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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung, die
mit einem Nitridhalbleiter ausgestattet ist (InxAlyGa1-x-yN, 0 ≤ x, 0 ≤ y, x + y ≤ 1) wie LED
(Lumineszenzdiode) und LD (Laserdiode).
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Hintergrund der Erfindung
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Nitridhalbleiter
werden seit kurzem als Materialien für sehr helle rein grüne LED und
blaue LED hergestellt, als Lichtquellen für Ampeln, Bildscanner und dergleichen,
zur vollen farbigen LED Anzeige. Diese LED haben alle folgende Basisstruktur
wie eine Pufferschicht, eine Kontaktschicht auf der n-Seite aus
Si-dotiertem GaN, eine Aktivschicht aus InGaN in Form einer Einzelquantentopfstruktur
(SQE) oder einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) einschließlich InGaN,
eine aus mit Mg-dotierten AlGaN Claddingschicht auf der p-Seite
und eine aus Mg dotierten GaN Kontaktschicht auf der p-Seite, die
abwechselnd auf einem Saphirsubstrat laminiert werden. Solche LED
weisen ausgezeichnete Eigenschaften auf und es können beispielsweise bei 20
mA eine lichtemittierende Wellenlänge von 450 nm, 5 mW Leistungsabgabe
und 9,1 % der externen Quantenausbeute für blau leuchtende LED und eine
lichtemittierende Wellenlänge
von 520 nm, 3 mW Leistungsabgabe und 6,3 % der externen Quantenausbeute
für grüne LED erzielt
werden.
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Die
Erfinder haben als Erste eine Laserdiode realisiert, die mit einer
Wellenlänge
von 410 nm bei Raumtemperatur Licht emittiert, unter Anwendung der
obigen Nitrid-Materialien
und es in Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74 und Jpn. J. Appl. Phys.
35 (1996) L217 veröffentlicht.
Die Laserdiode besteht aus einer Doppelheterostruktur, bei der die
Aktivschicht eine Mehrfachquantentopfschicht ist (MQW) mit InGaN
Topfschichten mit folgenden Daten:
Schwellstrom: 610 mA;
Schwellstromdichte:
8,7 kA/m2;
Wellenlänge:
410 nm
(Impulslänge
2 μm und
Impulstakt 2 ms)
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Die
Erfinder waren als Erste bei der CW (Dauerwellen)-Oszillation bzw.
dem CW-Betrieb bei Raumtemperatur
erfolgreich und haben dies in Gujutsu-Sokuho von Nikkei Electronis
am 02.12.1996, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) und Appl. Phys. Lett.
69 (1996) 4056 veröffentlicht.
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Die
Laserdiode hatte bei 20 °C
bei einer Schwellstromdichte von 3,6 kA/cm2,
einer Schwellenspannung von 5,5 V und einer Leistung von 1,5 mW eine
Lebensdauer von 27 Stunden.
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Folglich
wurden die Nitridhalbleiter als Material für LED hergestellt. Und für eine LD,
für CW-Oszillation
oder -Betrieb, solange einige zehn Stunden erreicht werden können. Jedoch
ist eine weitere Steigerung der Leistungsabgabe erforderlich, um
die LEDs zur Beleuchtung oder als den direkten Sonnenstrahlen ausgesetztes
Außendisplay
und dergleichen zu verwenden. Und es ist notwendig, LDs zu verbessern,
um die Grenzbereiche innerhalb der LDs zu senken und eine längere Lebensdauer
zu erreichen und die LD als Lichtquelle wie Lichtabtaster, DVD und dergleichen
zu verwenden. Besagte LD hat einen Durchlassstrom von 20 mA und
eine Vf (Durchlassspannung) von fast 3,6 V. Weitere Senkung der Durchlassspannung
führt zur
Senkung der Wärmeentstehung
in der Vorrichtung und damit zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit.
Es ist äußerst wichtig,
die Schwellenspannung in der Laservorrichtung zu senken, um eine
längere
Lebensdauer der Vorrichtung zu realisieren.
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In
Anbetracht dieser Umstände
wurde diese Erfindung gemacht. Das Hauptziel dieser Erfindung ist
es, die Leistung der Nitridhalbleiter-Vorrichtungen wie LED und
LD zu verbessern und deren Durchlassspannung sowie Schwellenspannung
zu senken, was in einer Erhöhung
der Verlässlichkeit
der Vorrichtungen resultiert. Im Einzelnen ist das erste Ziel der vorliegenden
Erfindung, die Ladungskonzentration der n-Typ Kontaktschicht zu
erhöhen
und den spezifischen Widerstand zu senken.
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Ferner
ist das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung eine n-Typ Struktur
der Nitridschicht bereitzustellen, auf der die Ladungskonzentration
der n-Typ Kontaktschicht erhöht
wird und die Kristallinität der
Nitridhalbleiterschicht, die auf der n-Typ Kontaktschicht gebildet
wird, verbessert werden kann.
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EP 678945 beschreibt eine
lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung, die aus einem Substrat, einer
Pufferschicht, einer n-Typ Kontaktschicht, einer undotierten Schicht,
einer Aktivschicht und einer p-Typ Kontaktschicht besteht, wobei
jede Schicht aus einem Nitridhalbleiter hergestellt ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine lichtemittierende Nitridhalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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In
diesem Fall bedeutet eine undotierte Nitridhalbleiterschicht eine
absichtlich nicht dotierte Schicht und schließt eine Nitridhalbleiterschicht
ein, die eine Verunreinigung enthalten kann, die ursprünglich aus
dem Rohstoff stammt, die durch die Verunreinigung innerhalb des
Reaktors und durch Diffusion der anderen Schichten, die beabsichtigt
mit einer Verunreinigung dotiert sind, unbeabsichtigt eingefügt wird.
Eine n-Typ Verunreinigung schließt Gruppe IV Elemente wie Si,
Ge, Sn und dergleichen ein, wobei Si bevorzugt wird. Die Nitridhalbleiterschichten,
die damit laminiert sind, einschließlich der n-Typ Kontaktschicht,
können
beispielsweise aus GaN, InGaN und AlGaN hergestellt sein und vorzugsweise
sollte die n-Typ Kontaktschicht aus GaN ohne In oder Al hergestellt
sein. Die undotierte Nitridhalbleiterschichten, die auf beiden Seiten
der n-Typ Kontaktschicht gebildet werden, werden unten detailliert beschrieben.
Die n-Typ Kontaktschicht ist die zweite Schicht einer dreilagig-laminierten
Struktur, die erste Nitridhalbleiterschicht wird auf deren Substratseite gebildet
und sollte vorzugsweise aus GaN oder AlGaN hergestellt und die dritte
Nitridhalbleiterschicht auf der Gegenseite der n-Typ Kontaktschicht
zum Substrat kann bevorzugt aus GaN, InGaN oder AlGaN hergestellt
sein. Vor allem sollte die dreilagig-laminierte Struktur aus einer
undotierten GaN-Schicht (dritte Schicht)/Si-dotierten GaN-Schicht
(zweite Schicht)/undotierten GaN-Schicht (erste Schicht) bestehen,
in der die Si-dotierte n-Typ Kontaktschicht (zweite Schicht) zwischen
die undotierten GaN-Schichten eingeschoben wird.
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Die
zweite Nitridhalbleiterschicht (n-Typ Kontaktschicht) kann eine
Ladungskonzentration von nicht weniger als 3 × 1018/cm3 und einen spezifischen Widerstand von weniger
als 8 × 10–3/ Ωcm im Hinblick auf
die Beweglichkeit der Schicht haben. Der spezifische Widerstand
der konventionellen n-Typ Kontaktschicht wurde auf 8 × 10–3/Ωcm beschränkt (beispielsweise
US-A 5,733,796). Die Verminderung des spezifischen Widerstands kann
die Durchlassspannung senken. Ein spezifischer Widerstand von 6 × 10–3/Ωcm oder
weniger kann erreicht werden und noch wünschenswerter 4 × 10–3/Ωcm oder
niedriger. Die Untergrenze ist nicht festgelegt und es ist wünschenswert,
diese auf 1 × 10–5/Ωcm oder
höher festzulegen.
Wenn der spezifische Widerstand unter die Untergrenze sinkt, dann
wird der Anteil der Verunreinigung zu hoch und die Kristallinität des Nitridhalbleiters
nimmt tendenziell ab.
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Zudem
lässt man
eine Pufferschicht, die sich bei einer niedrigeren Temperatur als
die der ersten Nitridhalbleiterschicht ausdehnt, zwischen dem Substrat
und der ersten Nitridhalbleiterschicht wachsen.
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Die
Pufferschicht kann beispielsweise aus wachsendem AlN, GaN, AlGaN
und dergleichen bestehen und die Temperaturen reichen von 400 °C bis 900 °C bis zu
einer Dicke von 0,5 μm
oder weniger und sie hat die Aufgabe einer Basisschicht, um eine falsche
Gitteranpassung zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht
auszugleichen und dient zum Wachsen der ersten Nitridhalbleiterschicht mit
einer guten Kristallinität.
Besonders im Fall, wenn die erste Nitridhalbleiterschicht aus GaN
besteht, sollte die Pufferschicht vorzugsweise aus GaN bestehen.
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Weiter
sollte die Dicke der dritten Nitridhalbleiterschicht bevorzugt 0,5 μm oder weniger
betragen. Vorzugsweise sollte die Dicke der dritten Nitridhalbleiterschicht
0,2 μm,
noch besser 0,15 μm
oder weniger betragen. Die Untergrenze ist nicht festgelegt und
es ist wünschenswert,
diese auf 10 Ångström oder mehr
festzulegen, vorzugsweise 50 Ångström oder mehr
und am besten auf 100 Ångström oder mehr
(1 Ångström = 0,1
nm). Da die dritte Nitridhalbleiterschicht eine undotierte Schicht
ist und in der Regel einen hohen spezifischen Widerstand von 0,1 Ω cm oder
mehr aufweist, tendiert die Durchlassspannung im Falle, dass die
dritte Nitridhalbleiterschicht dick ist, nicht zur Abnahme.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Nitridhalbleiter-Vorrichtung vorgestellt,
die eine lichtemittierende Vorrichtung auf einem Substrat ist, und
mindestens eine n-Typ Kontaktschicht, die eine n-Elektrode auf dem
Substrat bildet, eine Aktivschicht, auf der Elektronen und Löcher rekombiniert
werden und eine p-Elektrode bildende p-Typ Kontaktschicht umfasst,
wobei jede Schicht aus Nitridhalbleitern besteht, worin die n-Typ
Kontaktschicht eine Übergitterstruktur
aufweist, die durch Laminierung von mindestens einer Nitridhalbleiterschicht
dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht
hergestellt wird. Ebenso, wie im Falle der ersten, oben beschriebenen
Nitridhalbleiter-Vorrichtung, sind die erste und die dritte Nitridhalbleiterschicht
nicht mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert und auf der ersten
und zweiten Oberfläche
der n-Typ Kontaktschicht gebildet, entsprechend einer Weise, dass
die zweite Nitridhalbleiterschicht (n-Typ Kontaktschicht) zwischen
der ersten und dritten Schicht eingeschoben wird.
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Bei
der zweiten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung bedeutet
die Übergitterstruktur
eine Struktur durch Laminierung der Nitridhalbleiterschichten, die
eine Dicke von 100 Ångström oder weniger
aufweisen, vorzugsweise 70 Ångström oder weniger
und am besten 50 Ångström oder weniger auf
der Multischichtstruktur aufweisen. Die Übergitterstruktur schließt eine
Art von Multischichtfilm ein, der durch Laminierung von Schichten,
die untereinander verschiedene Strukturen aufweisen, gebildet wird
und eine Art von Multischichtfilm, der durch die Laminierung von
Schichten mit gleicher Struktur entsteht, die jeweils unterschiedliche
Mengen von n-Typ Verunreinigungen
aufweisen. Weiter ist eine undotierte Nitridhalbleiterschicht eine
Nitridhalbleiterschicht, die nicht absichtlich mit einer Verunreinigung dotiert
ist und die gleiche Bedeutung hat, wie im oben genannten Fall der
ersten lichtemittierenden Vorrichtung.
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Auch
bei der zweiten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung
wird eine Pufferschicht, die man bei einer niedrigeren Temperatur
wachsen lässt als
die erste Nitridhalbleiterschicht, zwischen dem Substrat und der
ersten Nitridhalbleiterschicht gebildet. Die Pufferschicht kann
beispielsweise aus wachsendem AlN, GaN, AlGaN und dergleichen bestehen und
die Temperaturen reichen von 400 °C
bis 900 °C bis
zu einer Dicke von 0,5 μm
oder weniger und hat die Aufgabe einer Basisschicht, um eine falsche
Gitteranpassung zwischen dem Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht
auszugleichen und dient zum Wachsen der ersten Nitridhalbleiterschicht
mit einer guten Kristallinität.
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Die Übergitterstruktur
der n-Typ Kontaktschicht kann aus der Laminierung von zwei Arten
von Nitridhalbleiterschichten hergestellt sein, die zueinander unterschiedliche
Bandlückenenergien
aufweisen.
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In
diesem Fall ist eine der Schichten nicht mit einer Verunreinigung
dotiert, d. h. sie ist eine undotierte Schicht. Entweder ist die
Schicht, die eine höhere
Bandlückenenergie
hat, mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert oder die Schicht, die
eine niedrigere Bandlückenenergie
aufweist, ist mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert.
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Weiterhin
wird in vorliegender Erfindung die Übergitterstruktur besagter
n-Typ Kontaktschicht durch Laminierung von zwei Arten von Schichten, welche
die gleiche Struktur haben, hergestellt, es sei denn, eine der beiden
Nitridhalbleiterschichten ist eine undotierte Schicht.
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Im
Besonderen wird eine typische n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur
aus der abwechselnden Laminierung von Nitridhalbleiterschichten,
die aus einer Kombination von GaN/GaN, InGaN/GaN, AlGaN/GaN und
InGaN/AlGaN ausgewählt
werden, hergestellt und eine der Nitridhalbleiterschichten ist vorzugsweise
mit Si dotiert.
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Weiterhin
ist die dritte Nitridhalbleiterschicht undotiert und hat vorzugsweise
eine Dicke von 0,1 μm
oder weniger. Vorzugsweise besitzt die dritte Nitridhalbleiterschicht
eine Dicke von 500 Ångström oder weniger
und noch besser 200 Ångström oder weniger.
Die Untergrenze ist nicht festgelegt und es ist wünschenswert,
diese auf 10 Ångström oder höher festzulegen.
Im Falle, dass es sich bei dieser dritten Nitridhalbleiterschicht
nicht um eine Übergitterstruktur
handelt, sondern um eine undotierte Einzelschicht, ist der spezifische
Widerstand selbiger normalerweise so hoch wie 1 × 10–1/Ωcm oder
mehr. Daher tendiert, wenn die dritte Nitridhalbleiterschicht auf eine
Dicke von mehr als 0,1 μm
anwächst,
die Durchlassspannung im Gegenteil dazu, nicht abzufallen. Da die
dritte Nitridhalbleiterschicht eine undotierte Schicht ist, hat
die Nitridhalbleiterschicht eine gute Kristallinität und die
Aktivschicht, die darauf wächst, besitzt
ebenfalls eine gute Kristallinität,
was zu einer guten Verbesserung der Leistung führt.
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Die
n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur kann eine
Ladungskonzentration von nicht weniger als 3 × 1018/cm3 aufweisen und im Hinblick auf die Fließfähigkeit
der Schicht beträgt
ihr spezifischer Widerstand weniger als 8 × 10–3/Ωcm. Der spezifische
Widerstand der vorherigen n-Typ Kontaktschicht ist auf 8 × 10–3/Ωcm begrenzt,
jedoch kann die Senkung des spezifischen Widerstands zu einer Senkung
der Durchlassspannung führen,
wie im Falle der ersten Nitridhalbleiter-Vorrichtung.
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Der
realisierbare spezifische Widerstand beträgt 6 × 10–3/Ω cm oder
weniger, vorzugsweise 4 × 10–3/Ω cm oder
weniger. Die Untergrenze ist nicht im Besonderen festgelegt und
sollte wünschenswerter Weise
auf 1 × 10–5/Ω cm oder
mehr geregelt werden. Wenn der spezifische Widerstand unter der
Untergrenze liegt, dann ist der Anteil an einer Verunreinigung zu
hoch und die Kristallinität
des Nitridhalbleiters tendiert zur Verschlechterung.
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Kurze Erläuterung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematischer Schnitt der Struktur der LED-Vorrichtung der Ausführung gemäß vorliegender
Erfindung.
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2 ist
ein schematischer Schnitt der Struktur der LED-Vorrichtung einer
anderen Ausführung
gemäß vorliegender
Erfindung.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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AUSFÜHRUNG 1
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Die
erste lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht aus einem Nitridhalbleiter mit einer dreilagig-laminierten
Struktur zwischen der Aktivschicht und der Pufferschicht. Die erste
Nitridhalbleiterschicht ist deshalb undotiert, um eine zweite Nitridhalbleiterschicht
wachsen zu lassen, die eine n-Typ Verunreinigung enthält und gute
Kristallinität
aufweist. Wenn die erste Nitridhalbleiterschicht absichtlich mit
einer Verunreinigung dotiert ist, verschlechtert sich die Kristallinität derselben und
es ist schwierig, eine zweite Nitridhalbleiterschicht wachsen zu
lassen, die eine gute Kristallinität aufweist. Als nächstes wird
die zweite Nitridhalbleiterschicht mit einer n-Typ Verunreinigung
dotiert und hat einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine
hohe Ladungskonzentration, um als Kontaktschicht zu dienen und eine
n-Elektrode zu bilden. Daher ist der spezifische Widerstand der
zweiten Nitridhalbleiterschicht wünschenswerter Weise so niedrig wie
möglich,
um einen guten ohmschen Kontakt mit dem Material der n-Elektroden
zu erreichen und ist vorzugsweise niedriger als 8 × 10–3/Ω cm. Als
nächstes
ist die dritte Nitridhalbleiterschicht ebenfalls undotiert. Dies
ist der Fall, da die zweite Nitridhalbleiterschicht, die einen niedrigen
spezifischen Widerstand und eine hohe Ladungskonzentration aufweist,
keine wirklich gute Kristallinität
hat. Wenn man eine Aktivschicht, Cladding-Schicht und dergleichen
direkt auf einer solchen zweiten Nitridhalbleiterschicht wachsen
lässt,
dann nimmt die Kristallinität
dieser Schichten ab. Wenn die dritte Nitridhalbleiterschicht, die
undotiert ist und eine gute Kristallinität aufweist, zwischen diese
Schichten eingeschoben wird, dann dient die dritte Nitridhalbleiterschicht
als eine Pufferschicht, um die Aktivschicht wachsen zu lassen. Weiterhin,
wenn die undotierte Schicht mit einem relativ hohen spezifischen
Widerstand zwischen die Aktivschicht und die zweite Schicht geschoben
wird, kann der Leckstrom der Vorrichtung verhindert werden, und
die Spannungsrückwirkung
kann erhöht
werden. Die zweite Nitridhalbleiterschicht hat zudem eine Trägerdichte
von mehr als 3 × 1018/cm3. Eine n-Typ
Verunreinigung schließt
Gruppe IV Elemente ein, und bevorzugt wird Si oder Ge verwendet,
besser Si.
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In
der ersten lichtemittierenden Nitridhalbleiter-Vorrichtung kann
man aufgrund der undotierten ersten Nitridhalbleiterschicht zwischen
der Aktivschicht und der Pufferschicht die zweite, mit einer n-Typ
Verunreinigung dotierte Nitridhalbleiterschicht auf solche Art wachsen
lassen, dass die Kristallinität der
zweiten Nitridhalbleiterschicht aufrechterhalten wird. Daher kann
man die zweite Nitridhalbleiterschicht dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung,
die eine gute Kristallinität
hat und eine große
Dicke aufweist, wachsen lassen. Zudem dient die undotierte dritte
Nitridhalbleiterschicht als Basisschicht mit einer guten Kristallinität für die Schicht,
die hierauf wachsen soll. Daher kann der spezifische Widerstand
der zweiten Nitridhalbleiterschicht gesenkt werden und die Ladungskonzentration
derselben erhöht
werden, was zu einer Realisierung einer Nitridhalbleiter-Vorrichtung
führt,
die sehr effizient ist. So kann gemäß der vorliegenden Erfindung
eine lichtemittierende Vorrichtung mit niedriger Durchlassspannung
und Grenzwerten realisiert und der Heizwert der Vorrichtung gesenkt
werden mit dem Ergebnis, dass die Vorrichtung sehr zuverlässig ist.
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Ausführung 2
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Die
zweite lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst eine Nitridhalbleiter-Übergitterstruktur
als n-Typ Kontaktschicht zwischen der Aktivschicht und der Pufferschicht.
Diese Übergitterstruktur
besitzt eine erste und eine zweite Oberfläche und hat eine erste undotierte
Nitridhalbleiterschicht auf der ersten Oberfläche, um so eine Übergitterstruktur
mit einer guten Kristallinität wachsen
zu lassen. Die n-Typ Verunreinigung schließt die IVer-Gruppenelemente
ein und bevorzugt wird Si oder Ge verwendet, besser Si.
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Wenn
als nächstes
die n-Typ Kontaktschicht in Form einer Übergitterstruktur vorliegt,
hat jede Nitridhalbleiterschicht, die eine Übergitterstruktur bildet, eine
Dicke, die nicht höher
als die der Elastizitätsgrenze
derselben ist und daher kann man die Nitridhalbleiter n-Typ Kontaktschicht
mit sehr geringen Kristalldefekten wachsen lassen. Zudem können die Kristalldefekte,
die sich zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht und der Pufferschicht
aus dem Substrat bilden, bis zu einem gewissen Grad verhindert werden;
die dritte Nitridhalbleiterschicht, die eine gute Kristallinität aufweist,
kann man auf der Übergitterstruktur
wachsen lassen. Erwähnenswert
ist hierbei, dass ein Effekt, ähnlich
dem HEMT, erzielt werden kann.
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Diese Übergitterstruktur
wird vorzugsweise durch abwechselnde Laminierung einer Nitridhalbleiterschicht
mit einer hohen Bandlückenenergie
und einer Nitridhalbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie
aufweist als die der besagten Nitridhalbleiterschicht mit einer
höheren
Bandlückenenergie,
gebildet, und eine der beiden Schichten ist eine undotierte Schicht.
Die Dicke der Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie
und der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie,
welche die Übergitterstruktur
bildet, wird vorzugsweise reguliert, sodass sie innerhalb 100 Ångström liegt,
noch besser innerhalb 70 Ångström und am
besten innerhalb des Bereiches von 10 bis 40 Ångström. Wenn die Dicke der beiden
Schichten 100 Ångström übersteigt,
dann wird die Nitridhalbleiterschicht, die eine höhere Bandlückenenergie aufweist
und die Nitridhalbleiterschicht, die eine niedrigere Bandlückenenergie
aufweist, dicker als die Elastizitätsgrenze, und die Tendenz der
Bildung von mikroskopischen Rissen und Kristalldefekten wird erhöht.
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Da
die Untergrenze der Dicke der Nitridhalbleiterschicht mit einer
höheren
Bandlückenenergie und
der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie
nicht festgelegt ist, und jeden Wert haben kann, solange es eine
einatomige Schicht oder dicker ist, sind es vorzugsweise 10 Ångström oder mehr.
Weiter wird die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie
durch Wachsen eines Nitridhalbleiters bevorzugt, der mindestens
Al, bevorzugt AlxGa1-xN
(0 < X ≤ 1) umfasst. Während die
Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren Bandlückenenergie
aus allem hergestellt sein kann, solange es eine Nitridhalbleiterschicht
ist, deren Bandlückenenergie
niedriger ist als die der Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie,
besteht diese vorzugsweise aus einem Nitridhalbleiter aus binärem Mischkristall
oder ternärem Mischkristall
wie AlyGa1-yN (0 < Y ≤ 1, X > Y) und InZGa1-ZN (0 ≤ Z < 1), das leicht
wächst
und eine gute Kristallqualität
aufweist. Es wird im Besonderen bevorzugt, dass die Nitridhalbleiterschicht,
die eine hohe Bandlückenenergie
aufweist, aus AlxGa1-xN
(0 < X < 1) besteht, was
im Wesentlichen In oder Ga nicht einschließt und die Nitridhalbleiterschicht,
die eine niedrigere Bandlückenenergie
aufweist, aus InzGa1-zN
(0 ≤ Z < 1) besteht, was
im Wesentlichen Al nicht einschließt. Und für den Zweck, eine Übergitterstruktur
von ausgezeichneter Kristallqualität zu erhalten, wird die Kombination
von AlxGa1-xN (0 < X ≤ 0,3) mit
einem Mischverhältnis
von Al (Wert von X) nicht höher
als 0,3 und GaN bevorzugt.
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Wenn
die zweite Nitridhalbleiterschicht eine Claddingschicht bildet,
die als eine Lichtfalle und Fangschicht für Träger dient, muss sie eine Bandlückenenergie
haben, die höher
als die der Einzelquantentopfstruktur der Aktivschicht ist. Eine
Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie wird aus einer
Nitridhalbleiterschicht mit einem höheren Mischverhältnis von
Al hergestellt. Es war sehr schwierig, ein Kristall eines Nitridhalbleiters
mit einem hohen Mischverhältnis
von Al gemäß dem Stand der
Technik wachsen zu lassen, aufgrund der Risse, die sich wahrscheinlich
auf dicken Filmen bilden. Im Falle einer Übergitterstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung jedoch ist es unwahrscheinlicher, dass Risse entstehen,
da das Kristall auf eine Dicke innerhalb der Elastizitätsgrenze
heranwächst,
auch wenn eine einzelne Schicht innerhalb der Übergitterstruktur mit einem
relativ hohen Mischverhältnis
von Al hergestellt wurde. Mit dieser Konfiguration kann eine Schicht
mit einem hohen Mischverhältnis
von Al mit guter Kristallqualität
wachsen und daher können
Effekte von Lichtfallen und Trägereinfang
verbessert werden, und dies führt
zu einer Senkung der Schwellenspannung in der Laservorrichtung und
der Vf (Durchlassspannung) in der LED Vorrichtung.
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Weiterhin
wird die Konzentration der n-Typ Verunreinigung für die Nitridhalbleiterschicht
mit einer höheren
Bandlückenenergie
und der Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigeren Bandlückenenergie der
zweiten Nitridhalbleiterschicht unterschiedlich festgelegt. Es handelt
sich bei dieser Konfiguration um die sog. Modulationsdotierung.
Wenn eine Schicht undotiert und die andere mit einer Verunreinigung
dotiert ist, dann ist diese Modulationsdotierung auch in der Lage,
die Schwellenspannung und die Durchlassspannung zu senken. Dies
ist so, weil das Vorhandensein einer undotierten Schicht auf der Übergitterstruktur
die Beweglichkeit innerhalb der Übergitterstruktur
erhöht
und die Koexistenz einer Schicht mit einer hohen Konzentration an
Verunreinigung die Bildung einer Übergitterstruktur möglich macht,
auch wenn die Ladungskonzentration hoch ist. Das ist so, da angenommen
wird, dass die Koexistenz einer undotierten Schicht und die hohe
Beweglichkeit einer Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration
und hoher Ladungskonzentration einer Übergitterstruktur mit hoher
Verunreinigungskonzentration und hoher Beweglichkeit ermöglicht,
eine Claddingschicht zu sein und so die Schwellenspannung und die
Durchlassspannung senkt.
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Wenn
eine Nitridhalbleiterschicht eine hohe Bandlückenenergie aufweist und mit
einer Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert ist, dann wird vermutet,
dass der Modulationsdotierungseffekt ein zweidimensionales Elektronengas
zwischen einer Schicht mit hoher Verunreinigungskonzentration und einer undotierten
Schicht erzeugt, sodass der spezifische Widerstand aufgrund des
zweidimensionalen Elektronengaseffekts sinkt. Auf einer Übergitterstruktur,
die durch Laminierung einer Nitridhalbleiterschicht entsteht, die
mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert ist und eine hohe Bandlückenenergie
aufweist und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen
Bandlückenenergie,
wird zum Beispiel die Barrierenschichtseite im Heteroübergang
der Zwischenebene zwischen der Schicht, die mit einer n-Typ Verunreinigung
dotiert ist und der undotierten Schicht verbraucht, da sich Elektronen
(zweidimensionales Elektronengas) in der Umgebung der Zwischenebene
auf der Seite der Schicht mit der niedrigen Bandlückenenergie
ansammeln. Solange das zweidimensionale Elektronengas auf der Seite
mit der niedrigen Bandabstandsseite gebildet und daher die Elektronenbeweglichkeit
durch die Verunreinigung nicht beeinträchtigt wird, steigt die Elektronenbeweglichkeit
in der Übergitterstruktur
und der spezifische Widerstand sinkt. Es wird angenommen, dass die
Modulationsdotierung auf der p-Seite durch den Effekt des zweidimensionalen
positiven Lochgases verursacht wird. Im Falle einer p-Schicht ist
der spezifische Widerstand von AlGaN höher als bei GaN. Daher wird
angenommen, dass, weil der spezifische Widerstand durch die Dotierung
von AlGaN mit einer p-Typ Verunreinigung in hoher Konzentration
sinkt, eine bedeutende Senkung des spezifischen Widerstands der Übergitterstruktur
verursacht wird und es dabei ermöglicht,
den Grenzwert zu senken, wenn die Vorrichtung hergestellt wird.
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Wenn
eine Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie
mit einer Verunreinigung von hoher Konzentration dotiert wird, dann
wird erwartet, dass sich der oben beschriebene Effekt einstellt.
Wenn die AlGaN-Schicht und die GaN-Schicht mit den gleichen Mengen von
Mg dotiert sind, dann sinkt beispielsweise das Akzeptorniveau von
Mg, und der Aktivierungsquotient sinkt in der AlGaN-Schicht. Andererseits
sinkt auf der GaN-Schicht das Akzeptorniveau von Mg weniger, und
der Mg Aktivierungsquotient steigt im Vergleich zur AlGaN-Schicht.
Wenn in einer Konzentration von 1 × 1020/cm3 mit Mg dotiert wurde, dann wird beispielsweise
eine Ladungskonzentration von ungefähr 1 × 1018/cm3 bei GaN erreicht, während die Konzentration auf
AlGaN nur ungefähr
1 × 1017/cm3 beträgt. Daher
wird in einer Vorrichtung, die nicht Teil dieser Erfindung ist,
in der eine Übergitterstruktur
aus AlGaN und GaN geformt wird und die GaN-Schicht, von der eine
höhere
Ladungskonzentration erwartet werden kann und mit einer höheren Menge
einer Verunreinigung dotiert ist, eine Übergitterstruktur mit einer
höheren
Ladungskonzentration gebildet. Zudem, da Tunneleffekte den Träger dazu
veranlassen, sich durch die AlGaN-Schicht aufgrund der Übergitterstruktur
mit einer niedrigeren Verunreinigungskonzentration zu bewegen, steht
der Träger
nicht unter erheblichen Einfluss der AlGaN-Schicht, da diese auch
als Claddingschicht dient und eine hohe Bandlückenenergie aufweist. Daher,
auch wenn die Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie
mit einer größeren Menge
von Verunreinigung dotiert ist, können zur Senkung der Schwellenspannung
der Laser- oder LED-Vorrichtung
sehr gute Effekte erzielt werden. Die obige Beschreibung behandelt
einen Fall der Bildung einer Übergitterstruktur
auf der Schicht der p-Seite, obwohl auch ähnliche Effekte erzielt werden können, wenn
eine Übergitterstruktur
auf einer Schicht der n-Seite gebildet wird.
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Wenn
die Nitridhalbleiterschicht mit einer höheren Bandlückenenergie mit einer n-Typ Verunreinigung
in einer hohen Konzentration dotiert ist, dann ist der Dotierungsanteil
auf der Nitridhalbleiterschicht mit der höheren Bandlückenenergie vorzugsweise innerhalb
des Bereiches von 1 × 1017/cm3 bis 1 × 1020/cm3 reguliert,
oder besser innerhalb des Bereichs 1 × 1018/cm3 bis 5 × 1019/cm3. Wenn die
Konzentration der Verunreinigung niedriger als 1 × 1017/cm3 ist, dann
wird die Differenz der Konzentration der Nitridhalbleiterschicht
mit einer niedrigen Bandlückenenergie
zu gering, um eine Schicht mit hoher Ladungskonzentration zu erhalten.
Wenn die Verunreinigungskonzentration höher als 1 × 1020/cm3 ist, dann tendiert andererseits der Leckstrom
der Vorrichtung zu einer Erhöhung.
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Die
Nitridhalbleiterschicht mit einer niedrigen Bandlückenenergie
ist undotiert; in diesem Fall kann eine Schicht mit der höchsten Beweglichkeit
erreicht werden. Da jedoch jede der Komponentenschichten einer Übergitterstruktur
dünn ist,
diffundieren einige der n-Typ Verunreinigungen von der Nitridhalbleiterschicht
mit der höheren
Bandlückenenergie
in die Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren Bandlückenenergie.
Die n-Typ Verunreinigung wird aus der Gruppe der Elemente IVB und
VIB des Periodensystems gewählt
wie Si, Ge, Se, S und O und vorzugsweise aus Si, Ge und S. Der gleiche
Effekt tritt auch im Falle ein, dass die Nitridhalbleiterschicht
mit einer höheren Bandlückenenergie
undotiert ist und die Nitridhalbleiterschicht mit der niedrigeren
Bandlückenenergie
mit einer n-Typ Verunreinigung dotiert ist.
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Auf
der Übergitterstruktur
des Nitridhalbleiters ist die mit der Verunreinigung dotierte Schicht vorzugsweise
so dotiert, dass eine Verteilung der Verunreinigungskonzentration
erreicht wird, sodass die Konzentration der Verunreinigung im mittleren Bereich
der Halbleiterschicht in Richtung der Dicke hoch und im Bereich
der beiden Endseiten niedrig (oder vorzugsweise undotiert) ist.
Wenn die Übergitterstruktur
aus einer Si dotierten n-Typ AlGaN-Schicht und einer undotierten
GaN-Schicht gebildet wird, dann entlässt die AlGaN-Schicht Elektronen
als Donator in das Leitungsband, da es mit Si dotiert ist und die
Elektronen fallen in das Leitungsband von GaN, das eine niedrige
Spannung hat. Da das GaN-Kristall nicht mit dem Donator verunreinigt
ist, können
Ladungsstörungen
aufgrund einer Verunreinigung nicht entstehen. Daher können sich
die Elektronen innerhalb des GaN-Kristalls leicht bewegen, und es
wird eine hohe Elektronenbeweglichkeit erreicht. Dies ist ähnlich dem
Effekt des zweidimensionalen Elektronengases, der vorher beschrieben
wurde; so wird die Beweglichkeit der Elektronen erheblich in der
Querrichtung gesteigert und der spezifische Widerstand gesenkt.
Weiterhin wird der Effekt verbessert, wenn der mittlere Bereich
der AlGaN-Schicht, die eine höhere
Bandlückenenergie aufweist,
mit der n-Typ Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert ist.
Das bedeutet, dass unter den Elektronen, die sich in GaN bewegen,
die Elektronen mehr oder weniger Störungen durch die n-Typ Verunreinigungsionen
unterliegen (Si in diesem Fall), die in AlGaN vorhanden sind. Wenn
jedoch die Endbereiche der AlGaN-Schicht in Richtung der Verdickung undotiert
sind, sind die Elektronen den Störungen durch
Si weniger ausgesetzt und daher wird die Beweglichkeit in der undotierten
GaN-Schicht weiter erhöht.
Ein ähnlicher
Effekt wird erzielt, wenn die Übergitterstruktur
auf der p-Seite gebildet wird, obwohl dieser Vorgang ein wenig unterschiedlich
ist, wobei bevorzugt wird, dass die Nitridhalbleiterschicht mit
einer höheren
Bandlückenenergie
mit der p-Typ Verunreinigung in einer höheren Konzentration im mittleren Bereich
dotiert ist und in einer niedrigeren oder überhaupt nicht an den beiden
Endbereichen. Obwohl die Verteilung der Verunreinigungskonzentration
auch im Nitridhalbleiter mit einer niedrigeren Bandlückenenergie
erreicht werden kann, tendiert eine Übergitterstruktur, die auf
einem Nitridhalbleiter mit einer niedrigeren Bandlückenenergie
durch Dotieren desselben gebildet wird, und einer undotierten Nitridhalbleiterschicht
mit einer höheren
Bandlückenenergie,
zu einem geringeren Effekt.
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In
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die dritte Nitridhalbleiterschicht
ebenfalls undotiert. Wenn eine dritte Nitridhalbleiterschicht mit
einem hohen Anteil an Verunreinigung direkt auf der obersten Schicht
der Übergitterstruktur
aufgetragen wird, tendiert die Kristallinität der dritten Nitridhalbleiterschicht
zur Abnahme. Daher ist die Nitridhalbleiterschicht undotiert, um
die dritte Nitridhalbleiterschicht so anwachsen zu lassen, dass
sie eine gute Kristallinität
aufweist. Die Zusammensetzung der dritten Nitridhalbleiterschicht
ist nicht wichtig. Jedoch sollte die dritte Nitridhalbleiterschicht
bevorzugt aus InxGa1-xN
(0 ≤ X ≤ 1), noch
besser aus InxGa1-xN
(0 < X ≤ 0,5) hergestellt
sein und in einem solchen Falle sollte die dritte Nitridhalbleiterschicht
als eine Pufferschicht dienen, auf der man die Schichten wachsen lässt, mit
dem Ergebnis, dass man die Schichten über der dritten Nitridhalbleiterschicht
leicht heranwachsen lassen kann. Zudem kann, wenn eine Schicht mit
einem relativ hohen spezifischen Widerstand, wie eine undotierte
Einzelschicht, die zwischen die Aktivschicht und die zweite Schicht
geschoben wird, der Leckstrom in der Vorrichtung verhindert und
die Stehspannung verbessert werden.
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Beispiel 1
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Übergitterstruktur-LED
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Undotiertes GaN//Si-dotiertes
GaN (B)/undotiertes GaN (A)//undotiertes GaN
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1 ist
eine schematische Schnittansicht der LED-Struktur eines Beispiels
gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit dieser Zeichnung
beschrieben.
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Ein
Saphirsubstrat der C-Ebene 1 wird in dem Reaktor angeordnet
und die Innenatmosphäre des
Reaktors wird vollständig
durch Wasserstoff ersetzt. Die Temperatur des Substrats wird auf
1050 °C erhöht, wobei
man Wasserstoff strömen
lässt,
um das Substrat zu reinigen. Wie das Substrat 1 können neben
dem Saphirsubstrat der C-Ebene das isolierende Substrat, wie ein
Saphirsubstrat der R- oder A-Ebene,
und das Spinell-Substrat (MgAl2O4-Substrat) und das Halbleitersubstrat, wie
SiC (einschließlich
6H, 4H 3C), Si, ZnO, GaAs, GaN und dergleichen, verwendet werden.
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Pufferschicht 2
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Anschließend wird
die Temperatur auf 510 °C
gesenkt. Eine aus GaN hergestellte Pufferschicht 2 mit
einer Dicke von etwa 200 Ångström lässt man unter
Verwendung von Ammoniak und TMG (Trimethylgallium) als eine GaN-Quelle
wachsen.
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Erste Nitridhalbleiterschicht 3
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Nach
dem Wachsen der Pufferschicht 2 wird nur TMG gestoppt und
die Temperatur wird auf 1050 °C
erhöht.
Bei 1050 °C
ließ man
auf dieselbe Art und Weise, in der Ammoniak und TMG als eine GaN-Quelle
verwendet wurden, eine aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 auf
eine Dicke von 5 μm
heranwachsen. Die erste Nitridhalbleiterschicht lässt man
bei einer Temperatur wachsen, die höher als die im Fall der Pufferschicht ist,
beispielsweise bei 900 °C
bis 1100 °C.
Die erste Nitridhalbleiterschicht 3 kann aus InXAlYGa1-X-YN
(0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt
werden, wobei dessen Zusammensetzung nicht wichtig ist. Vorzugsweise wird
die erste Nitridhalbleiterschicht jedoch aus GaN oder AlXGa1-XN, wobei X
nicht höher
als 0,2 ist, hergestellt, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht
mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Die Dicke
der ersten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig und sie ist
größer als
die der Pufferschicht, für
gewöhnlich
beträgt
sie nicht weniger als 0,1 μm.
Da diese Schicht eine undotierte Schicht ist, ist sie dem intrinsischen
Halbleiter ähnlich
und weist einen spezifischen Widerstand von mehr als 0,2 Ωcm auf.
Der spezifische Widerstand der ersten Nitridhalbleiterschicht kann
verringert werden, indem eine n-Typ
Verunreinigung, wie Si und Ge, in geringerem Maße als die in der zweiten Nitridhalbleiterschicht
dotiert wird.
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Zweite Nitridhalbleiterschicht 4
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Anschließend lässt man
bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström wachsen.
Als nächstes
wird bei derselben Temperatur Silangas hinzugefügt und man lässt eine
mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotierte GaN-Schicht
auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen.
Folglich lässt
man ein Paar aus A-Schicht, die aus einer undotierten GaN-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt
wurde, und B-Schicht, die aus Si-dotiertem GaN mit einer Dicke von
20 Ångström hergestellt
wurde, wachsen. Das Paar wird in 250 Schichten gespalten, was in
einer zweiten Nitridhalbleiterschicht 4 in Form einer Übergitterstruktur
mit einer Dicke von 1 μm
resultiert.
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Dritte Nitridhalbleiterschicht 5
-
Als
nächstes
wird nur Silangas gestoppt und man lässt bei 1050 °C auf dieselbe
Art und Weise eine dritte Nitridhalbleiterschicht 5, die
aus undotiertem GaN hergestellt wurde, auf eine Dicke von 100 Ångström heranwachsen.
Die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 kann aus InXAlYGa1-X-YN
(0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt
werden und dessen Zusammensetzung ist nicht wichtig. Vorzugsweise
wird die dritte Nitridhalbleiterschicht jedoch aus GaN, AlXGa1-XN, wobei X
nicht größer als
0,2 ist, oder AlYGa1-YN,
wobei Y nicht größer als
0,1 ist, hergestellt, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht
mit weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. In dem
Fall, dass man die aus InGaN hergestellte Schicht wachsen lässt, wird,
wenn man die Al enthaltende Nitridhalbleiterschicht darauf wachsen
lässt,
verhindert, dass sich in der Al enthaltenden Nitridhalbleiterschicht
Risse entwickeln.
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Aktivschicht 6
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Als
nächstes
wird die Temperatur auf 800 °C gesenkt
und das Trägergas
wird zu Stickstoff geändert.
Man lässt
eine undotierte In0,4Ga0,6N-Schicht
mit einer Dicke von 30 Ångström wachsen,
wobei TMG, TMI (Trimethylindium) und Ammoniak verwendet werden,
um eine Aktivschicht 6 mit einer Einzelquantentopfstruktur
auszubilden. Diese Schicht kann eine aus InGaN hergestellte Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen.
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Claddingschicht auf der
p-Seite 7
-
Als
nächstes
wird die Temperatur auf 1050 °C
erhöht
und man lässt
unter Verwendung von TMG, TMA, Ammoniak und Cp2Mg (Magnesiumcyclopentadienid)
eine Claddingschicht auf der p-Seite 7, die aus mit Mg
auf 1 × 1020/cm3 dotiertem
Al0,1Ga0,9N des p-Typs
hergestellt wurde, auf eine Dicke von 0,1 μm wachsen. Diese Schicht fungiert
als eine Fangschicht für
Träger.
Diese Schicht wird nach Möglichkeit
aus einem Nitridhalbleiter hergestellt, der Al enthält, vorzugsweise
AlYGa1-YN (0 < Y < 1). Es ist wünschenswert,
eine AlYGa1-YN-Schicht,
wobei Y nicht größer als
0,3 ist, auf eine Dicke von nicht mehr als 0,5 μm wachsen zu lassen, um so eine
Schicht mit einer guten Kristallinität zu erzielen.
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Darüber hinaus
kann es sich bei der Claddingschicht auf der p-Seite 7 um
eine Übergitterschicht
handeln. Wenn sich eine Übergitterschicht
im Bereich der Schicht auf der p-Seite befindet, werden die Grenzbereiche
weiter verringert und es wird ein gutes Ergebnis erzielt. Eine beliebige
Schicht im Bereich der Schicht auf der p-Seite kann eine Übergitterschicht
sein.
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Kontaktschicht auf der
p-Seite 8
-
Anschließend lässt man
bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG, Ammoniak und Cp2Mg eine Kontaktschicht
auf der p-Seite 8, die aus mit Mg auf 1 × 1020/cm3 dotiertem
GaN des p-Typs hergestellt wurde, auf eine Dicke von 0,1 μm wachsen.
Die Kontaktschicht auf der p-Seite 8 kann gleichfalls aus InXAlYGa1-X-YN
(0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt
werden, wobei die Zusammensetzung nicht wichtig ist. Vorzugsweise
wird die Kontaktschicht auf der p-Seite jedoch aus GaN hergestellt,
mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger Kristalldefekten
leicht erzielt und ein bevorzugter ohmscher Kontakt mit dem Material
der p-Elektrode erreicht werden kann.
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Nachdem
die Reaktion abgeschlossen wurde, wird die Temperatur auf Raumtemperatur
gesenkt. Darüber
hinaus wird an dem Wafer bei 700 °C in
einer Stickstoffatmosphäre
in dem Reaktor ein Tempern durchgeführt, um so die Schichten des p-Typs
elektrisch widerstandsschwächer
zu machen.
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Nach
dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen. Auf der
oberen Fläche der
Kontaktschicht auf der p-Seite, bei der es sich um die oberste Schicht
handelt, wird eine Maske mit einer vorherbestimmten Form ausgebildet
und von der Seite der Kontaktschicht auf der p-Seite aus wird mit einer
RIE-Vorrichtung (RIE = reactive ion etching, reaktives Ionenätzen) eine Ätzung vorgenommen,
um die Oberfläche
der zweiten Nitridhalbleiterschicht 4 freizulegen, wie
in 1 gezeigt.
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Nach
dem Ätzen
wird auf der nahezu gesamten Oberfläche der obersten Kontaktschicht
auf der p-Seite eine transparente p-Elektrode 9, die Ni
und Au enthält
und eine Dicke von 200 Ångström aufweist,
ausgebildet und auf der p-Elektrode 9 wird eine aus Au
hergestellte p-Bondelektrode 10 zum Bonden ausgebildet.
Zwischenzeitlich wird auf der Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 4,
die mittels Ätzung
freigelegt wurde, eine n-Elektrode 11, die W und Al enthält, ausgebildet.
Schließlich
wird ein aus SiO2 hergestellter isolierender
Film 12 ausgebildet, um die Oberfläche der p-Elektrode 9 zu
schützen,
wie in 1 gezeigt. Dann wird der Wafer geritzt und in LED-Vorrichtungen
gespalten, die Quadrate von 350 μm
mal 350 μm
sind.
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Für diese
LED-Vorrichtung wurde bei einer Durchlassspannung von 20 mA eine
Emission reinen grünen
Lichts von 520 nm erzielt. Die Durchlassspannung wurde um 0,2 auf
0,4 V gesenkt und die Leistungsabgabe wurde bei 20 mA von 40 auf
50 % gesteigert, verglichen mit der herkömmlichen, grünes Licht
emittierenden LED, die hergestellt wurde, indem eine aus GaN hergestellte
Pufferschicht, eine aus Si-dotiertem
GaN hergestellte Kontaktschicht auf der n-Seite, eine aus InGaN
hergestellte Aktivschicht in Form einer Einzelquantentopfstruktur,
eine aus Mg-dotiertem
AlGaN hergestellte Claddingschicht auf der p-Seite und eine aus
Mg-dotiertem GaN
hergestellte Kontaktschicht auf der p-Seite nacheinander auf das
Substrat laminiert wurden. Die statische Stehspannung war 5 Mal
oder mehr höher
als die der herkömmlichen
LED.
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Beispiel
2, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
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Übergitterstruktur-LED
-
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes
GaN (B)/undotiertes GaN (A)//Si-dotiertes GaN
-
Mit
den gleichen Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die erste Nitridhalbleiterschicht 3 hergestellt,
indem man aus mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotiertes
GaN auf eine Dicke von 3 μm
wachsen lässt,
und die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 wird durch Wachsen
von mit Si auf 1 × 1017/cm3 dotiertem
GaN hergestellt. Die anderen Konstruktionen der LED-Vorrichtung
waren mit denen in Beispiel 1 identisch. Im Vergleich zu der LED-Vorrichtung
in Beispiel 1 war die Leistungsabgabe um etwa 10 % verringert und
die Durchlassspannung und statische Stehspannung waren nahezu gleich.
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Beispiel 3
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Übergitterstruktur-LED
-
Undotiertes GaN//Si-dotiertes
GaN/undotiertes InGaN//undotiertes GaN
-
Die
LED Vorrichtung wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie im Beispiel
1, außer,
dass die zweite Nitridhalbleiterschicht wie folgt gebildet wurde.
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Bei
1050 °C
lässt man
unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und SiGas, eine mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotierte GaN-Schicht
mit einer Dicke von 25 Ångström wachsen.
Anschließend
lässt man
bei 800°C
unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniakgas eine undotierte InGaN-Schicht
mit einer Dicke von 75 μm
wachsen. Auf diese Weise wird eine A-Schicht, die aus einer mit
Si dotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 25 Ångström und eine B-Schicht, die aus
einer undotierten InGaN-Schicht
mit einer Dicke von 75 Ångström hergestellt
wurde, abwechselnd in 100 Schichten gespalten, was in einer zweiten
Nitridhalbleiterschicht in Form einer Übergitterstruktur mit einer
Dicke von 2 μm
resultiert.
-
Die
LED in Form einer Übergitterstruktur
aus dem Beispiel 3 weist ähnliche
Eigenschaften wie jene in Beispiel 1 auf.
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Beispiel 4
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Übergitterstruktur-LED
-
Undotiertes GaN//Si-dotiertes
ALGaN/undotiertes GaN//undotiertes GaN
-
Mit
den gleichen Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 durch
abwechselnde Laminierung der A-Schicht, die aus einer undotierten
GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström hergestellt wurde, sowie
einer B-Schicht, die aus mit Si auf 1 × 1018/cm3 gleichmäßig dotiertem
Al0,1Ga0,9N mit
einer Dicke von 60 Ångström hergestellt
wurde, in 300 Schichten gefertigt, die in einer Übergitterstruktur mit einer
Gesamtdicke von 3 μm
resultiert. Die anderen Konstruktionen der LED-Vorrichtung waren
mit denen in Beispiel 1 identisch. Die LED weist ähnliche
Eigenschaften wie jene in Beispiel 5 auf.
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Beispiel 5
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Übergitterstruktur-LD
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Undotiertes InGaN//Si-dotiertes
GaN (B)/undotiertes GaN (A)//undotiertes GaN
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2 ist
eine schematische Schnittansicht der Struktur der Laservorrichtung
gemäß eines
anderen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung wird im Parallelschnitt
zur Resonanzfläche
der Emission gezeigt. Beispiel 5 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
-
Gemäß des gleichen
Verfahrens wie im Beispiel 1 lässt
man auf der C-Ebene des Saphirsubstrats eine Pufferschicht 21,
die aus GaN hergestellt ist, mit einer Dicke von 200 Ångström, eine
erste Nitridhalbleiterschicht 22 aus undotiertem GaN mit
einer Dicke von 5 μm
und eine zweite Nitridhalbleiterschicht 23 in Form einer Übergitterstruktur
mit einer Gesamtdicke von 3 μm
durch Laminierung einer A-Schicht
aus undotiertem GaN mit einer Dicke von 20 Ångström und einer B-Schicht aus Si
dotiertem GaN mit einer Dicke von 20 Ångström wachsen (die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ist
wie die des Beispiels 1 aufgebaut).
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Andere
Substrate als Saphir können
verwendet werden. Auf Substraten, die nicht aus Nitridhalbleitern
wie Saphir hergestellt werden, lässt
man eine erste GaN-Schicht wachsen. Ein Schutzfilm, auf dem man
eine Nitridhalbleiterschicht wie SiO2 nicht
einfach wachsen lassen kann, wird teilweise auf der ersten GaN-Schicht
gebildet. Man lässt
eine zweite Nitridhalbleiterschicht auf der ersten Nitridhalbleiterschicht
durch den Schutzfilm wachsen und folglich ist die zweite Nitridhalbleiterschicht in
Querrichtung auf SiO2 gewachsen. Die zweite
Nitridhalbleiterschicht verbindet sich zu anderen in Querrichtung.
Die zweite Nitridhalbleiterschicht, die auf diesem Weg gewonnen
wird, wird ganz bevorzugt als Substrat verwendet, um dadurch eine
gute Kristallinität
des Nitridhalbleiters zu erzielen. Wenn dieses Nitridhalbleitersubstrat
als Substrat verwendet wird, dann ist das Wachsen einer Pufferschicht
nicht notwendig.
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Dritte Nitridhalbleiterschicht 24
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Bei
800 °C lässt man
unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniak eine dritte Nitridhalbleiterschicht
aus undotiertem In0,05Ga0,95N
bis zu einer Dicke von 500 Ångström wachsen.
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Claddingschicht auf der
n-Seite 25
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Als
nächstes
werden bei 1050 °C
eine mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotierte n-Typ
Al0,2Ga0,8N-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström und einer
undotierten GaN-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström abwechselnd
in 200 Schichten laminiert, mit dem Ergebnis einer Übergitterstruktur
mit einer Gesamtdicke von 0,8 μm.
Die Claddingschicht 25 auf der n-Seite hat die Aufgabe
einer Fangschicht für
Träger und
Lichtfalle und ist vorzugsweise aus einem Nitridhalbleiter mit Al
hergestellt, noch bevorzugter AlGaN. Die Gesamtdicke der Übergitterstruktur
wird vorzugsweise innerhalb der Dicken von 100 Ångström bis 2 μm, noch besser innerhalb der
Dicken von 500 Ångström bis 2 μm eingestellt.
Zudem ist die Konzentration einer Verunreinigung im mittleren Bereich
der Claddingschicht auf der n-Seite hoch und an beiden Endseiten
niedrig.
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Lichtwellenleiterschicht
auf der n-Seite 26
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Folglich
lässt man
die Lichtwellenleiterschicht der n-Seite 26, die aus mit
Si auf 1 × 1017/cm3 dotiertem
n-Typ GaN hergestellt wurde, bis zu einer Dicke von 0,1 μm anwachsen.
Diese n-seitige Lichtwellenleiterschicht hat die Aufgabe der Lichtwellenleiterschicht
für die
Aktivschicht und ist wünschenswerter
Weise aus GaN und InGaN hergestellt. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht
auf der n-Seite ist in der Regel nicht größer als 5 μm, bevorzugt 200 Ångström bis 1 μm. Diese
Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite ist in der Regel mit einer
n-Typ Verunreinigung wie Si oder Ge dotiert, um eine n-Typ Leitfähigkeit
zu haben und kann vor allem auch undotiert sein.
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Aktivschicht 27
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Als
nächstes
wird bei 800 °C
eine Aktivschicht 27 gebildet, indem man abwechselnd eine Topfschicht,
die aus undotiertem In0,2Ga0,8N
besteht und eine Dicke von 25 Ångström hat sowie
eine Barrierenschicht, die aus undotiertem In0,01Ga0,99N mit einer Dicke von 50 Ångström hergestellt
ist, laminiert und dabei wird eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW)
mit einer Gesamtdicke von 175 Ångström ausgebildet.
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Deckschicht auf der p-Seite 28
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Danach
lässt man
bei 1050 °C
eine Deckschicht auf der p-Seite 28 mit einer Bandlückenenergie,
die höher
als die der Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 8 und
der Aktivschicht 6 ist und aus mit Mg auf 1 × 1020/cm3 dotiertem
Al0,3Ga0,7N des
p-Typs hergestellt ist bis zu einer Dicke von 300 Ångström heranwachsen.
Die Deckschicht auf der p-Seite 28 ist mit einer p-Typ
Verunreinigung dotiert, jedoch ist die Dicke gering und daher kann
die Deckschicht auf der p-Seite aus i-Typ bestehen, worin Träger durch
Dotierung mit einer n-Typ Verunreinigung kompensiert werden, vorzugsweise
sollte diese undotiert und noch besser mit einer p-Verunreinigung dotiert
sein. Die Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 wird
innerhalb von 0,1 μm,
vorzugsweise innerhalb von 500 Ångström und noch
besser innerhalb von 300 Ångström eingestellt.
Wenn diese bis zu einer Dicke von mehr als 0,1 μm angewachsen ist, dann hat
die Deckschicht an der p-Seite 28 die Tendenz, Risse zu
bilden und erschwert es dadurch, eine Nitridhalbleiterschicht mit
einer guten Kristallinität
darauf wachsen zu lassen.
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Im
Falle von AlGaN mit einem hohen Anteil von Al, macht es die geringe
Dicke für
die LD Vorrichtung möglich,
einfach zu oszillieren. Wenn AlyGa1-yN einen Y Wert von weniger als 0,2 hat,
dann ist die gewünschte
Untergrenze innerhalb 500 Ångström geregelt.
Die Untergrenze der Dicke der Deckschicht an der p-Seite 76 ist
nicht festgelegt, die Dicke beträgt jedoch
vorzugsweise 10 Ångström oder mehr.
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Lichtwellenleiterschicht
an der p-Seite 29
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Als
nächstes
lässt man
eine Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 29 mit einer
Bandlückenenergie,
die niedriger als die der Deckschicht auf der p-Seite 28 und
aus mit Mg auf 1 × 1019/cm3 dotiertem GaN
des p-Typs hergestellt ist, bis zu einer Dicke von 0,1 μm wachsen.
Diese Schicht hat die Aufgabe einer Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht
und ist auf wünschenswerte
Weise aus GaN und InGaN, wie im Falle der Lichtwellenleiterschicht
auf der n-Seite 26 hergestellt. Diese Lichtwellenleiterschicht
auf der p-Seite dient auch als Pufferschicht, wenn man die Claddingschicht
auf der p-Seite 30 wachsen lässt. Die Dicke der Lichtwellenleiterschicht
auf der p-Seite beträgt
vorzugsweise 100 Ångström bis 5 μm, noch besser
200 Ångström bis 1 μm. Die Lichtwellenleiterschicht
auf der p-Seite ist normalerweise mit einer p-Typ Verunreinigung
wie Mg dotiert, um eine p-Typ Leitfähigkeit zu erhalten, sie ist
jedoch nicht mit einer Verunreinigung dotiert.
-
Claddingschicht auf der
p-Seite 30
-
Danach
wird eine Claddingschicht auf der p-Seite 30 durch abwechselnde
Laminierung einer mit Mg auf 1 × 1020/cm3 dotierten
p-Typ Al0,2Ga0,2N-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström und einer
mit Mg auf 1 × 1019/cm3 dotierten
p-Typ GaN-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt,
wobei eine Übergitterstruktur
mit einer Gesamtdicke von 0,8 μm
geformt wird. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Fangschicht für Träger, wie
auch im Fall der Claddingschicht auf der n-Seite 25. Auch
diese Schicht hat die Aufgabe, den spezifischen Widerstand aufgrund
der Übergitterstruktur
in den p-Typ Schichten zu senken. Die Dicke der Claddingschicht auf
der p-Seite 30 ist nicht festgelegt and liegt wünschenswerter
Weise zwischen dem Bereich von 100 Ångström bis 2 μm, noch besser innerhalb des
Bereiches von 500 Ångström bis 1 μm. Die Konzentration der
Verunreinigung kann im mittleren Bereich der Claddingschicht auf
der p-Seite hoch und an den beiden Endseiten niedrig sein.
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Kontaktschicht auf der
p-Seite 31
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Schließlich lässt man
eine Kontaktschicht auf der p-Seite 10 aus mit Mg auf 2 × 1020/cm3 dotiertem
p-Typ GaN bis zu einer Dicke von 150 Ångström heranwachsen. Es ist von
Vorteil, dass die Dicke der p-seitigen Kontaktschicht kontrolliert
wird, und nicht mehr als 500 Ångström beträgt, vorzugsweise
nicht mehr als 400 Ångström und nicht
weniger als 20 Ångström, und zwar
um den spezifischen Widerstand der p-Typ Schicht und die Schwellenspannung
zu senken.
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Nach
Abschluss der Reaktion wird der Wafer bei 700 °C in der Stickstoffatmosphäre im Reaktor getempert,
damit die Schichten des p-Typs einen geringeren spezifischen Widerstand
aufweisen. Nach dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen,
und die Kontaktschicht auf der p-Seite 31 sowie die Claddingschicht
auf der p-Seite 30, bei denen es sich um die obersten Schichten
handelt, werden, wie in 2 gezeigt, mit einer RIE-Vorrichtung
zu einer Steggeometrie mit einer Streifenbreite von 4 μm geätzt.
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Nachdem
die Steggeometrie geformt wurde, wie in 2 gezeigt,
wird die Claddingschicht auf der p-Seite 30, die auf beiden
Seiten der Steggeometrie blank ist, geätzt, um die Oberfläche der
zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 freizulegen, auf der
die n-Elektrode gebildet werden soll. Die blanke Oberfläche wird
aus einer Übergitterstrukturschicht
gebildet, die einen hohen Grad an Verunreinigung aufweist. Als nächstes wird
die aus Ni/Au hergestellte p-Elektrode 32 auf der gesamten
Oberfläche
des Grats ausgebildet. Als nächstes
wird, wie in der 2 gezeigt, ein aus SiO2 hergestellter isolierender Film 35 auf
der Oberfläche
der Claddingschicht auf der p-Seite 30 und der Kontaktschicht
auf der p-Seite 31, außer
für die
p-Elektrode 32,
ausgebildet. Eine p-Bondelektrode 33, die über den
isolierenden Film 35 elektrisch mit der p-Elektrode 32 verbunden
wird, wird ausgebildet. In der Zwischenzeit wird die n-Elektrode
aus W und Al auf der Oberfläche
der Kontaktschicht 4 der n-Seite gebildet, die blank gelegt
wurde.
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Nachdem
die Elektrode ausgebildet wurde, wird die Rückseite des Saphirsubstrats
des Wafers auf eine Dicke von etwa 50 μm geschliffen. Anschließend wird
der Wafer an der M-Ebene des Saphirs geritzt, und der Querstreifen
mit der gespaltenen Facette als Resonator wird gefertigt. Der Querstreifen
wird parallel zur p-Elektrode geschnitten, was in Laservorrichtungen
resultiert. Die resultierende Konfiguration der Laservorrichtung
wird in 2 dargestellt.
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Wenn
diese Laservorrichtung bei Raumtemperatur kontinuierlich zum Oszillieren
gebracht wird, dann wurde die Schwellenstromdichte auf ca. 2,0 kA/cm2 gesenkt und die Schwellenspannung lag bei ca.
4,0 V, im Vergleich zu den konventionellen Nitridhalbleiterschichten,
die während
37 Stunden kontinuierlich oszillieren konnten. Die Lebensdauer entsprach
500 Stunden oder mehr.
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Beispiel 6
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Übergitterstruktur-LED
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Undotiertes GaN//undotiertes
AlGaN/Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
-
Nach
dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wird die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 durch
Laminierung einer mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotierten GaN-Schicht,
mit einer Dicke von 20 Ångström und einer
undotierten Al0,10Ga0,90N-
Schicht, mit einer Dicke von 20 Ångström hergestellt, und man lässt das Paar
250 Mal wachsen, was in einer Übergitterstruktur
mit einer Gesamtdicke von 1,0 μm
(10000 Ångström) resultiert.
Die anderen Konstruktionen waren mit denen in Beispiel 1 identisch. Ähnliche
Ergebnisse wie jene in Beispiel 1 wurden erzielt.
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Wie
oben beschrieben, wird eine Nitridhalbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Laminierung der ersten undotierten Nitridhalbleiterschicht
mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht mit einer Übergitterstruktur,
die eine höhere
Verunreinigungskonzentration aufweist, und der dritten ebenfalls
undotierten Nitridhalbleiterschicht hergestellt, sodass man die
LED mit einer niedrigen Durchlassspannung und die Laservorrichtung
mit einer niedrigen Schwellenspannung erzielen kann. Überdies kann,
da die Nitridhalbleiterschicht einen niedrigen spezifischen Widerstand
aufweist, der ohmsche Kontakt zwischen der n-Elektrode und der zweiten
Nitridhalbleiterschicht einfachst erreicht werden und die Durchlassspannung
wird gesenkt.
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Beispiel 7
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LED in Form einer dreilagig-laminierten
Struktur
-
Undotiertes GaN//Si-dotiertes
n-Typ GaN//undotiertes GaN
-
Diese
LED wird, wie in 1 aufgeführt, auf die gleiche Art wie
in Beispiel 1 hergestellt; es handelt sich um ein Beispiel der LED
Vorrichtung der ersten Ausführungsart
gemäß der vorliegenden
Erfindung, mit der Ausnahme, dass die n-Typ Kontaktschicht in Form einer dreilagig-laminierten
Struktur hergestellt wird. Daher wird nur die n-Typ Kontaktschicht
der dreilagig-laminierten Struktur beschrieben.
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Erste Nitridhalbleiterschicht 3
-
Auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 wird nach dem Wachsen der Pufferschicht 2 nur
TMG gestoppt und die Temperatur auf 1050 °C erhöht. Bei 1050 °C lässt man
unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas als Quellgas eine erste
Nitridhalbleiterschicht 3 aus undotiertem GaN bis zu einer
Dicke von 1,5 μm wachsen.
Die erste Nitridhalbleiterschicht lässt man bei einer Temperatur
wachsen, die höher
als im Falle der Pufferschicht ist, zum Beispiel bei 90 bis 1100 °C. Die Zusammensetzung
der ersten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig, sie wird jedoch
vorzugsweise aus AlxGa1-xN
hergestellt, und X darf nicht größer als 0,2
sein, mit dem Ergebnis, dass weniger Kristalldefekte der Nitridhalbleiterschicht
leicht erzielt werden können.
Die Dicke derselben ist nicht wichtig, sie ist jedoch dicker als
die Pufferschicht und liegt in der Regel innerhalb von 0,1 und 20 μm.
-
Da
es sich hierbei um eine undotierte Schicht handelt, ist sie ähnlich einem
Intrinsic-Halbleiter
und besitzt einen spezifischen Widerstand, der höher als 0,1 Ωcm ist.
Da man die erste Nitridhalbleiterschicht bei einer Temperatur, die
höher als
im Falle der Pufferschicht liegt, wachsen lässt, ist die Schicht undotiert,
obwohl sich diese Schicht von besagter Pufferschicht unterscheidet.
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Zweite Nitridhalbleiterschicht 4
-
Folglich
lässt man
bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG und Ammoniak- und Silangas als Verunreinigung
eine mit Si-dotierte GaN-Schicht bis zu einer Dicke von 3 μm wachsen.
Die zweite Nitridhalbleiterschicht 3 kann aus InxAlyGa1-yN
(0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt
werden, wobei die Zusammensetzung derselben nicht wichtig ist, vorzugsweise
sollten GaN, AlxGa1-xN
mit X nicht größer als
0,2 sein bzw. InyGa1-yN
mit Y nicht größer als
0,1 sein, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit
weniger Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Die Dicke der
zweiten Nitridhalbleiterschicht ist nicht wichtig und sollte innerhalb
des Rahmens von 0,1 bis 20 μm liegen,
da die n-Elektrode darauf gebildet wird. Im Falle der Verwendung
des anderen Saphirsubstrats, das nicht in der Struktur der Vorrichtung
war, hat man die Nitridhalbleiterschichten auf gleiche Art zu einer GaN-Schicht
wachsen lassen; die Trägerdichte
betrug 1 × 1019/cm3 und der spezifische
Widerstand war 5 × 10–3 Ωcm.
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Dritte Nitridhalbleiterschicht 5
-
Danach
wird das Silangas gestoppt und bei 1050 °C lässt man eine dritte Nitridhalbleiterschicht 5 aus
undotiertem GaN bis zu einer Dicke von 0,15 μm auf gleiche Art wachsen. Die
dritte Nitridhalbleiterschicht 5 kann ebenfalls aus InxAlyGa1-yN
(0 ≤ X, 0 ≤ Y, X + Y ≤ 1) hergestellt
werden, wobei die Zusammensetzung derselben nicht wichtig ist, bevorzugt aus
GaN, AlxGa1-xN mit
X nicht größer als
0,2 bzw. InyGa1-yN
mit Y nicht größer als
0,1, mit dem Ergebnis, dass die Nitridhalbleiterschicht mit weniger
Kristalldefekten leicht erzielt werden kann. Wenn man InGaN wachsen
lässt und
man auf besagter InGaN-Schicht die Al enthaltende Nitridhalbleiterschicht
wachsen lässt,
dann kann die Rissbildung in der Al enthaltenden Nitridhalbleiterschicht
verhindert werden. Wenn der zweite Nitridhalbleiter aus einem einzelnen
Nitridhalbleiter hergestellt wird, ist es wünschenswert, dass die erste,
zweite und dritte Nitridhalbleiterschicht aus einem Nitridhalbleiter
mit gleicher Zusammensetzung hergestellt werden, im besonderen GaN.
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Die
daraus resultierende LED Vorrichtung emittiert reines grünes Licht
von 520 nm bei einer Durchlassspannung von 20 mA. Bei 20 mA wird
die Durchlassspannung um 0,1 auf 0,2 V gesenkt und die Leistungsabgabe
um 5–10
% erhöht,
im Vergleich zu konventionellen LEDs, die grünes Licht emittieren, die durch
sequentielle Laminierung auf einem Saphirsubstrat, einer Pufferschicht
aus GaN, einer Kontaktschicht auf der n-Seite aus mit Si-dotiertem
GaN, einer Aktivschicht aus InGaN in Form einer Einzelquantentopfstruktur,
einer aus mit Mg dotierten AlGaN Claddingschicht auf der p-Seite
und einer mit Mg dotierten GaN Kontaktschicht auf der p-Seite, hergestellt
wurden.
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Beispiel 8
-
Undotieres In0,05Ga0,95N//Si-dotiertes n-Typ GaN//undotiertes
GaN
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Die
LD Vorrichtung wird genauso wie in Beispiel 5 (wie in 2 gezeigt)
hergestellt (welche die Vorrichtung im Parallelschnitt zur Resonanzfläche des
Lasers zeigt); es handelt sich um ein Beispiel einer LD Vorrichtung
entsprechend der ersten Ausführungsweise
der vorliegenden Erfindung mit Ausnahme der n-Typ Kontaktschicht.
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Mit
dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 lässt man die Pufferschicht 21,
die aus GaN hergestellt ist und eine Dicke von 200 Ångström aufweist, auf
der C-Ebene des Saphirsubstrates 20 wachsen. Danach wird
die Temperatur auf 1020 °C
erhöht
und bei 1020 °C
lässt man
eine erste Nitridhalbleiterschicht 22 aus undotiertem GaN
bis zu einer Dicke von 5 μm
wachsen.
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Anschließend lässt man
bei 1020 °C
unter Verwendung von Silangas als Verunreinigung eine zweite Nitridhalbleiterschicht 23 aus
mit Si dotiertem n-Typ GaN wachsen. Der spezifische Widerstand der entstehenden
LD Vorrichtung war ebenfalls 5 × 10–3 Ω cm.
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Dritte Nitridhalbleiterschicht 24
-
Danach
lässt man
bei 800 °C
unter der Verwendung von TMI, TMG und Ammoniak eine dritte Nitridhalbleiterschicht
aus undotiertem In0,05Ga0,95N bis
zu einer Dicke von 500 Ångström wachsen.
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Claddingschicht 25 auf
der n-Seite
-
Danach
wird bei 1020 °C
eine Claddingschicht auf der n-Seite durch abwechselnde Laminierung
einer mit Si auf 1 × 1017/cm3 dotierten
n-Typ Al0,2Ga0,8N-
Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström sowie
einer undotierten GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström in 40
Schichten gebildet, wobei eine Übergitterstruktur
geformt wird. Diese Claddingschicht auf der n-Seite dient als Fangschicht
für Träger und
Lichtfalle.
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Lichtwellenleiterschicht
auf der n-Seite 26
-
Folglich
lässt man
eine Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26 aus mit
Si auf 1 × 1019/cm3 dotiertem
n-Typ GaN bis zu einer Dicke von 0,2 μm wachsen. Diese Lichtwellenleiterschicht
auf der n-Seite 26 fungiert als Lichtwellenleiterschicht
für die Aktivschicht
und wird vorzugsweise aus GaN oder InGaN hergestellt. Die Dicke
der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite bewegt sich normalerweise
im Bereich von 100 Ångström bis 5 μm und bevorzugt zwischen
200 Ångström bis 1 μm. Diese
Lichtwellenleiterschicht 5 auf der n-Seite kann undotiert
sein.
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Aktivschicht
-
Danach
lässt man
bei 800 °C
eine Topfschicht aus mit Si dotiertem In0,2Ga0,8N bis zu einer Dicke von 25 Ångström wachsen.
Als nächstes
wird das molare Verhältnis
von TMI geändert
und man lässt
eine Barrierenschicht aus mit Si dotiertem In0,01Ga0,99N bis zu einer Dicke von 50 Ångström wachsen.
Dieser Vorgang wird zwei Mal wiederholt und zum Schluss wird die
Topfschicht laminiert, was in einer Mehrfachquantentopfstruktur
(MQW) resultiert.
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Deckschicht auf der p-Seite 28
-
Dann
lässt man
bei 1020 °C
unter Verwendung von TMG, TMA, Ammoniak und Cp2Mg eine Deckschicht
auf der p-Seite 28 mit einer Bandlückenenergie, die höher als
die der Aktivschicht ist und aus mit Mg auf 1 × 1020/cm3 dotiertem p-Typ Al0,3Ga0,7N besteht, bis zu einer Dicke von 300 Ångström wachsen.
Die Deckschicht auf der p-Seite 28 ist mit einer p-Typ
Verunreinigung dotiert, jedoch ist ihre Dicke gering, sodass die
Deckschicht auf der p-Seite ein i-Typ sein kann, worin Träger durch
Dotierung mit n-Typ Verunreinigung kompensiert werden können. Die
Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 wird innerhalb
0,1 μm,
bevorzugt innerhalb 500 Ångström reguliert
und noch besser innerhalb 300 Ångström. Wenn
man diese bis zu einer Dicke von mehr als 0,1 μm wachsen lässt, dann besteht die Tendenz zur
Rissbildung innerhalb der Deckschicht auf der p-Seite 28,
und dies macht es schwierig, eine Nitridhalbleiterschicht von guter
Kristallqualität
wachsen zu lassen. Außerdem
können
die Träger
die Energiebarriere aufgrund des Tunneleffekts nicht überwinden.
Im Falle von AlGaN mit einem hohen Anteil an Al kann die geringe
Dicke die Schwingung der LD Vorrichtung erleichtern. Beispielsweise
im Falle von AlyGa1-yN
mit Y nicht unter 0,2 ist die Dicke vorzugsweise innerhalb von 500 Ångström reguliert.
Die Untergrenze der Dicke der Deckschicht auf der p-Seite 28 ist
nicht festgelegt, jedoch ist diese bevorzugt nicht niedriger als
10 Ångström, wie im
Falle der Laservorrichtung im Beispiel 4.
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Lichtwellenleiterschicht
auf der p-Seite 29
-
Als
nächstes
lässt man
bei 1020 °C
eine Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite 29, die aus mit
Mg auf 1 × 1018/cm3 dotiertem
p-Typ GaN besteht, bis zu einer Dicke von 0,2 um wachsen. Diese Schicht
hat die Aufgabe einer Lichtwellenleiterschicht für die Aktivschicht, wie im
Falle der Lichtwellenleiterschicht auf der n-Seite 26.
Diese Schicht besteht bevorzugt aus GaN oder InGaN. Die Dicke der
Lichtwellenleiterschicht auf der p-Seite beträgt vorzugsweise 100 Ångström bis 5 μm, noch besser
200 Ångström bis 1 μm. Die Lichtwellenleiterschicht
auf der p-Seite ist normalerweise p-leitend aufgrund der Dotierung mit
einer p-Typ Verunreinigung wie Mg, kann jedoch auch undotiert sein.
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Claddingschicht auf der
p-Seite 30
-
Danach
wird bei 1020 °C
eine Claddingschicht auf der p-Seite 30 durch abwechselnde
Laminierung einer mit Mg auf 1 × 1020/cm3 dotierten
p-Typ Al0,25Ga0,75N-Schicht
mit einer Dicke von 40 Ångström sowie
einer undotierten p-Typ GaN-Schicht mit einer Dicke von 40 Ångström in 40
Schichten hergestellt, wodurch eine Übergitterstruktur zustande
kommt. Diese Schicht hat die Aufgabe einer Fangschicht für Träger, wie
auch im Fall der Claddingschicht auf der n-Seite 25. Der spezifische
Widerstand und die Grenzwerte der p-Typ Schichten tendieren aufgrund der
Claddingschicht auf der p-Seite in Form einer Übergitterstruktur zu sinken.
-
Kontaktschicht auf der
p-Seite 31
-
Schließlich lässt man
eine Kontaktschicht auf der p-Seite 31, die aus mit Mg
auf 2 × 1020/cm3 dotiertem
GaN des p-Typs hergestellt wurde, auf eine Dicke von 150 Ångström wachsen.
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Nach
Abschluss der Reaktion wird der Wafer bei 700 °C in der Stickstoffatmosphäre im Reaktor getempert,
damit die Schichten des p-Typs einen geringeren elektrischen Widerstand
haben. Nach dem Tempern wird der Wafer aus dem Reaktor herausgenommen
und die Kontaktschicht auf der p-Seite 31 und die Claddingschicht
auf der p-Seite 30, bei denen es sich um die obersten Schichten
handelt, werden, wie in 2 gezeigt, mit einer RIE-Vorrichtung
zu einer Steggeometrie mit einer Streifenbreite von 4 μm geätzt. Insbesondere
wenn die Nitridhalbleiterschichten, die Al enthalten und sich über der
Aktivschicht befinden, in der Steggeometrie ausgebildet werden, konzentriert
sich die Emission von der Aktivschicht unter dem Streifensteg, mit
dem Ergebnis, dass der Quermodus leicht vereinfacht und die Grenzbereiche leicht
verringert werden. Nachdem der Steg geformt wurde, wird auf dem
Steg eine Maske ausgebildet und die Oberfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23,
auf der die n-Elektrode 34 ausgebildet werden soll, wird,
wie in 2 gezeigt, symmetrisch in Bezug auf den Streifensteg
freigelegt.
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Als
nächstes
wird die aus Ni/Au hergestellte p-Elektrode 32 auf der
gesamten Oberfäche
des Grats ausgebildet. Zwischenzeitlich wird auf der nahezu gesamten
Oberfläche
der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 eine aus Ti und
Al hergestellte n-Elektrode
aus einem Streifen ausgebildet. Die nahezu gesamte Oberfläche bedeutet
eine Fläche
von 80 % oder mehr der Oberfläche.
Somit ist es äußerst vorteilhaft,
die Grenzbereiche zu verringern, um die zweite Nitridhalbleiterschicht 23 symmetrisch
in Bezug auf die p-Elektrode 32 freizulegen und mit einer n-Elektrode
auf der nahezu gesamten Oberfläche
der zweiten Nitridhalbleiterschicht 23 auszustatten. Als nächstes wird
ein aus SiO2 hergestellter isolierender Film 35 zwischen
der p-Elektrode
und der n-Elektrode ausgebildet. Es wird eine aus Au hergestellte p- Bondelektrode 33 ausgebildet,
die über
den isolierenden Film 35 elektrisch mit der p-Elektrode 32 verbunden
wird.
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Nachdem
die Elektrode ausgebildet wurde, wird die Rückseite des Saphirsubstrats
des Wafers auf eine Dicke von etwa 50 μm geschliffen. Anschließend wird
die geschliffene Ebene geritzt und der Wafer wird in Querstreifen
gespalten, die in Bezug auf die Streifenelektrode lotrecht sind,
um auf der gespaltenen Facette einen Resonator zu fertigen. Ein
aus SiO2 und TiO2 hergestellter
dielektrischer Film wird auf der Facette des Resonators ausgebildet
und schließlich
wird der Querstreifen parallel zur p-Elektrode geschnitten, was
in Laservorrichtungen resultiert. Die resultierende Vorrichtung
befindet sich auf dem Kühlkörper. Als
die Laseroszillation bei Raumtemperatur ausprobiert wurde, wurde
die kontinuierliche Emission bei einer Wellenlänge von 405 nm beobachtet.
Die Schwellstromdichte betrug 2,5 kA/cm2 und
die Schwellenspannung 4,0 V. Die Lebensdauer betrug 500 Stunden
oder länger
und wurde 10-fach oder mehr verstärkt, verglichen mit der herkömmlichen
Nitridhalbleiter-Laservorrichtung.
-
Beispiel 9
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LED in Form
der dreilagig-laminierten Struktur
-
Undotiertes In0,05Ga0,95N//Si-dotiertes
GaN des n-Typs//undotiertes GaN
-
Die
LED-Vorrichtung wird auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel
1 gefertigt, mit der Ausnahme, dass man eine aus undotiertem In0,05Ga0,95N hergestellte
dritte Nitridhalbleiterschicht bei 800 °C unter Verwendung von TMG,
TMI und Ammoniak auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen lässt. Die
resultierende LED-Vorrichtung
wies nahezu dieselben Eigenschaften wie jene in Beispiel 7 auf.
-
Für die dreilagig-laminierte
Struktur besteht das Hauptziel darin, dass die Ladungsträgerkonzentration
in der zweiten Nitridhalbleiterschicht, die als eine N-Typ Kontaktschicht
fungiert, erhöht
wird, was darin resultiert, dass eine Kontaktschicht erhalten wird,
die einen spezifischen Widerstand aufweist, der so niedrig wie möglich ist.
Die zweite Nitridhalbleiterschicht wird mit einer n-Typ-Verunreinigung
in hoher Konzentration dotiert und die dritte Nitridhalbleiterschicht
wird derart ausgebildet, dass die Claddingschicht des n-Typs, die
Aktivschicht und dergleichen, die über der zweiten Nitridhalbleiterschicht
ausgebildet werden, eine gute Kristallinität aufweisen können.
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Beispiel 10
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LED in Form
einer dreilagig-laminierten Übergitterstruktur
-
Undotiertes InGaN/undotiertes
GaN//Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
-
Mit
denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die Pufferschicht 2 ausgebildet
und dann lässt
man die aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 bei
denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 auf eine Dicke von 1,5 μm wachsen.
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Als
nächstes
wird bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und Si-Gas eine zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ausgebildet,
indem man eine Si-dotierte GaN-Schicht, die mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotiert wurde,
auf eine Dicke von 2,25 μm wachsen
lässt.
-
Dann
lässt man
bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht
auf eine Dicke von 20 Ångström heranwachsen
und anschließend
lässt man
bei 800 °C
unter Verwendung von TMI, TMG und Ammoniakgas eine undotierte InGaN-Schicht
auf eine Dicke von 10 μm
heranwachsen. Somit wird eine dritte Nitridhalbleiterschicht hergestellt,
indem abwechselnd eine A-Schicht aus einer undotierten GaN-Schicht
mit einer Dicke von 20 Ångström sowie
eine B-Schicht aus einer undotierten InGaN-Schicht mit einer Dicke
von 10 Ångström in 20
Schichten geschichtet werden, wodurch eine Übergitterstruktur mit einer
Gesamtdicke von 600 Ångström entsteht.
Andere Konstruktionen waren mit denen in Beispiel 1 identisch.
-
Die
resultierende LED von Beispiel 10 wies dieselben Eigenschaften wie
jene in Beispiel 7 auf.
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Beispiel 11, das nicht
Teil der vorliegenden Erfindung ist
-
LED in Form einer dreilag-laminierten
LED
-
Undotiertes GaN//Si-dotiertes
n-Typ-GaN//Si-dotiertes GaN
-
Mit
denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 wird die erste Nitridhalbleiterschicht 3 mit
Si auf 1 × 1017/cm3 dotiert, die
aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird
mit 8 × 1018/cm3 dotiert und
die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 ist eine undotierte
Schicht. Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel
7. In der resultierenden Vorrichtung wurde ein geringfügiger Leckstrom
beobachtet und die Leistungsabgabe nahm ein wenig ab.
-
Beispiel 12, das nicht
Teil der vorliegenden Erfindung ist
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LED in Form
einer dreilagig-laminierten LED
-
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes
n-Typ-GaN//undotiertes GaN
-
Mit
denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 wird die dritte Nitridhalbleiterschicht 5 mit
Si auf 1 × 1017/cm3 dotiert, die
aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird
mit 8 × 1018/cm3 dotiert und
die erste Nitridhalbleiterschicht 5 ist eine undotierte
Schicht. Die anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel
7. In der resultierenden Vorrichtung wurde ein geringfügiger Leckstrom
beobachtet und die Leistungsabgabe nahm ein wenig ab.
-
Beispiel 13, das nicht
Teil der vorliegenden Erfindung ist
-
LED in Form einer dreilagig-laminierten
Struktur
-
Si-dotiertes GaN//Si-dotiertes
n-Typ-GaN//Si-dotiertes GaN
-
Mit
denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 7 werden die erste und
die dritte Nitridhalbleiterschicht 3 und 5 mit
Si auf 8 × 1016/cm3 dotiert und
die aus GaN hergestellte zweite Nitridhalbleiterschicht 4 wird
mit 5 × 1018/cm3 dotiert. Die
anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 7. In der resultierenden
Vorrichtung wurde nahezu kein Leckstrom beobachtet und die Leistungsabgabe
nahm ein wenig ab.
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Beispiel 14, das nicht
Teil der vorliegenden Erfindung ist
-
LED in Form einer dreilagig-laminierten
Struktur
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Undotiertes GaN/Si-dotiertes
GaN//Si-dotiertes GaN//undotiertes GaN
-
Mit
denselben Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 wird die Pufferschicht 2 ausgebildet
und dann lässt
man die aus undotiertem GaN hergestellte erste Nitridhalbleiterschicht 3 bei
denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 auf eine Dicke von 1,5 μm heranwachsen.
-
Als
nächstes
wird bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG, Ammoniakgas und Si-Gas die zweite Nitridhalbleiterschicht 4 ausgebildet,
indem man eine Si-dotierte GaN-Schicht,
die mit Si auf 1 × 1019/cm3 dotiert ist,
auf eine Dicke von 2,25 μm
heranwachsen lässt.
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Anschließend lässt man
bei 1050 °C
unter Verwendung von TMG und Ammoniakgas eine undotierte GaN-Schicht
auf eine Dicke von 75 μm
heranwachsen. Bei derselben Temperatur lässt man unter Verwendung von
TMG, Ammoniakgas und Si-Gas eine Si-dotierte GaN-Schicht, die mit
Si auf 1 × 1019/cm3 dotiert ist,
auf eine Dicke von 25 Ångström heranwachsen.
Somit wird die dritte Nitridhalbleiterschicht hergestellt, indem
abwechselnd eine undotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 75 Ångström und die
Si-dotierte GaN-Schicht mit einer Dicke von 25 Ångström geschichtet werden, wodurch
die Übergitterstruktur
mit einer Gesamtdicke von 600 Ångström ausgebildet
wird.
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Die
anderen Konstruktionen waren genauso wie in Beispiel 1.
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Die
resultierende LED mit der dritten Nitridhalbleiterschicht in Form
der Übergitterstruktur
gemäß dem Beispiel
14 wies Eigenschaften auf, die jenen aus Beispiel 7 ähnlich waren.