch Anlegen eines Stroms (10 mA) an die Elektroden auf ihre Leuchtintensität und Ansteuerspannung geprüft. Die Ergebnisse wurden mit jenen der herkömmlichen Elektrode verglichen, bei der die Al-Schicht direkt auf der i-Schicht gebildet ist und die eine Leuchtintensität von 30 mcd ergab. Die Ergebnisse variieren wie nachstehend in der Tabelle gezeigt in Abhängigkeit von dem für die Unterschicht der Elektrode für die i-Schicht verwendeten Metall. Die Daten für die Leuchtintensität und die Ansteuerspannung sind in Gestalt eines Indexes verglichen mit jenen der herkömmlichen Probe angegeben. Die Ti-Unterschicht bildet nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung.
  • Figure 00080001
  • Es wird bemerkt, dass die lichtemittierende Diode gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Leuchtintensität und eine niedrigere Ansteuerspannung hat als die herkömmliche Diode.
  • BEISPIEL 2
  • Eine lichtemittierende Diode wurde auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt. Wie in 6 gezeigt besteht sie aus einem Saphir-Substrat 1, einer Pufferschicht 2 aus AlN, einer n+-Schicht 3 aus GaN mit hoher Trägerdichte, einer n-Schicht 4 mit geringer Trägerdichte (1,1 μm dick) mit einer Trägerdichte von 1 × 1015/cm3, einer iL-Schicht 51 mit geringer Verunreinigungsdichte (1,1 μm dick) mit einer Zn-Dichte von 2 × 1018/cm3 und einer iH-Schicht 52 mit hoher Verunreinigungsdichte (0,2 μm dick) mit einer Zn-Dichte von 1 × 1020/cm3. Es sollte bemerkt werden, dass die i-Schicht mit 51 und 52 eine duale Struktur hat.
  • Es wurde ein Loch 60 gebildet, das die iH-Schicht 52 mit hoher Verunreinigungsdichte, die iL-Schicht 51 mit geringer Verunreinigungsdichte und die n-Schicht 4 mit geringer Trägerdichte durchdringt und die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte erreicht. In diesem Loch 60 wurde eine Elektrode 80 für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte gebildet. Eine Elektrode 70 wurde zudem für die iH-Schicht 52 mit hoher Verunreinigungsdichte gebildet.
  • Die Elektrode 70 ist aus einer ersten Ni-Schicht 71 (10 nm dick), einer zweiten Ni-Schicht 72 (100 nm dick), einer Al-Schicht 73 (150 nm dick), einer Ti-Schicht 74 (100 nm dick) und einer dritten Ni-Schicht 75 (250 nm dick) gebildet. Die Elektrode 80 ist ebenfalls aus einer ersten Ni-Schicht 81 (10 nm dick), einer zweiten Ni-Schicht 82 (100 nm dick), einer Al-Schicht 83 (150 nm dick), einer Ti-Schicht 84 (100 nm dick) und einer dritten Ni-Schicht 85 (250 nm dick) gebildet.
  • Die erste Ni-Schicht 71 (81) wurde durch Vakuumabscheidung bei 225°C gebildet. Die zweite Ni-Schicht 72 (82) wurde ebenfalls durch Vakuumabscheidung mit Erhitzen gebildet. (Die zwei Schritte wurden durch ein Intervall getrennt, in dem die Vakuumkammer geöffnet und der Waver bei Normaldruck und Normaltemperatur konditioniert wurde.) Die Al-Schicht 73 (83), die Ti-Schicht 74 (84) und die dritte Ni-Schicht 75 (85) wurden nacheinander durch Vakuumabscheidung gebildet. Die Al-Schicht 73 (83) und die Ti-Schicht 74 (84) ermöglichen es, dass eine Lötperle auf der dritten Ni-Schicht 75 (85) gebildet wird.
  • Die so hergestellte lichtemittierende Diode hat eine Ansteuerspannung zur Lichtemission, die das 0,8-fache der einer herkömmlichen Diode mit einer Aluminiumelektrode beträgt. Zusätzlich zeigt sie bei einem Strom von 10 mA eine Leuchtintensität von 150 mcd, die das 1,5-fache derjenigen der herkömmlichen Diode mit einer Aluminiumelektrode beträgt (100 mcd).
  • Es wurde zudem gefunden, dass das gleiche Ergebnis wie das vorstehend erwähnte selbst in dem Fall erhalten wird, in dem die Elektrode 70 für die iH-Schicht 52 mit hoher Verunreinigungsdichte aus Ni in einer Multischicht-Struktur und die Elektrode 80 für die n+-Schicht 3 mit hoher Trägerdichte aus Aluminium in einer Einzelschicht-Struktur gebildet ist.
  • BEISPIEL 3
  • Die lichtemittierende Diode in diesem Beispiel weicht von derjenigen im vorhergehenden Beispiel dadurch ab, dass die erste Ni-Schicht 71 (81) und die zweite Ni-Schicht 72 (82) durch eine Ni-Schicht 710 (810) mit einer Einzelschicht-Struktur, die 30 nm dick ist, wie in 7 gezeigt ersetzt werden. Dieser Unterschied in der Struktur hat mit ihrer Leistung nichts zu tun. Die Ni-Schicht 710 (810) sollte bevorzugt eine Dicke im Bereich von 50 nm bis 300 nm haben. Mit einer geringer als der angegebenen Dicke wird sie einem Angriff durch das Lötmittel ausgesetzt sein, wenn eine Lötperle gebildet wird. Bei einer Dicke größer als der angegebenen wird es dazu führen, dass sich die Lichtquelle eher nahe der Elektrode als im Zentrum befindet, und sie kann sich beim Löten in einem Lötbad leicht ablösen.

Claims (5)

  1. Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleitermaterial aus einer Galliumnitridverbindung mit einer i-Schicht (5, 52) aus i-artigem AlxGa1–xN, x ≥ 0, das mit einer p-artigen Beimengung dotiert ist, einer n-Schicht (3, 4) darunter aus n-artigem AlxGa1–xN, x ≥ 0, einer i-Schicht-Elektrode (7, 13, 70) für die i-Schicht (5, 52) und einer n-Schicht-Elektrode (8, 80) für die n-Schicht (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die n-Schicht (3, 4) und die i-Schicht (5) ihre jeweiligen Elektroden auf der gleichen Oberfläche gebildet haben und die i-Schicht-Elektrode (7, 13, 70) eine Schicht (13, 71, 710) umfasst, die in Kontakt mit der i-Schicht (5, 52) gebildet ist und aus Ni oder aus Ag oder einer Legierung aus diesen besteht.
  2. Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleitermaterial aus einer Galliumnitridverbindung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode für die i-Schicht (7, 13, 70) auf der Schicht (13) eine Überschicht (15, 7) aus Al oder einer Al-haltigen Legierung hat, die direkt auf der i-Schicht (5, 52) gebildet ist, und wobei die Elektrode für die n-Schicht (8) aus Al oder einer Al-haltigen Legierung besteht.
  3. Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleitermaterial aus einer Galliumnitridverbindung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode für die i-Schicht (70) eine Multischicht-Struktur hat, die aus der direkt auf der i-Schicht (5, 52) gebildeten Schicht (710), wobei die direkt auf der i-Schicht gebildete Schicht (710) eine Ni-Schicht ist, und einer auf der Ni-Schicht (710) gebildeten Al-Schicht (73), einer auf der Al-Schicht (73) gebildeten Ti-Schicht (74) und einer auf der Ti-Schicht (74) gebildeten weiteren Ni-Schicht (75) besteht.
  4. Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleitermaterial aus einer Galliumnitridverbindung nach Anspruch 3, wobei die direkt auf der i-Schicht gebildete Schicht eine direkt auf der i-Schicht gebildete erste Ni-Schicht (71) und eine direkt auf der ersten Ni-Schicht und unterhalb der Al-Schicht (73) gebildete zweite Ni-Schicht (72) umfasst, die dicker als die erste Ni-Schicht ist.
  5. Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Halbleitermaterial aus einer Galliumnitridverbindung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Elektrode für die n-Schicht (80) eine Multischicht-Struktur hat, die aus den gleichen Schichten in der gleichen Reihenfolge wie die entspechende i-Elektrode (70) besteht.
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