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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Pufferschicht
auf Basis eines ternären Nitrids
eines Lichtemissionsbauteils sowie ein Lichtemissionsbauteil auf
Nitridbasis mit einer derartigen Pufferschicht.
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Die
Anwendungen von Lichtemissionsdioden sind vielfältig, und zu ihnen gehören optische Displays,
Verkehrssignale, Datenspeicher, Kommunikationsvorrichtungen, Beleuchtungsvorrichtungen sowie
medizinische Geräte.
Infolgedessen ist es wesentlich, die Helligkeit von Lichtemissionsdioden
zu erhöhen
und den Herstellprozess zu vereinfachen, um die Kosten derselben
zu senken.
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Im
Allgemeinen verfügt
ein bekanntes Lichtemissionsbauteil auf Nitridbasis über eine
Pufferschicht auf Nitridbasis der AlGaInN-Gruppe, die auf einem
Saphirsubstrat hergestellt ist und auf der ein Epitaxieprozess auf
Nitridbasis ausgeführt
wird. Aufgrund von Problemen in Zusammenhang mit dem Anpassen von
Kristallgitterkonstanten kann die Versetzungsdichte (die die Qualität des bekannten
Lichtemissionsbauteils auf Nitridbasis beeinflusst) nicht effizient
gesenkt werden. Daher wird beim bekannten Epitaxieprozess auf Nitridbasis
versucht, die Qualität des
bekannten Lichtemissionsbauteils auf Nitridbasis durch ein zweistufiges
Züchtungsverfahren
zu verbessern, bei dem Niedertemperatur (500–600°C) GaN zum Herstellen einer
Pufferschicht verwendet wird, ein Heizprozess (bei dem eine Temperatur
von 1000–1200°C) zum Bewirken
einer Kristallisation ausgeführt
wird sowie ein Epitaxieprozess für
jede epitaktische Stapelschicht ausgeführt wird. Die Dicke und die
Temperatur der Pufferschicht, die Rückführung ausgehend vom Heiz- und
vom Umkristallisierungsprozess zuzüglich des Verhältnisses
und der Flussrate von Gas für
jede Reaktion müssen
genau kontrolliert werden, wo durch der Herstellprozess kompliziert
und schwierig wird, so dass infolgedessen die Herstelleffizienz
nicht erhöht
werden kann.
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Daher
ist es eine Hauptaufgabe der beanspruchten Erfindung, eine Pufferschicht
auf Basis eines ternären
Nitrids eines Lichtemissionsbauteils auf Nitridbasis zu schaffen.
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Die
EP 1 111 663 A2 betrifft
eine GaN-basierte Halbleitervorrichtung und beschreibt ein Verfahren zum
Herstellen einer Pufferschicht des Bauteils bei unterschiedlichen
Temperaturen. Hierbei wird zunächst
das Substrat nitridiert und anschließend eine GaN-Pufferschicht
aufgebracht.
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Die
US 2003/0 057 434
A1 beschreibt eine weitere Halbleitervorrichtung mit verbesserten
Pufferschichten, wobei auf einem Substrat eine erste Pufferschicht
bei einer Temperatur aufgebracht wird, die niedriger als die Einkristall-Wachstumstemperatur
gebildet wird. Auf dieser wird als zweite Pufferschicht eine Schicht
zum Bilden der Vorrichtung bei einer Temperatur aufgebracht, die
der Einkristall-Wachstumstemperatur
entspricht.
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Die
US 6 115 399 A betrifft
eine Halbleiter-LED mit einer ersten, bei einer niedrigeren Temperatur
hergestellten Pufferschicht und einer zweiten, bei einer höheren Temperatur
hergestellten Pufferschicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen
einer Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids eines Lichtemissionsbauteils
auf Nitridbasis, sowie ein derartiges Bauteil zu schaffen, das eine
erhöhte
Herstelleffizienz ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und das
Bauteil gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den jeweiligen Unteransprüchen
beschrieben.
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Das
Lichtemissionsbauteil auf Nitridbasis verfügt über ein Substrat, eine auf
diesem hergestellte Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids
sowie einen auf der Pufferschicht hergestellten Lichtemissionsstapel
auf Nitridbasis. Ein Verfahren zum Herstellen der Pufferschicht
auf Basis eines ternären Nitrids
verfügt über Folgendes:
(a) Einleiten einer ersten Reaktionsquelle mit einem ersten Element
der Gruppe III in eine Kammer auf einer ersten Temperatur, damit
das erste Element der Gruppe III auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden/adsorbiert wird,
um eine Übergangsschicht
auszubilden. Die erste Temperatur ist höher als der Schmelzpunkt des Elements
der Gruppe III, um zu gewährleisten,
dass sich zwischen den Elementen der Gruppe III und dem Substrat
keine starken Kopplungen aufbauen. (b) Bei einer zweiten Temperatur,
die nicht niedriger als der Schmelzpunkt des ersten Elements der
Gruppe III ist, werden eine zweite Reaktionsquelle mit einem zweiten
Element der Gruppe III sowie eine Stickstoff-Reaktionsquelle in die Kammer auf einer
zweiten Temperatur eingeleitet, um auf dem Substrat durch Reaktion
mit dem ersten Element der Gruppe III eine Pufferschicht auf Basis
eines ternären
Nitrids auszubilden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann den komplizierten und schwierigen Herstellprozess vereinfachen
und die Herstelldauer im Heiz- und Abkühl- sowie im Umkristallisierprozess
verkürzen.
Bei der Erfindung kann Ga als zweites Element der Gruppe III entsprechend
dem Herstellprozess ausgewählt werden,
um nach dem Herstellen der Übergangsschicht
aus dem ersten Element der Gruppe III mit der Züchtung der Hochtemperatur-GaN-Schicht
fortzufahren, wobei die Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids
auf natürliche
Weise ohne irgendeine Spezialbehandlung hergestellt werden kann,
so dass der Herstellprozess vereinfacht werden kann und die Qualität eines
Epitaxiefilms verbessert werden kann. Indessen können die Herstellkosten gesenkt
werden.
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Diese
und andere Aufgaben der beanspruchten Erfindung werden dem Fachmann
zweifelsfrei nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform,
die in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen veranschaulicht
ist, ersichtlich geworden sein.
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Die
Erfindung wird in Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen
detaillierter erläutert.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtemissionsbauteils
auf Nitridbasis mit einer Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids.
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtemissionsbauteils
auf Nitridbasis mit einer Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids.
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3, 4 und 5 sind
Fotografien zum Veranschaulichen von Oberflächenmorphologien von Epitaxiewafern
mit einem optischen Interferenzmikroskop.
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6 zeigt
ein Schnittbild mit einem Transmissionselektro nenmikroskop.
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7 zeigt
ein Diagramm des momentanen Reflexionsvermögens während eines Epitaxieprozesses.
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8 zeigt
eine Tabelle für
einen Vergleich zwischen einer durch die Erfindung geschaffenen blauen
Lichtemissionsdiode und einem zweistufigen Züchtungsverfahren.
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Es
ist auf die 1 Bezug zu nehmen, die ein schematisches
Diagramm eines erfindungsgemäßen Lichtemissionsbauteils
auf Nitridbasis mit einer A1GaN-Pufferschicht zeigt. Das Lichtemissionsbauteil 1 auf
Nitridbasis verfügt über ein
Saphirsubstrat 10, eine auf diesem hergestellte A1GaN-Pufferschicht 11,
eine auf dieser hergestellte n-Halbleiterstapelschicht 12 auf
Nitridbasis mit einem Epitaxiegebiet und einem n-Elektrodenkontaktgebiet
eine auf dem Epitaxiegebiet hergestellte GaN/InGaN-Mehrquantentrog-Lichtemissionsschicht 13,
eine auf dieser hergestellte p-Halbleiterstapelschicht 14 auf
Nitridbasis, eine auf dieser hergestellte metallische, transparente,
leitende Schicht 15, eine auf dem n-Elektrodenkontaktgebiet
hergestellte n-Elektrode 16 sowie eine auf der metallischen,
transparenten, leitenden Schicht 15 hergestellte p-Elektrode 17.
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Ein
Verfahren zum Herstellen der oben genannten A1GaN-Pufferschicht
des Lichtemissionsbauteils auf Nitridbasis verfügt über die folgenden Schritte:
(a) Einleiten einer Al-haltigen,
metallorganischen Reaktionsquelle TMA1 bei 800°C zum Herstellen einer an Aluminium
reichen Übergangsschicht; (b)
Einleiten einer Ga-haltigen, metallorganischen Reaktionsquelle TMGa
und einer Stickstoff-Reaktionsquelle NH3 in
einem Zustand mit niedrigem V/III(V/III < 1000)-Verhältnis; (c) Erhöhen der
Züchtungstemperatur
auf 1050°C
und Züchten
einer Hochtemperatur-GaN-Schicht mit höherem V/III-Verhält nis (V/III > 2000). Während des
Wachstums der GaN-Schicht erfahren die Al-Atome der an Aluminium
reichen Übergangsschicht
und die Ga-Atome und die N-Atome im Bereich nahe an dieser eine
Umordnung. Die Al-Atome diffundieren nach oben, und die Ga-Atome
und die N-Atome diffundieren nach unten. Dann gehen die Al-, die
Ga- und die N-Atome eine Bindung ein und bilden eine A1GaN-Pufferschicht.
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Ein
anderes Verfahren zum Herstellen der oben genannten A1GaN-Pufferschicht
des Lichtemissionsbauteils auf Nitridbasis beinhaltet die folgenden
Schritte: (a) Einleiten einer Al-haltigen, metallorganischen Reaktionsquelle
TMA1 bei 1020° zum Herstellen
einer an Aluminium reichen Übergangsschicht;
(b) Einleiten einer Ga enthaltenden, metallorganischen Reaktionsquelle
TMGa und einer Stickstoff-Reaktionsquelle NH3 bei
derselben Temperatur wie im Schritt (a), um die Hochtemperatur-GaN-Schicht
zu züchten.
Während
der Züchtung der
GaN-Schicht erfahren die Al-Atome der an Aluminium reichen Übergangsschicht
und die Ga-Atome und die N-Atome im Bereich nahe an dieser eine
Umordnung. Die Al-Atome diffundieren nach oben, und die Ga-Atome
und die N-Atome diffundieren nach unten. Dann gehen die Al-, Ga-
und N-Atome eine Bindung ein und bilden eine A1GaN-Pufferschicht.
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Beim
Lichtemissionsbauteil 1 auf Nitridbasis kann die transparente
metallische, leitende Kontaktschicht durch eine transparente Oxid-Kontaktschicht ersetzt
werden, um den Lichtemissionswirkungsgrad dank des höheren Transmissionsvermögens der transparenten
Oxid-Kontaktschicht zu erhöhen.
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Es
ist auf die 2 Bezug zu nehmen, die ein schematisches
Diagramm einer anderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lichtemissionsbauteils 3 auf
Nitridbasis mit einer A1GaN-Pufferschicht zeigt. Der wesentlichste
Unterschied zwischen dem Lichtemissionsbauteil 1 auf Nitridbasis und
dem Lichtemissionsbauteil 3 auf Nitridbasis besteht darin,
dass eine transparente Oxid-Kontaktschicht 28 des Lichtemissionsbauteils 3 auf
Nitridbasis die transparente, metallische Kontaktschicht 15 des
Lichtemissionsbauteils 1 auf Nitridbasis ersetzt, und dass
zwischen der p-Halbleiterstapelschicht 14 auf Nitridbasis
und der transparenten Oxid-Kontaktschicht 28 eine
n-Sperr-Tunnelkontaktschicht 29 hoher Konzentration des
Lichtemissionsbauteils 3 auf Nitridbasis mit einer Dicke
von weniger als 10 nm und einer Ladungsträgerkonzentration über 1 × 1019 cm–3 ausgebildet ist, so
dass zwischen der transparenten Oxid-Kontaktschicht 28 und
der n-Sperr-Tunnelkontaktschicht 29 ein
Ohm'scher Kontakt
gebildet wird. Wenn das Lichtemissionsbauteil 3 auf Nitridbasis
in Durchlassrichtung betrieben wird, befindet sich die Grenzfläche zwischen
der n-Sperr-Tunnelkontaktschicht 29 hoher Konzentration
und der p-Halbleiterstapelschicht 14 auf Nitridbasis in
einem Sperrmodus, und es wird ein Verarmungsbereich ausgebildet. Außerdem können Ladungsträger der
transparenten Oxid-Kontaktschicht 28 durch den Tunneleffekt
durch die p-Halbleiterstapelschicht 14 auf Nitridbasis
treten, was dafür
sorgt, dass die Betriebsvorspannung des Lichtemissionsbauteils 3 auf
Nitridbasis denselben Pegel wie eine herkömmliche LED mit transparenter,
metallischer Kontaktschicht erreicht. Außerdem können die AlGaN-Pufferschichten
der Lichtemissions-Bauteile 1 und 3 auf Nitridbasis
durch andere Pufferschichten auf Basis eines ternären Nitrids, wie
InGaN- und InAlN-Pufferschichten, ersetzt werden.
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Es
ist auf die 3, 4 und 5 Bezug zu
nehmen, die Fotografien zum Veranschaulichen von Oberflächenmorphologien
eines Epitaxiewafers sind, der unter einem optischen Interferenzmikroskop untersucht
wurde. Die 3 zeigt eine Fläche ohne irgendeine
Pufferschicht. Die 4 zeigt eine Fläche mit
einer bekannten GaN-Pufferschicht, die durch zweistufige Züchtung hergestellt
wurde; die 5 zeigt eine Fläche mit der
Erfindung in Form einer A1GaN-Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids nach
dem Aufwachsen einer Hochtemperatur-GaN-Schicht. Die Fläche ohne
jedwede Pufferschicht ist eine trübe Fläche, was zeigt, dass es sich um
eine nicht einkristalline Struktur handelt, während die Fläche mit
der erfindungsgemäßen A1GaN-Pufferschicht
auf Nitridbasis eine spiegelähnliche
Fläche, ähnlich der
bei einer herkömmlichen
zweistufigen Züchtung,
bildet.
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Ferner
wurde herausgefunden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren
nicht nur eine spiegelglatte Fläche
erzielt wird, sondern dass auch die Dicke der Pufferschicht kleiner
als die beim Stand der Technik ist. Es ist auf die 6 Bezug
zu nehmen, die ein mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommenes
Schnittbild zeigt. Es ist ersichtlich dargestellt, dass die typische
Dicke der durch die Erfindung erzielten Pufferschicht nur ungefähr 7 nm
beträgt,
im Gegensatz zum herkömmlichen
zweistufigen Züchtungsverfahren
mit einer Dicke der Pufferschicht von 20–40 nm.
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Es
ist auf die 7 Bezug zu nehmen, die ein Reflexionsspektrum
durch in-situ-Betrachtung gemäß der Erfindung
zeigt, wenn eine geringfügig
mit Si dotierte GaN-Schicht gezüchtet
wird. Es sind Signale beim Herstellen der Übergangsschicht und anschließend der
Hochtemperatur-GaN-Schicht dargestellt. Die Kristallqualität wurde
durch XRC- und Hall-Messungen
gekennzeichnet. Die gemäß der Erfindung
hergestellte GaN-Schicht verfügt über eine XRC-Halbwertsbreite
(FWHM = Full Width at Half Maximum) von 232 aresec. Die durch den
Hall-Effekt gemessene Ladungsträgerbeweglichkeit
kann den hohen Wert von 690 cm2/V·s erreichen.
Im Vergleich dazu verfügt
die gemäß dem herkömmlichen
zweistufigen Züchtungsverfahren
hergestellte GaN-Schicht über
eine Ladungsträgerkonzentration von
1 × 1017 cm–3 und eine breitere
XRC-FWHM von 269
aresec, mit niedrigerer Hall-Beweglichkeit von 620 cm2/V·s bei
einer ähnlichen
Ladungsträgerkonzentration
von 1 × 1017 cm–3. Dies zeigt stark
an, dass die Kristallqualität
des gemäß der Erfindung
hergestellten GaN deutlich gegenüber
derjenigen beim herkömmlichen
zweistufigen Züchtungsverfahren verbessert
ist.
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Ferner
wurde ein Vergleich für
durch die Erfindung und das zweistufige Züchtungsverfahren hergestellte
blaue Lichtemissionsdioden vorgenommen. Es ist auf die 8 Bezug
zu nehmen, die eine Tabelle zu einem Vergleich für durch die Erfindung und durch
das zweistufige Züchtungsverfahren
hergestellte blaue Lichtemissionsdioden zeigt. Aus der Tabelle ist
es erkennbar, dass hinsichtlich der Helligkeit, der Durchlassspannung
bei 20 mA, dem Leckstrom bei –5
V und einer Sperrspannung bei –10 μA gemäß der Erfindung
hergestellte LEDs vergleichbar mit denen unter Verwendung des herkömmlichen
zweistufigen Züchtungsverfahrens
sind. Außerdem
sind auch die Zuverlässigkeitseigenschaften
einer gemäß der Erfindung
hergestellten blauen LED vergleichbar mit denen beim herkömmlichen
zweistufigen Züchtungsverfahren.
Daher werden durch die Erfindung Bauteile mit ähnlichen Eigenschaften wie
denen beim Stand der Technik erzielt, wobei jedoch ein vereinfachter Prozess
verwendet ist.
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Bei
den oben angegebenen Ausführungsformen
verfügt
die p-Halbleiterstapelschicht
auf Nitridbasis ferner über
eine p-Kontaktschicht 2 und
eine p-Mantelschicht auf Nitridbasis, während die n-Halbleiterstapelschicht
auf Nitridbasis ferner über
eine n-Kontaktschicht auf Nitridbasis und eine n-Mantelschicht auf
Nitridbasis verfügt.
Die p-Kontaktschicht auf Nitridbasis verfügt über ein Material, das aus der aus
AlN, GaN, AlGaN, InGaN und AlGaInN oder anderen Ersatzmaterialien
bestehenden Gruppe ausgewählt
ist. Die n-Kontaktschicht auf Nitridbasis verfügt über ein Material, das aus der
aus AlN, GaN, AlGaN, InGaN und AlGaInN oder anderen Ersatzmaterialien bestehenden
Gruppe ausgewählt
ist. Die p- oder n-Mantelschicht auf Nitridbasis verfügt über ein Material,
das aus der aus AlN, GaN, AlGaN, InGaN und AlGaInN oder anderen
Ersatzmaterialien bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das Saphirsubstrat kann
durch ein Material ersetzt werden, das aus der aus SiC, GaAs, GaN,
AlN, GaP, Si, ZnO, MgO und Glas oder anderen Ersatzmaterialien bestehenden Gruppe
ausgewählt
ist. Die Pufferschicht auf Basis eines ternären Nitrids enthält ein Material,
das aus der aus InGaN, AlGaN und InAlN oder anderen Ersatzmaterialien
bestehenden Gruppe ausgewählt
ist. Die n-Halbleiterstapelschicht auf Nitridbasis verfügt über ein
Material, das aus der aus AlN, GaN, AlGaN, InGaN und AlGaInN oder
anderen Ersatzmaterialien bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die Mehrfachquantentrog-Lichtemissionsschicht auf Nitridbasis enthält ein Material,
das aus der aus GaN, InGaN und AlGaInN oder anderen Ersatzmaterialien
bestehenden Gruppe ausgewählt
ist. Die p-Halbleiterstapelschicht auf Nitridbasis verfügt über ein
Material, das aus der aus AlN, GaN, AlGaN, InGaN und AlInGaN oder
anderen Ersatzmaterialien bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die transparente, metallische Kontaktschicht enthält ein Material,
das aus der aus Ni/Au, NiO/Au, Ta/Au, TiWN und TiN oder anderen Ersatzmaterialien
bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die transparente Oxid-Kontaktschicht enthält ein Material, das aus der
aus Indiumzinnoxid, Cadmiumzinnoxid, Antimonzinnoxid, Zinkaluminiumoxid und
Zinkzinnoxid oder anderen Ersatzmaterialien bestehenden Gruppe ausgewählt ist.