DE10253082A1

DE10253082A1 - Nitrid-Halbleiteranordnung mit reduzierten Polarisationsfeldern

Info

Publication number: DE10253082A1
Application number: DE10253082A
Authority: DE
Inventors: Michael R Krames; Tetsuya Takeuchi; Norihide Yamada; Hiroshi Amano; Isamu Akasaki
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2003-05-28
Also published as: TW200306017A; JP2003158297A; US6849472B2; US20020084467A1; TWI264132B

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Halbleiteranordnung mit einer III-Nitrid-Quantentopfschicht umfasst das Selektieren einer Flächenorientierung der Quantentopfschicht zur Steuerung einer Feldstärke eines piezoelektrischen Feldes und/oder einer Feldstärke eines spontanen elektrischen Feldes in der Quantentopfschicht und das Aufwachsen der Quantentopfschicht mit der selektierten Flächenorientierung. Die Flächenorientierung kann gewählt werden zum Reduzieren der Größe eines piezoelektrischen Feldes und/oder beispielsweise eines spontanen elektrischen Feldes. Die Flächenorientierung kann auch gewählt werden zur Steuerung oder zur Reduktion der Größe der kombinierten piezoelektrischen und spontanen elektrischen Feldstärke. Als Ergebnis der reduzierten Größe der piezoelektrischen, spontanen oder kombinierten piezoelektrischen und spontanen elektrischen Feldstärke in den Quantentopfschichten können Licht emittierende Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit einer größeren Effizienz Licht erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Halbleiteranordnungen und insbesondere auf eine Struktur zum Verbessern der Effizienz von Leuchtdioden und Photodetektoren, hergestellt aus GaN-basierten Halbleitern.
In der nachfolgenden Beschreibung ist ein III-N-Halbleiter ein Halbleiter mit einem Gruppe III Element und mit Stickstoff. III-N Halbleiter, wie GaN sind nützlich bei der Herstellung von Licht emittierenden Elementen, die in dem blauen und violetten Bereich des optischen Spektrums emittieren. Diese Elemente umfassen Leuchtdioden und Laserdioden. Laserdioden, die Halbleitermaterial auf Basis von GaN benutzen, das in dem blauen und violetten Bereich des Spektrums emittiert, hält das Versprechen einer wesentlichen Verbesserung des Informationsbetrags, der auf einer optischen Scheibe gespeichert werden kann. Für Halbleiter-Lichtemittel sowie für Photodetektoren ist aber eine größere Effizienz erforderlich. Dies ist ein besonders großes Problem bei GaN-basierten optischen Halbleiteranordnungen, bei denen BN, AIN, GaN oder InN verwendet wird, wobei es sich um Zusammensetzungen von Stickstoff und Gruppe III Elementen, wie B, Al, Ga und In und deren gemischte Kristallhalbleiter handelt (nachher als GaN-basierte Halbleiter bezeichnet).
Licht emittierende Elemente auf Basis von III-N Halbleitern werden typischerweise dadurch hergestellt, dass eine p-n-Diodenstruktur mit einem Licht erzeugenden Gebiet zwischen der p-leitenden und der n-leitenden Schicht geschaffen wird. Die Diode besteht aus Schichten von III-N Halbleitermaterial. Nachdem die betreffenden Schichten aufgewachsen worden sind, werden auf der p-leitenden und der n-leitenden Schicht Elektroden gebildet zum Schaffen der elektrischen Verbindungen zum betreiben des Licht emittierenden Elementes.
Eine Klasse von blauen oder grünen Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden (Leuchtdichtesignal) mit geringer Wellenlänge benutzen GaInN/GaN gefilterte Quantentöpfe oder GaInN/GaInN gefilterte Quantentöpfe, die sich zwischen der n-leitenden und der p-leitenden Schicht befinden zum Erzeugen von Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern, die aus diesen Schichten injiziert werden. Bei bekannten Anordnungen wird eine gefilterte GaN-basierte Halbleiterschicht dadurch konstruiert, dass eine {0001} Ebene eines GaN-basierten Kristalls angewachsen wird. Die resultierende Schicht hat ein großes piezoelektrisches Feld. So wird beispielsweise in einer Ga_0,9In_0,1N gefilterten Schicht ein sehr großes piezoelektrisches Feld um 1 MV/cm herum erzeugt.
Außerdem zeigen III-Nitrid-Halbleiter mit einer Wurtzitkristallstruktur eine spontane Polarisation. Diese spontane Polarisation führt zu Schichten fester Ladung an Schnittstellen zwischen III-Nitridschichten verschiedener Legierungszusammensetzungen, wie an den Schnittstellen zwischen einer III-Nitrid Quantentopfschicht und benachbarten III- Nitridschichten. Diese Ladungsschichten erzeugen ein elektrisches Feld in der Quantentopfschicht. Dieses elektrische Feld, das auch extrem groß sein kann, wird hier als ein spontanes elektrisches Feld bezeichnet.
Meistens neigt, wenn es in einem Quantentopf ein elektrisches Feld gibt, das Energieband der Quantentopfschicht zu kippen, insbesondere wenn das elektrische Feld zunimmt. Dadurch trennen sich die Wellenfunktionen der Elektronen und der Löcher voneinander und die Überlappungsintegrale der beiden Wellenfunktionen nehmen ab. Da die optischen Eigenschaften, wie die Lichtemissions- und die Lichtabsorptionseffizienz, von diesen Überlappungsintegralen abhängig sind, nimmt die Effizienz dieser Anordnungen bei zunehmenden elektrischen Feldern ab.
Was man braucht ist eine III-Nitrid Licht emittierende Anordnung, wobei die Probleme, assoziiert mit den internen piezoelektrischen und spontanen elektrischen Feldern überwunden sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Halbleiteranordnung mit einer III-Nitrid Quantentopfschicht umfasst die Selektion einer Flächenorientierung der Quantentopfschicht zur Steuerung einer Feldstärke eines piezoelektrischen Feldes und/oder einer Feldstärke eines spontanen elektrischen Feldes in der Quantentopfschicht, und das Anwachsen der Quantentopfschicht mit der selektierten Flächenorientierung. Die Flächenorientierung kann derart gewählt werden, dass beispielsweise die Größe eines piezoelektrischen Feldes und/oder die Größe eines spontanen elektrischen Feldes reduziert wird. Die Flächenorientierung kann auch derart gewählt werden, dass die Größe einer kombinierten Feldstärke eines piezoelektrischen Feldes und eines spontanen elektrischen Feldes in der Quantentopfschicht gesteuert oder reduziert wird.
In einer Ausführungsform wird die Quantentopfschicht mit einer Wurtzit- Kistallstruktur aufgewachsen, wobei die selektierte Flächenorientierung um wenigstens 1°, vorzugsweise wenigstens 10° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur gekippt ist. So kann beispielsweise die selektierte Flächenorientierung auf vorteilhafte Weise um etwa 30° bis etwa 50°, um 80° bis etwa 100°, oder um 130° bis etwa 150° gegenüber {0001} gekippt sein. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Quantentopfschicht mit einer Zinkblende-Kristallstruktur aufgewachsen, wobei die selektierte Flächenorientierung um wenigstens 1°, vorzugsweise um wenigstens 10° gegenüber der {111} Richtung der Zinkblende-Kristallstruktur gekippt ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Quantentopfschicht über eine Keimschicht aufgewachsen, die unmittelbar auf einer Substratfläche aufgewachsen ist. Die Keimschicht kann beispielsweise durch eine metallorganische Aufdampfung bei einer derartigen Temperatur aufwachsen, dass die Kristallstruktur der Keimschicht im Wesentlichen die Kristallstruktur der Substratfläche kopiert. Die Substratfläche kann derart selektiert werden, dass sie eine Gitterfehlanpassung hat, die kleiner ist als etwa 10% mit dem Material, aus dem die Quantentopfschicht gebildet worden ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine resultierende Licht emittierende Halbleiteranordnung eine III-Nitrid Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und einer Flächenorientierung, die aus der {0001}-Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur in einem Winkel von etwa 30° bis etwa 50° oder um 130° bis etwa 150° gekippt ist. Bei einer Ausführungsform wird die Quantentopfschicht über eine Keimschicht gebildet, die unmittelbar auf einer Fläche beispielsweise eines SiC-, AIN- oder GaN-Substrats aufgewachsen ist. Die Kristallstruktur dieser Keimschicht kopiert im Wesentlichen die Kristallstruktur der Substratfläche.
Als Ergebnis der reduzierten Größe der piezoelektrischen, spontanen oder kombinierten piezoelektrischen und spontanen elektrischen Feldstärke in den Quantentopfschichten können Licht emittierende Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung Licht mit einer größeren Effizienz als bei bekannten Anordnungen erzeugen.
Fig. 1 zeigt die Kristallstruktur eines WZ-GaN-basierten Halbleiters.
Fig. 2 ist eine Graphik des piezoelektrischen Feldes, erzeugt in der Quantentopfschicht gegenüber der Wachstumsorientierung des WZ-GaN-basierten Halbleiter-Quantentopfes.
Fig. 3 zeigt die Kristallstruktur eines ZB-GaN-basierten Halbleiters.
Fig. 4 ist eine Graphik einer piezoelektrischen Feldstärke, erzeugt in dem Quantentopf gegenüber der ersten in Fig. 3 dargestellten Strecke.
Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Licht emittierende Anordnung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 eine Graphik der relativen Lichterzeugungseffizienz von Quantentöpfen in einer Halbleiteranordnung nach der vorliegenden Erfindung und einer bekannten Halbleiteranordnung als Funktion der Topfgröße.
Fig. 7 ein Schnitt durch eine Licht emittierende Anordnung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ein Schnitt durch eine Licht emittierende Anordnung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der vorliegenden Erfindung liegt teilweise die Erkenntnis zugrunde, dass das piezoelektrische Feld in einer gefilterten Quantentopfschicht abhängig ist von der Orientierung der Kristallstruktur der Quantentopfschicht und folglich kann, durch Steuerung der Flächenorientierung, da piezoelektrische Feld minimiert werden. Die Art und Weise, wie dies verwirklicht wird, kann einfacher verstanden werden unter Bezugnahme zweier Typen gefilterter Quantentopfstrukturen, und zwar denjenigen, basiert auf einer Wurtzit- Kristallstruktur und denjenigen, basiert auf einer Zinkblende-Kristallstruktur.
In Fig. 1 ist eine Wurtzitkristall GaN (WZ-GaN) Struktur 10 dargestellt. Das in einem Kristall mit einer Flächenorientierung längs des Bogens 11 in Fig. 1 erzeugte piezoelektrische Feld ist in Fig. 2 als eine Funktion des Winkels θ zwischen der {0001} Richtung und der Flächenrichtung dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Daten gelten für Ga_0,9In_0,1N gefilterte Quantentopfschichten. Das Piezoelektrische Feld erreicht den Maximalwert in der {0001} Richtung oder in der {000-1} Richtung und hat drei Orientierungen, worin das piezoelektrische Feld Null ist. Dasselbe Ergebnis wird für andere Bögen, beispielsweise den Bogen 12 erhalten. Das heißt, das piezoelektrische Feld wird einzigartig durch die Differenz in dem Winkel zwischen der {0001} Richtung und der Orientierung der betreffenden Ebene bestimmt, d. h. das piezoelektrische Feld ist unabhängig von φ.
Folglich geht aus Fig. 2 hervor, dass es drei Sätze von Ebenen gibt, für die es kein piezoelektrisches Feld gibt. Beispielsweise die Ebenen bei 90° zu der c-Achse wie, beispielsweise der a-Ebene, {2-1-10}, der m-Ebene {0-110}, usw. Die Ebenen um 40° und 140° herum zu der c-Achse schaffen ebenfalls Ebenen mit einem piezoelektrischen Feld Null, beispielsweise die Ebenen {2-1-14}, {01-12}, usw.
Die Stärke des piezoelektrischen Feldes ist abhängig von der Filterung in und der Zusammensetzung von der InGaN gefilterten Quantentopfschicht. Die 90° Flächenorientierung, gemessen aus der {0001} Richtung, wobei das piezoelektrische Feld 0 wird, ist nicht stark abhängig von dem Verhältnis von Ga zu In. Außerdem ändern sich für typische InGaN Quantentopfschicht-LEDs die Flächenorientierungen entsprechend den oben beschriebenen 40° und 140° Orientierungen typischerweise um nicht mehr als 5° von den 40° und 140° Werten, festgestellt für die in Fig. 2 dargestellte Zusammensetzung.
Der vorliegenden Erfindung liegt ebenfalls teilweise die Erkenntnis zugrunde, dass die Stärke des spontanen elektrischen Feldes in einer Wurtzit-Kristallstruktur III-Nitrid Quantentopfschicht abhängig ist von der Flächenorientierung der Quantentopfschicht und folglich kann das spontane elektrische Feld ebenfalls durch Steuerung der Flächenorientierung minimiert werden. So erreicht beispielsweise das spontane elektrische Feld Null für eine III-Nitrid Quantentopfschicht mit nahezu einer a-Ebene- Flächenorientierung oder nahezu einer m-Ebene-Flächenorientierung. Solche Flächenorientierungen werden um etwa 80° bis etwa 90° gegenüber der {0001} Richtung der Wurtzit-Kristallstruktur gekippt.
Die Stärke des spontanen elektrischen Feldes ist ebenfalls abhängig von der Zusammensetzung der Quantentopfschicht und von der Zusammensetzung der angrenzenden Schichten. Für den Fall von Ga_0,9In_0,1N Quantentopfschichten zwischen GaN Schichten (wie beispielsweise in Fig. 2 betrachtet) ist das piezoelektrische Feld typischerweise viel größer als das spontane elektrische Feld. Folglich wird in diesem Fall die Kombination der piezoelektrischen und spontanen Felder dominiert durch das piezoelektrische Feld und es kann vorteilhaft sein eine Flächenorientierung zu selektieren, die das piezoelektrische Feld minimiert. Für Quantentopfschichten oder angrenzende Schichten, gebildet aus anderen III- Nitrid-Zusammensetzungen, wie Material mit beispielsweise Aluminium, kann das spontane elektrische Feld vergleichbar sein mit dem piezoelektrischen Feld oder dieses Feld sogar dominieren. Wenn das spontane elektrische Feld das piezoelektrische Feld dominiert, kann es vorteilhaft sein, eine Flächenorientierung zu wählen, die das spontane elektrische Feld minimiert. Wenn das piezoelektrische und das spontane elektrische Feld miteinander vergleichbar sind, kann es vorteilhaft sein, eine Flächenorientierung zu wählen, die das kombinierte Feld minimiert, die aber nicht unbedingt entweder das spontane oder das piezoelektrische Feld separat minimiert.
Eine ähnliche Analyse kann auf andere Kristallstrukturen angewandt werden. Es wird nun eine Zinkblende-Kristallstruktur GaN-basierte Halbleiterschicht betrachtet, die in der nachfolgenden Beschreibung als ZB-GaN bezeichnet wird. Eine ZB-Ga_0,9In_0,1N gefilterte Quantentopfschicht kann auf GaN gebildet werden, und zwar auf eine ähnliche Art und Weise wie die oben beschriebene WZ-GaN-basierte halbleitergefilterte Quantentopfschicht. Fig. 3 zeigt die Kristrallstruktur 20 des ZB-GaN-basierten Halbleiters. Zum Vereinfachen der Beschreibung wird das sphärische Koordinatensystem, das anhand der Fig. 1 angewandt wurde, auch in diesem Fall angewandt. Der Radiusvektor hat einen Polwinkel θ gemessen aus der {001} Richtung und einen Kegelwinkel φ um die {001} Richtung. Durch 21 und 22 sind eine erste und eine zweite Strecke mit einem konstanten Azimuthwinkel bezeichnet.
Nachstehend wird Fig. 4 beschrieben, wobei es sich um eine Auftragung des piezoelektrischen Feldes in der gefilterten Quantentopfschicht gegenüber dem Polwinkel θ für mehrere Orientierungen der gefilterten Quantentopfschicht über die Strecke 21 handelt. In Fig. 4 entspricht φ = 45° und die {001} Richtung dem Wert θ = 0°. Die {111} Richtung entspricht dem Wert θ = 54,7°, die {110} Richtung entspricht dem Wert θ = 90°, und die {11-1} Richtung entspricht dem Wert θ = 125,3°. Aus Fig. 4 dürfte es einleuchten, dass das piezoelektrische Feld einen Maximalwert in der {111} Richtung hat (θ etwa 55°) und in der Richtung (θ etwa 125°). Wichtiger ist, dass das piezoelektrische Feld für θ = 0,90° und 180° nach Null geht.
Eine ähnliche Analyse gegenüber der Strecke 22 zeigt, dass das piezoelektrische Feld im Grunde für alle Punkte längs dieser Strecke 0 ist. Die Strecke 22 entspricht einer Ga_0,9In_0,1N gefilterten Quantentopfschicht, in der die Wachstumsorientierung θ und φ = 90° entspricht. Folglich wird in dem gefilterten Quantentoptkristall des ZB-GaNbasierten Halbleiters, nahezu kein piezoelektrisches Feld in der Quantentopfschicht erzeugt, die gewachsene Flächen hat, anfangend in der {001} Ebene oder in der {011} Ebene und einen Flächenorientierungswinkel θ gegenüber der Stecke 22. Ein gleiches Ergebnis gilt für Ebenen, die diesen gleichwertig sind.
Die Art und Weise, wie die oben beschriebenen Beobachtungen bei der Herstellung eines Lichtemitters benutzt werden, wird nun anhand der Fig. 5 näher erläutert, was ein Schnitt durch eine Licht emittierende Anordnung 30 nach der vorliegenden Erfindung ist. Die Licht emittierende Anordnung 30 kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein. Wenn die Kristallwachstumsorientierung ausgeschlossen wird, ist die Zusammensetzung jeder abgelagerten Schicht im Grunde diejenige, die in einer herkömmlichen III-Nitrid Licht emittierenden Anordnung benutzt wird.
Die Licht emittierende Anordnung 30 wird aus einer Anzahl Schichten konstruiert. Nacheinander werden eine n-leitende GaN-Kontaktschicht 33, eine n-leitende AIGaN-Deckschicht 34, eine gefilterte mehrfache Quantentopfschicht 35, eine p-leitende AIGaN-Deckschicht 36 und eine p-leitende GaN-Kontaktschicht 37 nacheinander auf dem Substrat 31 aufgetragen, das typischerweise AIN, SiC oder GaN ist. Es werden eine n-leitende Elektrode 38 und eine p-leitende Elektrode 39 abgelagert, wie dargestellt.
Die gefilterte mehrfache Quantentopfschicht 35 wird typischerweise aus GaInN/GaN oder GaInN/GaInN konstruiert. In einer Licht emittierenden Anordnung nach der vorliegenden Erfindung können die Schichten der Quantentopfschicht derart beeinflusst werden, dass sie derart wachsen, dass das piezoelektrische Feld, das spontane elektrische Feld, oder die Kombination des piezoelektrischen Feldes und des spontanen elektrischen Feldes in der Quantentopfschicht vernachlässigbar ist.
Wie oben erwähnt, gibt es eine Anzahl Flächen, für die das piezoelektrische Feld im Grunde Null ist. Eine derselben kann in einer Licht emittierenden Anordnung nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Die betreffende Ebene wird abhängig sein von dem Typ des Kristalls. So kann beispielsweise im Falle eines WZ-GaN Lichtemitters die {2- 1-10}Fläche des gefilterten Quantenschichtmaterials dazu gebracht werden kann, dass sie durch Selektion der geeigneten Wachstumsfläche des Substrats 31 anwächst. Wenn das Substrat beispielsweise SiC ist, kann das SiC derart geschnitten werden, dass die {2-1-10} Fläche für die wachsende Schicht 33 benutzt wird. Die Wahl einer a-Fläche (beispielsweise {2-1-10} oder einer m-Flächenorientierung minimiert ebenfalls das spontane elektrische Feld und folglich die Kombination des piezoelektrischen und des spontanem elektrischen Feldes.
Die relative Effizienz einer Licht emittierenden Anordnung nach der vorliegenden Erfindung (wobei die Kombination des piezoelektrischen und des spontanen elektrischen Feldes vernachlässigbar ist) und einer herkömmlichen Licht emittierenden Anordnung mit einem Quantentopf mit einer {0001} Flächenorientierung (wie eine herkömmliche Anordnung, beispielsweise aufgewachsen auf der {0001} Fläche eines Saphirsubstrats) ist in Fig. 6 als eine Funktion der Breite des Quantentopfes dargestellt. Die Kurve A ist die Effizienz für die oben beschriebene Anordnung in Bezug auf Fig. 5 und die Kurve B ist die Effizienz der herkömmlichen Anordnung. Es dürfte aus dieser Figur einleuchten, dass die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Effizienz der Lichterzeugung schafft.
Herkömmliche III-Nitrid Licht emittierende Anordnungen umfassen oft eine III-Nitrid-Keimschicht, die durch metallorganische chemische Aufdampfung bei einer niedrigen Temperatur (typischerweise niedriger als etwa 800°C) auf dem Substrat aufgewachsen ist zum Unterbringen einer Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und Anordnungsschichten, die über die Keimschicht aufgewachsen sind. Dies ist typischerweise der Fall für Anordnungen, aufgewachsen beispielsweise auf Saphirsubstraten. Unglücklicherweise nehmen Niedertemperatur-III-Nitrid-Keimschichten und III-Nitrid-Anordnungsschichten, die über diesen aufgewachsen sind, typischerweise eine Wurtzit-Kristallstruktur mit einer {0001}-Flächenstruktur an, ungeachtet der Flächenorientierung der Substratfläche, auf der die Schichten aufgewachsen sind. Wie oben erwähnt, führt dies zu einem hoch piezoelektrischen Feld und zu einer geringen Effizienz.
In Fig. 8 umfasst in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Licht emittierende Anordnung 30 eine Hochtemperatur III-Nitrid-Keimschicht 32 zusätzlich zu den in Fig. 5 dargestellten Schichten. Hochtemperatur-III-Nitrid-Keimschicht 32 wird unmittelbar auf dem Substrat 31 aufgewachsen, beispielsweise durch metallorganische chemische Aufdampfung bei einer Temperatur, die hoch genug ist, damit die Kristallstruktur der Schicht 32 im Wesentlichen die der Oberfläche des Substrats 31 dupliziert, auf der die Schicht 32 aufgewachsen ist. Insbesondere ist die Flächenorientierung der Hochtemperatur- Keimschicht 32 und der danach aufgewachsenen Schichten im Wesentlichen dieselbe wie die der Oberfläche des Substrats 31. Folglich kann die Flächenorientierung von Quantentöpfen in der Mehrfach-Quantentopfschicht 35 dadurch gesteuert werden, dass die Flächenorientierung der Oberfläche des Substrats 31 gewählt wird, auf der die Hochtemperatur-III-Nitrid-Keimschicht 32 aufgewachsen ist.
Die Keimschicht 32 ist typischerweise bei einer Temperatur über etwa 800°C aufgewachsen. Die Zusammensetzung der Keimschicht 32 kann beispielsweise Stickstoff und jedes beliebige Element oder jede beliebige Kombination von Elementen aus der Gruppe III des periodischen Systems enthalten. Typischerweise wird die Zusammensetzung der Keimschicht 32 derart gewählt, dass sie eine Gitterfehlanpassung hat, die kleiner ist als etwa 10%, gegenüber der Oberfläche des Substrats 31, auf der die Schicht 32 aufgewachsen ist, und gegenüber nachfolgend aufgewachsenen Anordnungsschichten.
Bei dieser Ausführungsform ist das Substrat 31 typischerweise ein Nicht- {0001}-Orientierungssubstrat, das derart gewählt worden ist, dass es eine Gitterfehlanpassung von weniger als etwa 10% gegenüber der Keimschicht 32 hat. Geeignete Substrate bei dieser Ausführungsform umfassen Nicht-{0001}-Flächen von SiC, AIN und GaN, wie oben beschrieben, sind aber nicht darauf beschränkt.
Obschon Fig. 8 eine n-leitende GaN-Kontaktschicht 33 darstellt, die unmittelbar auf der Hochtemperatur-Keimschicht 32 aufgewachsen ist, können andere Implementierungen zusätzliche Schichten enthalten, die zwischen der Keimschicht 32 und der Kontaktschicht 33 vorgesehen sind. Solche zusätzlichen Schichten können beispielsweise Pufferschichten und Defektreduktionsschichten umfassen.
In einer Implementierung ist das Substrat 31 ein SiC-Substrat mit einer Wachstumsfläche mit einer Flächenorientierung in einem Winkel von etwa 40° zu {0001}, und die Hochtemperatur-Keimschicht 32 ist eine Al_xGa_1-xN-Schicht mit 0 < x ≤1. Bei dieser Implementierung ist die Keimschicht 32 typischerweise bei einer Temperatur von etwa 1000°C bis etwa 1200°C aber typischerweise um 1100°C herum aufgewachsen. Der Molbruchteil x von Aluminium in der Keimschicht 32 ist typischerweise etwa 0,04 bis etwa 1,0. Die Dicke der Keimschicht 32 in dieser Implementierung ist typischerweise etwa 100 Å bis etwa 1 µm.
Es kann besonders günstig sein, III-Nitrid Licht emittierende Anordnungen auf SiC-Substraten mit einer Wachstumsfläche mit einer Flächenorientierung von etwa 40° oder etwa 140° zu {0001} aufzuwachsen. Die Kristallstruktur dieser Flächen ist mehr wie die {0001} Fläche als die a-Flächen und die m-Flächen. Folglich kann es einfacher sein Hochqualität III-Nitrid-Kristalle auf den SiC-Substratflächen aufzuwachsen, die etwa 40° oder etwa 140° gegenüber {0001} orientiert sind als auf einer SiC-a-Fläche oder einer m-Fläche. Weiterhin ist es schwer und Material verschwendend, a-Flächen- oder m-Flächen-SiC-Substrate aus normalen kommerziell erhältlichen SiC-Rohmaterial zu bilden. Es kann kosteneffektiver sein, SiC-Substrate mit Flächenorientierungen von etwa 40° oder etwa 140° gegenüber {0001} zu schaffen.
Bei einer anderen Implementierung der Ausführungsform, dargestellt in Fig. 8, ist das Substrat 31 ein AIN-Substrat mit einer Wachstumsfläche mit einer Flächenorientierung in einem Winkel von etwa 90° gegenüber {0001}. Die Wachstumsfläche kann beispielsweise eine a-Fläche oder eine m-Fläche sein. In dieser Implementierung kann auch die Keimschicht 32 aus Al_xGa_1-xN (0 < x ≤1) gebildet werden, die typischerweise bei einer Temperatur von etwa 1000°C bis etwa 1200°C, aber noch typischer bei etwa 1100°C aufgewachsen ist. Der Molbruchteil x von Aluminium in der Keimschicht 32 und die Dicke der Schicht 32 kann sein, wie beispielsweise in der obenstehenden Implementierung beschrieben worden ist.
Die vorliegende Erfindung kann auch angewandt werden zum Schaffen einer verbesserten Leistung von Photodetektoren. Photodetektoren, hergestellt durch Aufwachsen der Anordnung auf der {0001} Fläche eines Saphirsubstrats, zeigen ein Effizienz- und Absorptionsband, die von der Lichtintensität abhängig sind. Insbesondere nimmt die Effizienz der Umwandlung mit der Lichtintensität zu, während der nützliche Wellenlängenbereich abnimmt.
Bei einem Photodetektor nach der vorliegenden Erfindung wird die Anordnung auf einem Substrat aufgewachsen, das beispielsweise zu einem kleinen oder zu überhaupt keinem piezoelektrischen Feld in der gefilterten Quantentopfschicht führt. Folglich werden die Abhängigkeit der Effizienz und des Absorptionsbandes von der Lichtintensität im Wesentlichen reduziert oder eliminiert. Im Allgemeinen ist die Wachstumstechnik für einen Photodetektor dieselbe wie diejenige, die angewandt wurde zum Konstruieren eines Lichtemitters, es werden aber dickere gefilterte Quantentopfschichten verwendet zum Verbessern der Absorption des eintreffenden Lichtes.
Es wäre unter vielen Umständen vorteilhaft, ein Saphirsubstrat oder ein SiC- Substrat zu verwenden, worin die Schichten, ausgenommen für gefilterte Quantentöpfe, auf der {0001} Fläche aufgewachsen werden, da geschnittene Substrate zum Schaffen von Wachstum auf einer {0001} Fläche kommerziell erhältlich sind. Nachfolgend wird Fig. 7 beschrieben, die einen Schnitt durch eine optische Halbleiteranordnung 50 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei nur die Schichten, die sich nur auf die Lichtemission und -absorption beziehen, die gewünschte Flächenorientierung haben. Die Anordnung 50 wird konstruiert durch Aufwachsen einer nleitenden GaN-Kontaktschicht 53 und einer n-leitenden AIGaN-Deckschicht 54 auf der {0001} Flächenorientierung auf dem Substrat 51, wie SiC oder GaN auf Basis einer herkömmlichen Technologie. Danach wird beispielsweise durch selektives Aufwachsen oder durch selektives Ätzen die {2-1-14} Fläche oder die {01-12} Fläche gebildet. Die GaInN/GaN- oder die GaInN/GaInN-gefilterte Mehrfach-Quantentopfschicht 55 wird danach durch Wiederholung des Kristallwachstums gebildet.
Danach werden nacheinander die restliche p-leitende AIGaN-Deckschicht 56 und die p-leitende GaN-Kontaktschicht 57 abgelagert und gebildet. Die p-leitende AIGaN- Deckschicht 56 und die p-leitende GaN-Kontaktschicht 57 ändern die Kristallstruktur zurück zu derjenigen, die der {0001}-Fläche von der Flächenorientierung der Topfschicht 55entspricht und werden Schichten mit einer spezifischen Dicke. Die n-leitende Elektrode 58 und die p-leitende Elektrode 59 werden als die Elektroden auf der n-leitenden GaN-Kontaktschicht 53 bzw. der p-leitenden GaN-Kontaktschicht 57 gebildet. Die anwachsenden Oberflächen 55A, 55B auf beiden Seiten der GaInN gefilterten mehrfachen Quantentopfschicht 55 sind beispielsweise die {01-12} Fläche oder die {2-1-14} Fläche. Die p-leitende AIGaN-Deckschicht 56 und die p-leitende GaN-Kontaktschicht 57 werden flache wachsende Oberflächen. Zum Vereinfachen des nächsten Prozesses wird empfohlen, dass sie einige µm dick sein sollen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf dem Substrat 51 eine AIN-Pufferschicht 52 aufgewachsen.
Wie oben erwähnt, ist die spezifische Fläche, die zum Anwachsen der Quantentopfschicht selektiert worden ist, von dem Kristalltyp abhängig. Für Anordnungen auf Basis von zusammengesetzten Halbleitern anders als GaN, wie AIN, kann beispielsweise dargelegt werden, dass das piezoelektrische Feld als eine Funktion der Flächenorientierung sich auf gleiche Weise verhält, wie oben beschrieben, wenn der Kristalltyp derselbe ist. Die Orientierungsneigung, θ, für die das piezoelektrische Feld 0 ist, kann aber um mehr als 10° sich ändern.
Aus der obenstehenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren dürften dem Fachmann mehrere Abwandlungen der vorliegenden Erfindung einfallen. Deswegen ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Halbleiteranordnung mit einer III-Nitrid-Quantentopfschicht, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

- das Aufwachsen einer Keimschicht unmittelbar auf einer Substratfläche;

- das Selektieren einer Flächenorientierung der genannten III-Nitrid- Quantentopfschicht zur Steuerung einer Feldstärke eines piezoelektrischen Feldes darin; und

- das Aufwachsen der genannten III-Nitrid-Quantentopfschicht mit der genannten selektierten Flächenorientierung über der genannten Keimschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Selektieren der genannten Flächenorientierung umfasst zum Reduzieren einer Größe einer elektrischen Feldstärke in der genannten Quantentopfschicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur umfasst, wobei die genannte selektierte Flächenorientierung um wenigstens 1° gegenüber der {0001}- Richtung der genannten Wurtzit-Kristallstruktur gekippt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur umfasst, wobei die genannte selektierte Flächenorientierung um wenigstens 10° gegenüber der {0001}-Richtung der genannten Wurtzit-Kristallstruktur gekippt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur umfasst, wobei die genannte selektierte Flächenorientierung gegenüber der {0001}-Richtung der genannten Wurtzit-Kristallstruktur um einen Winkel, selektiert aus etwa 30° bis etwa 50°, etwa 80° bis etwa 100° und etwa 130° bis etwa 150° gekippt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht mit einer Zinkblende-Kristallstruktur umfasst, wobei die genannte selektierte Flächenorientierung um wenigstens 1° gegenüber der {111}-Richtung der genannten Zinkblende-Kristallstruktur gekippt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Selektieren der genannten Substratfläche umfasst, und zwar derart, dass diese eine Gitterfehlanpassung von weniger als etwa 10% hat mit einem Material, aus der die genannte Keimschicht gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Keimschicht umfasst, und zwar durch eine metallorganische chemische Aufdampfung bei einer derartigen Temperatur, dass eine Kristallstruktur der genannten Keimschicht eine Kristallstruktur der genannten Substratfläche dupliziert.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin das Selektieren eines Materials umfasst, aus dem das genannte Substrat gebildet ist, und zwar aus der Gruppe, die aus SiC, AIN und GaN besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Keimschicht ein III-Nitrid- Material umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Verfahren weiterhin die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

- das Aufwachsen einer ersten Halbleiterschicht über dem genannten Substrat, wobei die genannte erste Halbleiterschicht mit einer ersten Flächenorientierung aufgewachsen wird, die anders ist als die genannte selektierte Flächenorientierung;

- das Ändern einer exponierten Fläche der genannten ersten Halbleiterschicht zum Schaffen einer Oberfläche mit der genannten selektierten Flächenorientierung; und

- das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht über der genannten Fläche mit der genannten selektierten Flächenorientierung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ändern der genannten exponierten Fläche das selektive Ätzen der genannten ersten Halbleiterschicht umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei dieses Verfahren weiterhin das Aufwachsen einer zweiten Halbleiterschicht über der genannten Quantentopfschicht umfasst, wobei die genannte zweite Halbleiterschicht derart aufgewachsen wird, dass die Flächenorientierung der genannten ersten Flächenorientierung nahezu entspricht.

14. Licht emittierende Halbleiteranordnung, welche die nachfolgenden Elemente umfasst:

- ein Substrat;

- eine Keimschicht, unmittelbar auf einer Fläche des genannten Substrats gebildet; und

- eine III-Nitrid-Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und einer Flächenorientierung, die gegenüber der {0001}-Richtung der genannten Wurtzit-Kristallstruktur gekippt ist, und zwar um einen Winkel, selektiert aus etwa 30° bis etwa 50° und etwa 130° bis etwa 150°; wobei die genannte Quantentopfschicht dadurch gebildet ist, dass diese über der genannten Keimschicht liegt, und dass die genannte Keimschicht eine Kristallstruktur hat, die einer Kristallstruktur der genannten Fläche des genannten Substrat im Wesentlichen entspricht.

15. Licht emittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, wobei die genannte Oberfläche des genannten Substrats eine Gitterfehlanpassung hat von weniger als etwa 10% mit einem Material, aus dem die genannte Keimschicht gebildet ist.

16. Licht emittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, wobei das genannte Substrat ein Material umfasst, selektiert aus der Gruppe, die besteht aus SiC, AIN und GaN.

17. Licht emittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, wobei diese Anordnung weiterhin wenigstens eine Schicht mit einer Flächenorientierung in etwa der {0001}-Richtung aufweist.

18. Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Halbleiteranordnung, mit einer III-Nitrid-Quantentopfschicht, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

- das Selektieren einer Flächenorientierung der genannten III-Nitrid- Quantentopfschicht zur Steuerung einer Feldstärke eines spontanen elektrischen Feldes darin; und

- das Aufwachsen der genannten III-Nitrid-Quantentopfschicht mit der genannten selektierten Flächenorientierung.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei dieses Verfahren weiterhin das Selektieren der genannten Flächenorientierung umfasst zum Reduzieren einer Größe einer elektrischen Feldstärke in der genannten Quantentopfschicht.

20. Verfahren zum herstellen einer Licht emittierenden Halbleiteranordnung mit einer III-Nitrid-Quantentopfschicht, wobei das genannte Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

- das Selektieren einer Flächenorientierung der genannten III-Nitrid- Quantentopfschicht zum Reduzieren einer Größe einer kombinierten Feldstärke eines piezoelektrischen Feldes und eines spontanen elektrischen Feldes darin; und

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Verfahren weiterhin das Aufwachsen der genannten Quantentopfschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur umfasst, wobei die genannte selektierte Flächenorientierung gegenüber der {0001}-Richtung der genannten Wurtzit-Kristallstruktur um einen Winkel, selektiert aus etwa 80° bis etwa 100° gekippt ist.