Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nitridverbindungshalbleiter
der allgemeinen Formel InxGayAlzN (worin x + y
+ z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤
1) und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
In den letzten Jahren wurde ein lichtemittierendes Element unter Verwendung
eines Nitridverbindungshalbleiters der allgemeinen Formel InxGayAlzN
(worin x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤
z ≤ 1) als Lichtquelle für eine blaues, grünes oder weißes
Licht emittierende Vorrichtung eingebaut und kommerziell verwendet. Bei diesem Typ
eines lichtemittierenden Elements ist eine Nitridverbindungshalbleiterschicht auf
einem Substrat, beispielsweise einem Saphirsubstrat, ausgebildet.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung,
wobei ein wie oben beschrieben aufgebautes lichtemittierendes Element eingebaut
wird, oder in der Situation des Betreibens der lichtemittierenden Vorrichtung tritt,
wenn aufgrund statischer Elektrizität ein großer Strom unmittelbar in
der Nitridverbindungshalbleiterschicht fließt, das Problem auf, dass der Verbindungshalbleiter
zerstört wird.
Um dieses Problem zu lösen, wurden bei einem Nitridverbindungshalbleiter,
der ein Halbleiter-lichtemittierendes-Element bildet, ein Verfahren, wobei ein p-Mehrlagenfilm
auf einer aus einem Mehrfachquantentopf bestehenden lichtemittierenden Schicht laminiert
wird und eine undotierte Schicht zwischen dem p-Mehrlagenfilm und einer p-Kontaktschicht
bei einer Temperatur von 1050 °C gebildet wird (siehe beispielsweise Patentdokument
1); ein Verfahren, wobei ein n-Mehrlagenfilm, ein Mehrfachquantentopf und ein p-Mehrlagenfilm
laminiert werden (siehe beispielsweise Patentdokument 2); und ein Verfahren, wobei
eine n-Schicht, die eine niedrigere Elektronenkonzentration als eine n-Kontaktschicht
aufweist, zwischen einer lichtemittierenden Schicht und der n-Kontaktschicht bei
einer Temperatur von 1150 °C gebildet wird (siehe beispielsweise Patentdokument
3); und dgl. vorgeschlagen.
- [Patentdokument 1] JP-A-2001-148507
- [Patentdokument 2] JP-A-2000-244072
- [Patentdokument 3] JP-A-9-92880
Jedoch konnte bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Bildung einer
undotierten Schicht bei einer Temperatur von 1050 °C, bei dem Verfahren zur
Laminierung eines n-Mehrlagenfilms, eines Mehrfachquantentopfs und eines p-Mehrlagenfilms
und dgl. elektrostatische Durchschlagbeständigkeit nicht erreicht werden, und
bei dem Verfahren, wobei eine n-Schicht mit einer niedrigen Elektronenkonzentration
bei einer Temperatur von 1150 °C gebildet wird, bestand das Problem, dass zwar
die elektrostatische Spannungsfestigkeit in Durchlassrichtung verbessert werden
konnte, die Verbesserung der elektrostatischen Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung
jedoch unzureichend war.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der oben beschriebenen
Probleme des Standes der Technik und die Bereitstellung eines Nitridverbindungshalbleiters,
der ein Element liefert, das eine hohe elektrostatische Durchschlagbeständigkeit
zeigt, und eines Verfahrens zur Herstellung desselben.
Als Ergebnis intensiver Untersuchungen zur Lösung der oben beschriebenen
Probleme ermittelten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass die elektrostatische
Spannungsfestigkeit durch die Ausbildung einer spezifischen Nitridhalbleiterschicht
zwischen einer p-Kontaktschicht und einer n-Kontaktschicht drastisch verbessert
wurde, was zur vorliegenden Erfindung führte.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung bereit:
- (1) Ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiters der allgemeinen
Formel InxGayAlzN (worin x + y + z = 1, 0 ≤
x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1), das dadurch
gekennzeichnet ist, dass ein undotierter Nitridverbindungshalbleiter (A) der allgemeinen
Formel InaGabAlcN (worin a + b + c = 1, 0 ≤
a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1 und 0 ≤ c ≤ 1) einer Dicke von
50 bis 500 nm zwischen einer p-Kontaktschicht und einer n-Kontaktschicht bei einer
Temperatur im Bereich zwischen 550 und 850 °C gebildet wird;
- (2) das Verfahren gemäß dem oben beschriebenen (1), wobei ein undotierter
Nitridverbindungshalbleiter (B) der allgemeinen Formel IndGaeAlfN
(worin d + e + f = 1, 0 ≤ d ≤ 1, 0 ≤ e ≤ 1 und 0 ≤
f ≤ 1) einer Dicke von 20 bis 600 nm zwischen dem Nitridverbindungshalbleiter
(A) und der n-Kontaktschicht bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900 und 1200
°C gebildet wird; und
- (3) einen Nitridverbindungshalbleiter, der durch ein Verfahren gemäß
dem oben beschriebenen (1) oder (2) erhalten wurde.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein lichtemittierendes Element
bereit, das den obigen Nitridverbindungshalbleiter aufweist.
Hierbei bedeutet das Wort "undotiert" in der vorliegenden Erfindung,
dass Verunreinigungen nicht absichtlich zugegeben werden.
1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel für
Nitridverbindungshalbleiter zeigt, die gemäß einem Herstellungsverfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden; und
2 ist ein Schaltdiagramm zum Testen der Beständigkeit
eines lichtemittierenden Elements gegenüber elektrostatischer Entladung.
3 zeigt die Struktur des lichtemittierenden Elements
der vorliegenden Erfindung.
Ein Beispiel für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Nitridverbindungshalbleiter
ist ein Verbindungshalbleiter der allgemeinen Formel InxGayAlzN
(worin x + y + z = 1, 0 x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤
1).
Als Substrat zum Züchten des Nitridverbindungshalbleiters können
ein Nitridverbindungshalbleitersubstrat, ein Saphirsubstrat, ein SiC-Substrat, ein
Si-Substrat, ein ZrB2-Substrat und dgl. vorzugsweise verwendet werden.
Hierbei kann, wenn ein Nitridverbindungshalbleiter direkt auf den oben beschriebenen
Substraten außer dem Nitridverbindungshalbleitersubstrat gezüchtet wird,
wegen Gitterfehlanpassung kein Kristall ausreichend hoher Qualität produziert
werden.
Es ist bekannt, dass in einem derartigen Fall ein Kristall hoher Qualität
durch ein Zweistufenzuchtverfahren erhalten werden kann, wobei eine Schicht aus
GaN, AlN, SiC oder dgl. zunächst auf einem Substrat als Pufferschicht gezüchtet
wird und dann des weiteren eine Nitridverbindungshalbleiterschicht gezüchtet
wird.
1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Rahmenformat
der Struktur eines Nitridverbindungshalbleiters, wofür die vorliegende Erfindung
verwendet wird, zeigt.
Obwohl verschiedene bekannte Verfahren zu den Verfahren zur Herstellung
des Nitridverbindungshalbleiters gehören, ist die Verwendung eines metallorganische
Dampfphasenepitaxie-Verfahrens (MOVPE-Verfahren) bevorzugt. Hierin wird im folgenden
ein Herstellungsverfahren unter Verwendung des MOVPE-Verfahrens beschrieben.
Eine GaN-Pufferschicht (Niedertemperaturpufferschicht) 2
wird auf einem Saphirsubstrat 1 ausgebildet und eine n-Kontaktschicht
3 wird auf der GaN-Pufferschicht ausgebildet. Die Dicke der GaN-Pufferschicht
2 beträgt vorzugsweise 10 bis 100 nm. Als Pufferschicht kann ein Mischkristall
aus AlN und GaN der allgemeinen Formel GayAl1-yN (worin 0
< y < 1) ebenfalls verwendet werden.
Vorzugsweise beträgt, um die Betriebsspannung eines lichtemittierenden
Elements nicht zu erhöhen, die n-Ladungsträgerkonzentration in der n-Kontaktschicht
3 1 × 1018 cm–3 oder mehr und 1 ×
1021 cm–3 oder weniger. Eine derartige n-Kontaktschicht
kann durch ein bekanntes Verfahren, wobei eine adäquate Menge eines n-Dotierungsstoffgases
oder eines Organometallmaterials zugegeben wird, wenn der Kristall von InxGayAlzN
(worin x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤
z ≤ 1) bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900 und 1100 °C gezüchtet
wird, ohne weiteres erhalten werden. Als Material des n-Dotierungsstoffs ist Silan,
Disilan, Monogerman, Tetramethylgermanium oder dgl. bevorzugt. Eine n-Ladungsträgerkonzentration,
die 1 × 1021 cm–3 übersteigt, ist nicht bevorzugt,
da die Kristallisierungseigenschaften schlecht werden und die Eigenschaften des
lichtemittierenden Elements nachteilig beeinflusst werden.
Ferner kommt es, wenn das Mischungsverhältnis von In und Al in
dem Mischkristall hoch ist, zu einer Verringerung der Kristallqualität und
einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration, insbesondere bei niedrigen
Temperaturen, daher beträgt die In-Komponente vorzugsweise 5 % oder weniger
und noch günstiger 1 % oder weniger. Die Al-Komponente beträgt vorzugsweise
5 % oder weniger und noch günstiger 1 % oder weniger. Noch besser besteht die
n-Kontaktschicht 3 aus GaN.
Auf der oben beschriebenen n-Kontaktschicht 3 wird ein undotierter
Nitridverbindungshalbleiter 4 der allgemeinen Formel InaGabAlcN
(worin a + b + c = 1, 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1 und 0 ≤
c ≤ 1) ausgebildet. Die Halbleiterschicht 4 wird
bei einer Temperatur im Bereich zwischen 550 und 850 °C, vorzugsweise im Bereich
zwischen 700 und 800 °C gezüchtet. Beispielsweise wird zum Züchten
eines Kristalls die Züchtungstemperatur auf 775 °C eingestellt, Ammoniakgas
als Material der Gruppe V verwendet und Triethylgallium als Material der Gruppe
III verwendet. Hierbei ist es wichtig, dass zu dieser Zeit kein n-Dotierungsstoffgas
und p-Dotierungsstoffgas absichtlich zugegeben werden, um Nichtdotierungsbedingungen
herzustellen. Die n-Ladungsträgerkonzentration der unter diesen Kristallzüchtungsbedingungen
gebildeten Nitridverbindungshalbleiterschicht 4 kann 1 × 1017
bis 1 × 1018 cm–3 betragen.
In dem Nitridverbindungshalbleiter 4 beträgt, da die
Kristallqualität verringert und die Ladungsträgerkonzentration erhöht
ist, wenn der Mischkristallanteil von In und Al hoch ist, insbesondere bei niedrigen
Temperaturen die In-Komponente vorzugsweise 5 % oder weniger und noch günstiger
1 % oder weniger. Die Al-Komponente beträgt vorzugsweise 5 % oder weniger und
noch günstiger 1 % oder weniger. Der Nitridverbindungshalbleiter
4 ist noch besser GaN.
Wenn die Filmdicke der Nitridverbindungshalbleiterschicht
4 übermäßig dünn ist, besteht die Tendenz, dass die
Wirkung einer Verbesserung der elektrostatischen Spannungsfestigkeit verringert
wird, und wenn sie übermäßig dick ist, können Elementeigenschaften
nachteilig beeinflusst werden, beispielsweise eine Erhöhung des Leckstroms,
wenn das lichtemittierende Element betrieben wird. Daher liegt die Filmdicke der
Nitridverbindungshalbleiterschicht 4 normalerweise im Bereich zwischen
50 und 500 nm und noch besser im Bereich zwischen 70 und 250 nm.
Obwohl die Nitridverbindungshalbleiterschicht 4 als Sperrschicht,
die mit der unteren Oberfläche der Topfschicht, die wie im folgenden beschrieben
eine lichtemittierende Schicht ist, in Kontakt steht, wirkt, kann sie jedoch zwischen
der n-Kontaktschicht und der Sperrschicht ausgebildet werden. Sie kann auch als
Sperrschicht, die mit der oberen Oberfläche der Topfschicht in Kontakt steht,
wirken oder sie kann zwischen der p-Kontaktschicht und der Sperrschicht ausgebildet
werden.
Ferner kann eine undotierte Nitridverbindungshalbleiterschicht
7 der allgemeinen Formel IndGaeAlfN (worin
d + e + f = 1, 0 ≤ d ≤ 1, 0 ≤ e ≤ 1 und 0 ≤ f
≤ 1) zwischen der n-Kontaktschicht 3 und der Nitridverbindungshalbleiterschicht
4 ausgebildet werden. Dies ist bevorzugt, da bessere elektrostatische Spannungsfestigkeitseigenschaften,
gute LED-Lichtemissionseigenschaften und elektrische Eigenschaften erhalten werden
können. Die Halbleiterschicht 7 wird bei einer Temperatur im Bereich
zwischen 900 und 1200 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen
1000 und 1150 °C gezüchtet. Beispielsweise wird ein Kristall bei einer
Züchtungstemperatur von 1100 °C unter Verwendung von Ammoniakgas als Material
der Gruppe V und Triethylgallium als Material der Gruppe III gezüchtet. Hierbei
werden zu dieser Zeit das n-Dotierungsstoffgas und das p-Dotierungsstoffgas nicht
absichtlich zugemischt, um Nichtdotierungsbedingungen herzustellen. Die n-Ladungsträgerkonzentration
der unter diesen Kristallzuchtbedingungen gebildeten Halbleiterschicht
7 kann weniger als 5 × 1016 cm–3, vorzugsweise
1 × 1016 cm–3 oder weniger betragen.
Wenn jedoch eine derartige Schicht mit niedriger Ladungsträgerkonzentration
übermäßig dick ist, wird sie zur Reihenwiderstandskomponente des
lichtemittierenden Elements; daher beträgt die Filmdicke der Halbleiterschicht
7 vorzugsweise 600 nm oder weniger, noch günstiger 10 bis 300 nm und
noch besser 50 bis 300 nm.
Wenn in dem Nitridverbindungshalbleiter 7 der Mischkristallanteil
von In und Al hoch ist, kommt es zu einer Verringerung der Kristallqualität
insbesondere bei niedrigen Temperaturen und einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration;
daher beträgt die In-Komponente vorzugsweise 5 % oder weniger und noch günstiger
1 % oder weniger. Die Al-Komponente beträgt vorzugsweise 5 % oder weniger und
noch günstiger 1 % oder weniger. Noch besser besteht die n-Kontaktschicht
7 aus GaN.
Als nächstes wird eine lichtemittierende Schicht 5 auf
der oben beschriebenen Nitridverbindungshalbleiterschicht 4gebildet. Die
in 1 gezeigte lichtemittierende Schicht 5
ist eine Mehrfachquantentopfstruktur, die aus den GaN-Schichten 5A bis
5E, die Sperrschichten sind, und IngGahN-Schichten
(worin g + h = 1, 0 < g < 1, 0 < h < 1) 5F bis 5J,
die Topfschichten sind, besteht. Obwohl die Topfschichten aus fünf Schichten
bestehen, ist es ausreichend, wenn mindestens eine Topfschicht vorhanden ist. Hierbei
können die Filmdicke und der Mischkristallanteil der GaN-Schichten
5A bis 5E und IngGahN-Schichten
5F bis 5J entsprechend den Eigenschaften des als Ziel angestrebten
lichtemittierenden Elements in geeigneter Weise bestimmt werden. Beispielsweise
kann, wenn ein blaues Licht emittierendes Element mit einer Emissionswellenlänge
von etwa 470 nm das Ziel ist, die Dicke der GaN-Schicht 3 bis 30 nm betragen,
die Dicke der IngGahN-Schicht 1 bis 5 nm betragen und die
durchschnittliche In-Komponente etwa 5 bis 40 % betragen.
Eine p-Kontaktschicht 6 wird auf der oben beschriebenen lichtemittierenden
Schicht 5 ausgebildet. In der p-Kontaktschicht 6 beträgt,
um die Betriebsspannung des lichtemittierenden Elements nicht zu erhöhen, die
p-Ladungsträgerkonzentration vorzugsweise 5 × 1015 cm–3
oder mehr und noch besser 1 × 1016 bis 5 × 1019
cm–3. Eine derartige p-Kontaktschicht kann durch ein bekanntes
Verfahren, wobei nach dem Einmischen einer geeigneten Menge eines gasförmigen
Materials als Lotierungsstoff zum Züchten des Kristalls eine Wärmebehandlung
durchgeführt wird, wenn der InaGabAlcN (worin
a + b + c = 1, 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1 und 0 ≤ c
≤ 1)-Kristall bei einer Züchtungstemperatur von 800 °C bis 1100
°C gezüchtet wird, ohne weiteres erhalten werden.
In der p-Kontaktschicht 6 besteht, wenn der Mischkristallanteil
von Al hoch ist, die Tendenz zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands, wobei
die Al-Komponente normalerweise 5 % oder weniger und vorzugsweise 1 % oder weniger
beträgt.
Die p-Kontaktschicht 6 ist noch günstiger InGaN oder
GaN und noch besser GaN.
Wenn die einzelnen oben beschriebenen Schichten unter Verwendung des
MOVPE-Verfahrens gezüchtet werden, können die im folgenden angegebenen
Materialien in geeigneter Weise gewählt und verwendet werden.
Die Beispiele für Galliummaterialien der Gruppe III umfassen
Trialkylgallium der allgemeinen Formel R1R2R3Ga
(worin R1, R2 und R3 Niederalkylgruppen bezeichnen),
wie Trimethylgallium (TMG) und Triethylgallium (TEG).
Aluminiummaterialien umfassen Trialkylaluminium der allgemeinen Formel
R1R2R3Al (worin R1, R2 und
R3 Niederalkylgruppen bezeichnen), wie Trimethylaluminium (TMA), Triethylaluminium
(TEA) und Triisobutylaluminium.
Indiummaterialien umfassen Trialkylindium der allgemeinen Formel R1R2R3In
(worin R1, R2 und R3 Niederalkylgruppen bezeichnen),
wie Trimethylindium (TMI) und Triethylindium; Trialkylindiumverbindungen, in denen
eine bis drei Alkylgruppen durch Halogenatome ersetzt sind, wie Diethylindiumchlorid;
und eine halogenierte Indiumverbindung der allgemeinen Formel InX (worin X ein Halogenatom
ist), wie Indiumchlorid.
Beispiele für Materialien der Gruppe V umfassen Ammoniak, Hydrazin,
Methylhydrazin, 1,1-Dimethylhydrazin, 1,2-Dimethylhydrazin, tert-Butylamin und Ethylendiamin.
Diese Materialien können allein oder in einer optionalen Kombination verwendet
werden. Von diesen Materialien sind Ammoniak und Hydrazin bevorzugt, da sie keine
Kohlenstoffatome in den Molekülen enthalten und eine geringe Wirkung einer
Kohlenstoffkontamination auf den Halbleiter haben.
Beispiele für p-Dotierungsstoffe umfassen Mg, Zn, Cd, Ca, Be
und dgl. Von diesen werden Mg und Ca vorzugsweise verwendet. Als Material für
Mg, das ein p-Dotierungsstoff ist, kann beispielsweise Bis(cyclopentadienyl)magnesium
((C5H5)2Mg), Bis(methylcyclopentadienyl)magnesium
((C5H4CH3)2Mg), Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium
((C5H9C2H5)2Mg) oder dgl.
verwendet werden. Als Material für Ca können Bis(cyclopentadienyl)calcium
((C5H5)2Ca) und die Derivate desselben, beispielsweise
Bis(methylcyclopentadienyl)calcium ((C5H4CH3)2Ca),
Bis(ethylcyclopentadienyl)calcium ((C5H4C2H5)2Ca),
oder Bis(perfluorcyclopentadienyl)calcium ((C5F5)2Ca),
Di-1-napththalinylcalcium und die Derivate desselben oder Calciumacetylid und die
Derivate desselben, beispielsweise Bis(4,4-difluor-3-buten-1-inyl)calcium oder Bis(phenylethinyl)calcium,
verwendet werden. Diese Materialien können allein oder in einer Kombination
von zwei oder mehreren verwendet werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform der Fall, wobei ein MOVPE-Verfahren
verwendet wird, beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt,
sondern es können auch andere bekannte Verfahren zum Züchten des Kristalls
eines Halbleiters einer Verbindung der Gruppe III–V, wie Molekularstrahlepitaxie,
verwendet werden.
Das lichtemittierende Element der vorliegenden Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass es einen durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren
erhaltenen Nitridverbindungshalbleiter aufweist.
Beispielsweise ist 3 eine Schnittdarstellung,
die ein Beispiel für das lichtemittierende Element, das einen Nitridverbindungshalbleiter
gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, zeigt. Nach dem herkömmlichen
Verfahren wird auf dem Nitridverbindungshalbleiter eine p-Elektrode auf einer p-Kontaktschicht
ausgebildet und eine n-Elektrode auf einer n-Kontaktschicht ausgebildet, worauf
ein Zerspanprozess folgt. Der Nitridverbindungshalbleiter nach dem Zerspanprozess
wird auf einem einstückig am inneren Ende des ersten Leadframe
34 ausgebildeten Träger fixiert. Ein zweites Leadframe 36
wird so angebracht, dass es näherungsweise parallel zum ersten Leadframe
34 wird. Die n-Elektrode des lichtemittierenden Elements 32 wird
elektrisch mit dem Trägerteil durch einen ersten Verbindungsleiter
33 verbunden und die p-Elektrode wird elektrisch mit dem zweiten Leadframe
36 durch einen zweiten Verbindungsleiter 35 verbunden. Die inneren
Enden des ersten Leadframe 34 und des zweiten Leadframe 36 werden
mit einem transparenten wärmehärtbaren Harz 31 versiegelt. Demgemäß
kann Lichtemission von dem lichtemittierenden Element durch Anlegen einer Spannung
zwischen dem ersten Leadframe und dem zweiten Leadframe erhalten werden. Das Licht
von dem lichtemittierende Element wird durch das transparente wärmehärtbare
Harz 31 nach außen emittiert.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beschrieben;
jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Beispiel 1
Als Substrat wurde ein Saphir, dessen C-Oberfläche spiegelglanzpoliert
wurde, verwendet. Das Verfahren zum Züchten eines Kristalls wurde durch ein
MOVPE-Verfahren durchgeführt und ein Zweistufenzüchtungsverfahren unter
Verwendung von bei einer niedrigen Temperatur gezüchtetem GaN wurde als eine
Pufferschicht verwendet. Der Druck in dem Züchtungsofen wurde auf 1 Atmosphäre
eingestellt, die Substrattemperatur wurde auf 550 °C eingestellt, Wasserstoffgas
wurde als das Trägergas verwendet und TMG und Ammoniak wurden zugeführt,
wobei eine GaN-Pufferschicht einer Dicke von etwa 50 nm gezüchtet wurde.
Als nächstes wurden nach Erhöhen der Substrattemperatur
auf 1120 °C Wasserstoff-Trägergas, TMG, Silan und Ammoniak zugeführt,
um eine Si-dotierte n-GaN-Schicht einer Dicke von etwa 4 &mgr;m zu züchten,
und die Zufuhr von lediglich Silan wurde gestoppt, um eine undotierte GaN-Schicht
einer Dicke von 300 nm zu züchten.
Dann wurde die Substrattemperatur auf 780 °C eingestellt, der
Druck in dem Züchtungsofen auf 50 kPa eingestellt, Stickstoff als das Trägergas
verwendet und 610 sccm TEG und 40 slm Ammoniak zugeführt, um eine undotierte
GaN-Schicht einer Dicke von 100 nm als die Nitridverbindungshalbleiterschicht A
der vorliegenden Erfindung zu züchten.
Dann wurden 610 sccm TEG, 1160 sccm TMI und 40 slm Ammoniak zugeführt,
um eine In0,12Ga0,88N-Schicht einer Dicke von 3 nm zu züchten.
Dann wurden 610 sccm TEG und 40 slm Ammoniak zugeführt, um eine undotierte
GaN-Schicht einer Dicke von 15 nm zu züchten.
Die Operationen zum Züchten der In0,12Ga0,88N-Topfschicht
(3 nm) und der undotierten GaN-Sperrschicht (15 nm) wurden weitere vier Male wiederholt;
jedoch wurde nur die Filmdicke der obersten undotierten GaN-Sperrschicht auf 18
nm gebracht.
Dann wurden nach Erhöhen der Substrattemperatur auf 940 °C
600 sccm TEG, 200 sccm TMA, 3000 sccm Bis(cyclopentadienyl)magnesium (im folgenden
als EtCp2Mg abgekürzt) und 40 slm Ammoniak zugeführt, um eine
Mg-dotierte Al0,1Ga0,9N-Schicht (Schutzschicht) einer Dicke
von 30 nm zu züchten. Ferner wurden nach Erhöhen der Substrattemperatur
auf 1000 °C EtCp2Mg und Ammoniak zugeführt, um eine Mg-dotierte
p-GaN-Schicht einer Dicke von 150 nm als p-Schicht zu züchten.
Der auf diese Weise hergestellte Nitridverbindungshalbleiterprüfling
wird aus dem Reaktionsofen entnommen und dann einem Glühen von 700 °C
während 20 min unterworfen, um eine Mg-dotierte GaN-Schicht (Deckschicht) in
eine p-Schicht geringen Widerstands umzuwandeln.
Elektroden wurden durch ein normales Verfahren auf dem auf diese Weise
erhaltenen Prüfling zur Bildung einer Leuchtdiode (im folgenden als LED abgekürzt)
ausgebildet. Eine Ni-Au-Legierung wurde als p-Elektrode verwendet und Al wurde als
n-Elektrode verwendet. Wenn ein Strom von 20 mA in dieser LED in Durchlassrichtung
floss, zeigte die LED eine deutliche blaue Lichtemission. Die Beständigkeit
der LED gegenüber Elektrizitätsentladung wurde wie folgt getestet.
2 ist ein Schaltdiagramm der Schaltung zum Testen der
Beständigkeit der LED gegenüber Elektrizitätsentladung. Hierbei bezeichnen
Vo eine variable Gleichstromquelle, Rp und R Widerstände, C einen Kondensator
und Sw einen Wechselschalter. Als Test wurde der im folgenden angegebene Maschinenmodelltest
durchgeführt. Der Maschinenmodelltest ist ein Modell für die Entladung
von statischer Elektrizität von einer elektrostatisch aufgeladenen Vorrichtung
oder einer Ladevorrichtung zu einer LED unter den Bedingungen R =
0 &OHgr; und C = 200 pF. Nach Einstellen der Spannung der variablen Gleichstromquelle
Vo in 2 auf einen bestimmten Wert und Schalten des
Wechselschalters Sw, wie durch eine durchgezogene Linie angegeben, zum Aufladen
des Kondensators C über den Widerstand Rp wird der Wechselschalter Sw zum Entladen
zur LED, wie die punktierte Linie zeigt, geschaltet. Nach dreimaligem Wiederholen
der Tests wurde die Spannung-Strom-Kennlinie des lichtemittierenden Elements beurteilt.
Eine Änderung der Spannung-Strom-Kennlinie des lichtemittierenden Elements
ermöglicht die Beurteilung, ob das Element zerstört wurde oder nicht.
Hierin wird im folgenden der Vo-Wert, bei dem 50 % der gesamten getesteten Elemente
zerstört wurden, als elektrostatischer Spannungsfestigkeitswert bezeichnet.
Der elektrostatische Spannungsfestigkeitswert betrug in diesem Beispiel 417 V.
Beispiel 2
Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die Filmdicke der Nitridhalbleiterschicht A 200 nm betrug. Wenn ein Strom von 20
mA in dieser LED in Durchlassrichtung floss, zeigte die LED deutliche blaue Lichtemission.
Die elektrostatische Spannungsfestigkeit betrug 417 V.
Beispiel 3
Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die Filmdicke der Nitridhalbleiterschicht B 150 nm betrug. Wenn ein Strom von 20
mA in dieser LED in Durchlassrichtung floss, zeigte die LED deutliche blaue Lichtemission.
Die elektrostatische Spannungsfestigkeit betrug 200 V.
Vergleichsbeispiel 1
Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die Substrattemperatur, wenn die Nitridhalbleiterschicht A gezüchtet wurde,
889 °C betrug. Wenn ein Strom von 20 mA in dieser LED in Durchlassrichtung
floss, zeigte die LED deutliche blaue Lichtemission. Die elektrostatische Spannungsfestigkeit
betrug 75 V.
Vergleichsbeispiel 2
Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die Filmdicke der Nitridverbindungshalbleiterschicht A 15 nm betrug. Wenn ein Strom
von 20 mA in dieser LED in Durchlassrichtung floss, zeigte die LED deutliche blaue
Lichtemission. Die elektrostatische Spannungsfestigkeit betrug 60 V.
Vergleichsbeispiel 3
Eine LED wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die Substrattemperatur, wenn die Nitridhalbleiterschicht A gezüchtet wurde,
1124 °C betrug und die Filmdicke 300 nm betrug. Wenn ein Strom von 20 mA in
dieser LED in Durchlassrichtung floss, zeigte die LED deutliche blaue Lichtemission.
Die elektrostatische Spannungsfestigkeit betrug 88 V.
Die Tabelle 1 zeigt die Züchtungsbedingungen und die elektrostatische
Spannungsfestigkeit von Nitridhalbleiterschichten A.
Die Ladungsträgerkonzentration der Nitridhalbleiterschicht A
wird wie im folgenden ermittelt: Eine Niedertemperaturpufferschicht wird auf einem
Saphirsubstrat gezüchtet, und auf dieser Niedertemperaturpufferschicht wird
eine GaN-Masseschicht, von der zuvor bekannt ist, dass sie eine Trägerkonzentration
von 1 × 1016 cm–3 oder weniger aufweist, in einer
Dicke von etwa 3000 nm gezüchtet und darauf wird die interessierende Nitridhalbleiterschicht
A in einer Dicke von etwa 200 nm gezüchtet. Der auf diese Weise erhaltene Prüfling
wird einem Lochmessverfahren unterzogen, wobei die Ladungsträgerkonzentration
der Nitridhalbleiterschicht A erhalten wird.
In blaues Licht emittierenden Dioden in den Vergleichsbeispielen 1
bis 3 betrugen die elektrostatischen Spannungsfestigkeiten weniger als 100 V.
Andererseits betrug die elektrostatische Spannungsfestigkeit im Falle
der Beispiele 1 und 2 417 Volt und im Falle von Beispiel 3 200 V. Mit anderen Worten
wurde festgestellt, dass in den LEDs, die durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden, die Spannungsfestigkeit gegenüber elektrostatischer
Zerstörung deutlich verbessert ist, insbesondere in den Beispielen 1 und 2
um etwa 300 V oder mehr verbessert ist.
Gemäß Beispiel 1, wobei jedoch die Züchtungstemperatur
und Dicke der Nitridhalbleiterschichten A und B wie in der folgenden Tabelle 2 angegeben
geändert wurden, wurden Nitridverbindungshalbleiter mit hervorragender elektrostatischer
Spannungsfestigkeit erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine elektrostatische
Zerstörung eines Nitridverbindungshalbleiters verhindert werden, auch wenn
ein durch statische Elektrizität verursachter Stoß von anomal hoher Spannung
und großem Strom dem Nitridverbindungshalbleiter aufgeprägt wird.
Zusammenfassung
Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiters
der allgemeinen Formel InxGayAlzN (worin x + y
+ z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤
1), das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein undotierter Nitridverbindungshalbleiter
(A) der allgemeinen Formel InaGabAlcN (worin a
+ b + c = 1, 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1 und 0 ≤ c ≤
1) einer Dicke von 50 bis 500 nm zwischen einer p-Kontaktschicht und einer n-Kontaktschicht
bei einer Temperatur im Bereich zwischen 550 und 850 °C gebildet wird.