DE69631562T2

DE69631562T2 - GaN-System-Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE69631562T2
Application number: DE69631562T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Minato-ku Fujii
Original assignee: NEC Compound Semiconductor Devices Ltd
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: EP0743727B1; US5742628A; EP0743727A1; DE69631562D1; JPH08316582A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laserdiode, und insbesondere eine Laserdiode mit einer GaN-System-Halbleiter-Doppelheterostruktur, die einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Blaulichtbereich bis UV-Strahlenbereich emittiert, welcher als Lichtquelle für HD-Bildplattengeräte einer übernächsten Generation nützlich sein könnte.
Entwicklungen für Hochleistungs-AlGaInP-System- und Rotlichtemissions-Halbleiterlaserdioden wurden erfolgreich als Lichtquellen für HD-Bildplattengeräte der nächsten Generation eingesetzt. Die Rotlichtemissions-Laserdioden sind im ELECTRONICS LETTER vom 23. April 1992, Band 28, Nr. 9, Seiten 860–861 von Ueno et al offenbart. Zur Steigerung der Dichte der Bildplatte werden Laserstrahlen mit kurzer Wellenlänge, wie beispielsweise Blaulicht oder UV-Licht, anstelle von Laserstrahlen mit großen Wellenlängen, wie z. B. Rotlicht, benötigt. Zur Realisierung solcher Strahlen mit kurzer Wellenlänge wie Blaulicht oder UV-Strahl stehen ZnSe-System-Halbleiter-Laseremissionsdioden zur Verfügung. Für die vorstehend genannten ZnSe-System-Halbleiter-Laseremissionsdioden wurde bereits ein Laseraufbau realisiert, wobei sich dessen Leistung jedoch aufgrund von Kristallbaufehlern mit großer Wahrscheinlichkeit ver schlechtert. Dies ist die Ursache dafür, warum es schwierig wäre, die ZnSe-System-Halbleiter-Laseremissionsdioden als geeignete Lichtquelle für eine HD-Bildplatte in der nächsten Generation zu betrachten.
Andererseits sind die nachfolgend genannten GaN-System-Halbleiter-Laseremissionsdioden aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und großen Helligkeit oder Leuchtdichte attraktiver.
Sehr helle InGaN/AlGaN-Doppelheterostruktur-Blaulicht-Emissionsdioden der Candela-Klasse sind in Appl. Phys. Lett. 64(13) von S. Nakamura et al, Seiten 1687–1688 vom 28. März 1994 beschrieben. 1 veranschaulicht eine derartige sehr helle InGaN/AlGaN-Doppelheterostruktur-Blaulicht-Emissionsdiode der Candela-Klasse. Die Laserdiode ist auf einem Saphirsubstrat 27 ausgebildet. Auf dem Saphirsubstrat 27 ist eine GaN-Pufferschicht 25 ausgebildet. Auf der GaN-Pufferschicht 25 ist eine dicke n-GaN-Schicht 24 ausgebildet. Eine n-Elektrode 28 ist auf einem Teil der dicken n-GaN-Schicht 24 gebildet. Auf dem anderen Teil der dicken n-GaN-Schicht 24 ist eine n-AlGaN-Hüllschicht 22 ausgebildet. Eine Zn-dotierte InGaN-Aktivschicht 21 ist auf der n-AlGaN-Hüllschicht 22 ausgebildet. Eine p-AlGaN-Hüllschicht 23 ist auf der Zn-dotierten InGaN-Aktivschicht 21 ausgebildet. Die Zn-dotierte InGaN-Aktivschicht 21 ist zur Bildung einer als ein Resonator wirkenden Doppelheterostruktur zwischen der n-AlGaN-Hüllschicht 22 und der p-AlGaN-Hüllschicht 23 angeordnet. Eine p-GaN-Schicht 26 ist auf der p-AlGaN-Hüllschicht 23 ausgebildet. Eine p-Elektrode 29 ist auf der p-GaN-Schicht 26 vorgesehen.
Die US 5,247,533 offenbart einen Aufbau für eine Laserdiode auf mindestens einem PN-Übergang von GaN-Systemen, die durch zusammengestellte Gleichungen definiert und auf mehreren Substratsystemen ausgebildet sind.
GaN-System-Verbindungshalbleiter weisen hexagonale Kristall strukturen auf, wobei hexagonale Kristallstrukturen schwieriger Resonanzflächen für den Resonator in einem Spaltverfahren bilden als kubische Kristallstruktur. Im Stand der Technik war es schwierig, die Struktur des Resonators in der Lichtemissionsdiode zu verwirklichen. Genauer gesagt macht es die hexagonale Kristallstruktur von GaN-System-Verbindungshalbleitern schwierig, Laseremissionsdioden zu bilden, bei denen der Resonator aus GaN-System-Verbindungshalbleitern hergestellt ist.
Während versucht wurde, ein Trockenätzverfahren zur Bildung vertikaler Resonanzflächen des Resonators der Laseremissionsdioden zu verwenden, ist ein Schneiden der hexagonalen Kristallstruktur der GaN-System-Verbindungshalbleiter aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit schwierig.
Alternativ wurde versucht, ultradünne reflektierende Mehrfachschichten für einen Oberflächen-Emissionslaser zu bilden. Es ist in diesem Fall überflüssig zu erwähnen, dass eine präzise Steuerung der Ausbildung der ultradünnen reflektierenden Mehrfachschichten erforderlich ist. In der Tat ist es jedoch schwierig, präzise ultradünne Schichten aus GaN-System-Verbindungshalbleitern herzustellen.
Unter den vorstehend genannten Umständen erscheint es schwierig, einen Erfolg bei der Bildung von GaN-System-Verbindungshalbleitern zu erzielen, die tatsächlich betriebsfähig sind und die gewünschte Leistung besitzen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur zu schaffen, die als Resonator in einer Laseremissionsvorrichtung wirkt, welche die vorstehend beschriebenen Probleme und Nachteile nicht aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine spezifische Kristallstruktur aus GaN-System-Verbindungshalbleitern einer Doppelheterostruktur zu schaffen, die als Resonator in einer Laseremissionsvorrichtung wirkt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laseremissionsvorrichtung mit einer verbesserten GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur zu schaffen, die als Resonator wirkt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laseremissionsvorrichtung mit einer Doppelheterostruktur zu schaffen, die als aus GaN-System-Verbindungshalbleitern mit einer spezifischen Kristallstruktur hergestellter Resonator wirkt.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 11 und 23 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung liefert eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur in einer Lichtemissionsvorrichtung. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist die folgenden drei Schichten auf. Eine erste Hüllschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen ersten Energiebandabstand aufweist. Eine aktive Schicht ist in Kontakt mit der ersten Hüllschicht vorgesehen. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen zweiten Energiebandabstand besitzt, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Eine zweite Hüllschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist in Kontakt mit der akti ven Schicht vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen dritten Energiebandabstand aufweist, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist.
Es ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff je eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur aus Grundebenen aufweist, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) in einem Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind.
Darüber hinaus weist die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ein Paar gegenüberliegender Resonanzflächen auf, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen.
Die vorliegende Erfindung schafft zudem eine Resonatorstruktur zum Emittieren von Licht in einer Lichtemissionsvorrichtung. Die Resonatorstruktur umfasst die folgenden Bauelemente: Es ist eine erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen. Eine erste Elektrode ist zur elektrischen Verbindung mit der Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen. Auf der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht ist selektiv eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur vorgesehen, wobei die erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht von der ersten Elektrode beabstandet angeordnet ist. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur umfasst die folgenden drei Schichten. Eine erste Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen. Die erste Hüllschicht ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand hergestellt. Auf der ersten Hüllschicht wird eine aktive Schicht bereitgestellt. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen zweiten Energiebandabstand aufweist, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Eine zweite Hüllschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der aktiven Schicht vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand hergestellt, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist. Eine zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten Hüllschicht vorgesehen. Eine zweite Elektrode ist zur elektrischen Verbindung mit der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen.
Es ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff je eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur aus Grundebenen aufweist, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) in einem Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind.
Darüber hinaus weist die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ein Paar gegenüberliegender Resonanzflächen auf, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen.
Die vorliegende Erfindung schafft zudem eine Lichtemissionsvorrichtung, welche die folgenen Bauelemente aufweist. Auf einem Substrat ist eine Halbleiter-Pufferschicht vorgesehen. Eine erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Pufferschicht angeordnet, welche einen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Bereich aufweist. Auf auf dem ersten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht ist eine erste Elektrode vorgesehen. Eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ist auf dem zweiten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht, die beabstandet von der ersten Elektrode angeordnet sein soll, vorgesehen. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist die folgenden drei Schichten auf: eine erste Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Pufferschicht vorgesehen. Die erste Hüllschicht ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand hergestellt. Eine aktive Schicht ist auf der ersten Hüllschicht vorgesehen. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem zweiten Energiebandabstand hergestellt, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Auf der aktiven Schicht ist eine zweite Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand hergestellt, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist. Eine zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten Hüllschicht vorgesehen. Eine zweite Elektrode ist in Kontakt mit der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen.
Darüber hinaus weist die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ein Paar gegenüberliegender Resonanzflächen auf, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die ge genüberliegenden Resonanzflächen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ausführlich mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Querschnitts-Aufriss, welcher die herkömmliche InGaN/AlGaN-Doppelheterostruktur-Laseremissionsdiode zeigt;
2A eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen vier Ebenen-Ausrichtungen und deren Millersche Indizes in einer hexagonalen Kristallstruktur eines GaN-System-Verbindungshalbleiters zeigt;
2B eine Ansicht, welche die Atombindung zwischen Elementen der Gruppe III und V in einer hexagonalen Kristallstruktur des GaN-System-Verbindungshalbleiters zeigt; und
3 eine schematische Ansicht einer Laserermissionsvorrichtung mit einer Doppelheterostruktur, die als Resonator wirkt, der aus GaN-System-Verbindungshalbleitern mit einer hexagonalen Kristallstruktur hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung liefert eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur in einer Lichtemissionsvorrichtung. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist die folgenden drei Schichten auf. Eine erste Hüllschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen ersten Energiebandabstand aufweist. Eine aktive Schicht ist in Kontakt mit der ersten Hüllschicht vorgesehen. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbin dungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen zweiten Energiebandabstand besitzt, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Eine zweite Hüllschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist in Kontakt mit der aktiven Schicht vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen dritten Energiebandabstand aufweist, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist.
Es ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff je eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur aus Grundebenen aufweist, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) in einem Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind.
Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur bildet einen Resonator mit einem Paar gegenüberliegender Resonanzflächen, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen. In diesem Fall ist es weiter möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist. Alternativ ist es möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebene sowie eine (0-110) Ebene aufweist. Des Weiteren ist alternativ möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
Wie in den 2A und 2B veranschlaulicht, weist die hexagonale Kristallstruktur eine Grundebene auf, welche einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweist. Die Ebene (0001) kann als Ebene definiert werden, von der sich drei Schlenkerbindungen aus einem Element der Gruppe V, oder N, nach oben oder in gegenüberliegende Richtung zum Substrat erstrecken. Wie in 2A veranschaulicht, ist eine Richtung vertikal zur Schnittstelle der aktiven Schicht mit der ersten oder zweiten Hüllschicht als eine Ausrichtung (0001) definiert. In diesem Fall gibt es drei Ausrichtungsvektoren (1000), (0100) und (0010), von denen jeder vertikal zur Ausrichtung (0001) ausgerichtet ist. In der hexagonalen Kristallstruktur ist eine Oberflächenausrichtung durch vier Millersche Indizes definiert. 2B veranschaulicht einen Aufriss der hexagonalen Kristallstruktur, die eine Grundebene von (0001) aufweist. Elemente der Gruppe III bilden eine oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe V, oder N, bilden eine zweite oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe III, welche die oberste Atomschicht bilden, sind über drei Schlenkerverbindungen an Elemente der Gruppe V, oder N, gebunden, welche die zweite oberste Atomschicht bilden.
Es wird als ein Beispiel angesehen, eine selektive Ausbildung von GaN durchzuführen, indem eine Maske mit einer kreisförmigen Öffnung verwendet wird. In diesem Fall wird eine hexagonale Säule aus GaN ausgebildet, die eine Grundebene (0001) sowie sechs zur Grundebene senkrecht angeordneten Ebenen aufweist, wobei die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf den sechs senkrechten Ebenen wesentlich langsamer als die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf der Grundebene ist. Dies ist der Grund, warum im Normalfall ein organisches Metall-Dampfphasen-Epitaxieverfahren eingesetzt wird, um eine hexagonale Kristallstruktur aus GaN auf einer durch Elemente der Gruppe V stabilisierten Ebene auszubilden, die durch Zuführen einer Überschussmenge an Gas aus Elementen der Gruppe V zu einem anfänglichen Zeitintervall ausgebildet worden ist. Auf der Grundebene (0001) bilden Stickstoffatome als ein Element der Gruppe V eine stabilisierte Ebene, von der von jedem der Stickstoffatome aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen. Sobald Elemente der Gruppe III auf der aus einem Element der Gruppe V bestehenden Ebene ankommen, von der von jedem Stickstoffatom aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen, werden die Elemente der Gruppe III dann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit oder einem hohen Bindekoeffizienten gebunden. Im Gegensatz hierzu weist die hexagonale Kristallstruktur des GaN die sechs Ebenen auf, die senkrecht zu der Grundebene mit zwei sich nach außen erstreckenden Schlenkerbindungen von jedem der Stickstoffatome angeordnet sind, wobei die sechs vertikalen Ebenen eine Ebene (10-10), eine Ebene (-1010), eine Ebene (01-10), eine Ebene (0-110), eine Ebene (-1100) und eine Ebene (1-100) umfassen. Da die beiden Schlenkerbindungen jedes Elements der Gruppe V, Stickstoff N, von den sechs vertikalen Ebenen abstehen, ist eine Bindewahrscheinlichkeit von Elementen der Gruppe III an Elemente der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen niedriger als wenn Elemente der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V auf der Grundebene gebunden werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass Elemente der Gruppe III, die einmal mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen gebunden worden sind, von diesen entfernt werden. Aus diesem Grund ist eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf der Grundebene wesentlich höher als eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen. Als Ergebnis kann das hexagonale Kristall aus GaN, welches eine Grundebene (0001) aufweist, ausgebildet werden.
Weiter ist es vorteilhafterweise optional, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hauptsächlich ein Element aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt wurde.
Noch weiter ist bevorzugt, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur parallel zueinander sind.
Des Weiteren ist es noch bevorzugt, dass der erste und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht identisch miteinander sind.
Darüber hinaus ist es vorteilhafterweise auch optional, dass die aktive Schicht eine einzelne Quantentopfschicht aufweist.
Alternativ ist es ebenfalls vorteilhafterweise optional, dass die aktive Schicht eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist. In diesem Fall kann die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Lagen aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten umfassen.
Die vorliegende Erfindung schafft zudem eine Resonatorstruktur zum Emittieren von Licht in einer Lichtemissionsvorrichtung. Die Resonatorstruktur umfasst die folgenden Bauelemente: Es ist eine erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen. Eine erste Elektrode ist zur elektrischen Verbindung mit der Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen. Auf der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht ist selektiv eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur vorgesehen, wobei die erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht von der ersten Elektrode beabstandet angeordnet ist. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur umfasst die folgenden drei Schichten. Eine erste Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Pufferschicht vorgesehen. Die erste Hüllschicht ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand her gestellt. Auf der ersten Hüllschicht wird eine aktive Schicht bereitgestellt. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt, der einen zweiten Energiebandabstand aufweist, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Eine zweite Hüllschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der aktiven Schicht vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand hergestellt, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist. Eine zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten Hüllschicht vorgesehen. Eine zweite Elektrode ist zur elektrischen Verbindung mit der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen.
Es ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff je eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur aus Grundebenen aufweist, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) in einem Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind.
Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist ein Paar gegenüberliegender Resonanzflächen auf, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen. In diesem Fall ist es möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist. Alternativ ist es auch möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebe ne sowie eine (0-110) Ebene aufweist. Des Weiteren ist alternativ möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
Wie in den 2A und 2B veranschaulicht, weist die hexagonale Kristallstruktur eine Grundebene auf, welche einen Neigungswinkel gegenüber einer (0001) Ebene im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweist. Die Ebene (0001) kann als Ebene definiert werden, von der sich drei Schlenkerbindungen aus einem Element der Gruppe V, oder N, nach oben oder in gegenüberliegende Richtung zum Substrat erstrecken. Wie in 2A veranschaulicht, ist eine Richtung vertikal zur Schnittstelle der aktiven Schicht mit der ersten oder zweiten Hüllschicht als eine Ausrichtung (0001) definiert. In diesem Fall gibt es drei Ausrichtungsvektoren (1000), (0100) und (0001), von denen jeder vertikal zur Ausrichtung (0001) ausgerichtet ist. In der hexagonalen Kristallstruktur ist eine Oberflächenausrichtung durch vier Millersche Indizes definiert. 2B veranschaulicht einen Aufriss der hexagonalen Kristallstruktur, die eine Grundebene von (0001) aufweist. Elemente der Gruppe III bilden eine oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe V, oder N, bilden eine zweite oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe III, welche die oberste Atomschicht bilden, werden mit Hilfe von drei Schlenkerbindungen an Elemente der Gruppe V, oder N, gebunden, wodurch die zweite oberste Atomschicht gebildet wird.
Es wird als ein Beispiel angesehen, eine selektive Ausbildung von GaN durchzuführen, indem eine Maske mit einer kreisförmigen Öffnung verwendet wird. In diesem Fall wird eine hexagonale Säule aus GaN ausgebildet, die eine Grundebene (0001) sowie sechs zur Grundebene senkrecht angeordneten Ebenen aufweist, wobei die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf den sechs senkrechten Ebenen wesentlich langsamer als die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf der Grundebene ist. Dies ist der Grund, warum im Normalfall ein organisches Metall-Dampfphasen-Epitaxieverfahren eingesetzt wird, um eine hexagonale Kristallstruktur aus GaN auf einer durch Elemente der Gruppe V stabilisierten Ebene auszubilden, die durch Zuführen einer Überschussmenge an Gas aus Elementen der Gruppe V zu einem anfänglichen Zeitintervall ausgebildet worden ist. Auf der Grundebene (0001) bilden Stickstoffatome als ein Element der Gruppe V eine stabilisierte Ebene, von der von jedem der Stickstoffatome aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen. Sobald Elemente der Gruppe III auf der aus einem Element der Gruppe V bestehenden Ebene ankommen, von der von jedem Stickstoffatom aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen, werden die Elemente der Gruppe III dann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit oder einem hohen Bindekoeffizienten gebunden. Im Gegensatz hierzu weist die hexagonale Kristallstruktur von GaN die sechs Ebenen auf, die senkrecht zu der Grundebene mit zwei sich nach außen erstreckenden Schlenkerbindungen von jedem der Stickstoffatome angeordnet sind, wobei die sechs vertikalen Ebenen eine Ebene (10-10), eine Ebene (-1010), eine Ebene (01-10), eine Ebene (0-110), eine Ebene (-1100) und eine Ebene (1-100) umfassen. Da die beiden Schlenkerbindungen jedes Elements der Gruppe V, Stickstoff N, von den sechs vertikalen Ebenen abstehen, ist eine Bindewahrscheinlichkeit von Elementen der Gruppe III an Elemente der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen niedriger als wenn Elemente der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V auf der Grundebene gebunden werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass Elemente der Gruppe III, die einmal mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen gebunden worden sind, von diesen entfernt werden. Aus diesem Grund ist eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf der Grundebene wesentlich höher als eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen. Als Ergebnis kann das hexagonale Kristall aus GaN, welches eine Grundebene (0001) aufweist, ausgebildet werden.
Es ist weiterhin möglich, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hauptsächlich ein Element aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt wurde.
Noch weiter ist es möglich, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur parallel zueinander sind.
Des Weiteren ist es noch möglich, dass der erste und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht identisch zueinander sind.
Es ist optional, dass die aktive Schicht eine einzelne Quantentopfschicht aufweist.
Alternativ ist es ebenfalls optional, dass die aktive Schicht eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist. In diesem Fall kann die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Schichten aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten umfassen.
Des Weiteren sind die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht aus GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffen hergestellt, welche hexagonale Kristallstrukturen aus Grundebenen aufweisen, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu einigen wenigen Grad besitzen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind. In diesem Fall ist es weiter bevorzugt, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffe der 1. und 2. Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten hauptsächlich ein Element aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN aufweisen, vorausgesetzt, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht jeweils einen kleineren Energiebandabstand als die erste und zweite Hüllschicht aufweisen.
Die vorliegende Erfindung schafft zudem eine Lichtemissionsvorrichtung, welche die folgenen Bauelemente aufweist: Auf einem Substrat ist eine Halbleiter-Pufferschicht vorgesehen. Eine erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Pufferschicht angeordnet, welche einen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Bereich aufweist. Auf dem ersten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht ist eine erste Elektrode vorgesehen. Eine GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ist auf dem zweiten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht, die beabstandet von der ersten Elektrode angeordnet sein soll, vorgesehen. Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist die folgenden drei Schichten auf: eine erste Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist auf der Halbleiter-Pufferschicht vorgesehen. Die erste Hüllschicht ist aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand hergestellt. Eine aktive Schicht ist auf der ersten Hüllschicht vorgesehen. Die aktive Schicht ist aus einem zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem zweiten Energiebandabstand hergestellt, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht ist. Auf der aktiven Schicht ist eine zweite Hüllschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen. Die zweite Hüllschicht ist aus einem dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand hergestellt, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht ist. Eine zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten Hüllschicht vorgesehen. Eine zweite Elektrode ist in Kontakt mit der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht vorgesehen.
Es ist wichtig für die vorliegende Erfindung, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur der Grundebenen mit einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu ein paar wenigen Grad aufweist, und dass die Grundebenenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und der zweiten Hüllschicht sind.
Die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur weist ein Paar gegenüberliegender Resonanzflächen auf, die vertikal zu einer Richtung eines emittierten Lichts liegen, und für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstrukturen bildet ein Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen. In diesem Fall ist es auch möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist. Alternativ ist es möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebene sowie eine (0-110) Ebene aufweist. Des Weiteren ist alternativ möglich, dass das Paar gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
Wie in den 2A und 2B veranschlaulicht, weist die hexagonale Kristallstruktur eine Grundebene auf, welche einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad aufweist. Die Ebene (0001) kann als Ebene definiert werden, von der sich drei Schlenkerbindungen aus einem Element der Gruppe V, oder N, nach oben oder in gegenüberliegende Richtung zum Substrat erstrecken. Wie in 2A veranschaulicht, ist eine Richtung vertikal zur Schnittstelle der aktiven Schicht mit der ersten oder zweiten Hüllschicht als eine Ausrichtung (0001) definiert. In diesem Fall gibt es drei Ausrichtungsvektoren (1000), (0100) und (0001), von denen jeder vertikal zur Ausrichtung (0001) ausgerichtet ist. In der hexagonalen Kristallstruktur ist eine Oberflächenausrichtung durch vier Millersche Indizes definiert. 2B veranschaulicht einen Aufriss der hexagonalen Kristallstruktur, die eine Grundebene von (0001) aufweist. Elemente der Gruppe III bilden eine oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe V, oder N, bilden eine zweite oberste Atomschicht des hexagonalen Kristalls nach dem Kristallwachstum. Elemente der Gruppe III, welche die oberste Atomschicht bilden, werden mit Hilfe von drei Schlenkerbindungen an Elemente der Gruppe V, oder N, gebunden, wodurch die zweite oberste Atomschicht gebildet wird.
Es wird als ein Beispiel angesehen, eine selektive Ausbildung von GaN durchzuführen, indem eine Maske mit einer kreisförmigen Öffnung verwendet wird. In diesem Fall wird eine hexagonale Säule aus GaN ausgebildet, die eine Grundebene (0001) sowie sechs zur Grundebene senkrecht angeordneten Ebenen aufweist, wobei die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf den sechs senkrechten Ebenen wesentlich langsamer als die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von GaN auf der Grundebene ist. Dies ist der Grund, warum im Normalfall ein organisches Metall-Dampfphasen-Epitaxieverfahren eingesetzt wird, um eine hexagonale Kristallstruktur aus GaN auf einer durch Elemente der Gruppe V stabilisierten Ebene auszubilden, die durch Zuführen einer Überschussmenge an Gas aus Elementen der Gruppe V zu einem anfänglichen Zeitintervall ausgebildet worden ist. Auf der Grundebene (0001) bilden Stickstoffatome als ein Element der Gruppe V eine stabilisierte Ebene, von der von jedem der Stickstoffatome aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen. Sobald Elemente der Gruppe III auf der aus einem Element der Gruppe V bestehenden Ebene ankommen, von der von jedem Stickstoffatom aus drei Schlenkerbindungen nach oben ragen, werden die Elemente der Gruppe III dann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit oder einem hohen Bindekoeffizienten gebunden. Im Gegensatz hierzu weist die hexagonale Kristallstruktur des GaN die sechs Ebenen auf, die senkrecht zu der Grundebene mit zwei sich nach außen erstreckenden Schlenkerbindungen von jedem der Stickstoffatome angeordnet sind, wobei die sechs vertikalen Ebenen eine Ebene (10-10), eine Ebene (-1010), eine Ebene (01-10), eine Ebene (0-110), eine Ebene (-1100) und eine Ebene (1-100) umfassen. Da die beiden Schlenkerbindungen jedes Elements der Gruppe V, Stickstoff N, von den sechs vertikalen Ebenen abstehen, ist eine Bindewahrscheinlichkeit von Elementen der Gruppe III an Elemente der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen niedriger als wenn Elemente der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V auf der Grundebene gebunden werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass Elemente der Gruppe III, die einmal mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen gebunden worden sind, von diesen entfernt werden. Aus diesem Grund ist eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf der Grundebene wesentlich höher als eine Wahrscheinlichkeit der Bindung von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V auf den sechs vertikalen Ebenen. Als Ergebnis kann das hexagonale Kristall aus GaN, welches eine Grundebene (0001) aufweist, ausgebildet werden.
Es ist weiter möglich, dass der erste, zweite bzw. dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hauptsächlich ein Element aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt wurde.
Noch weiter ist es möglich, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur parallel zueinander sind.
Des Weiteren ist es noch möglich, dass der erste und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht identisch miteinander sind.
Darüber hinaus ist es noch weiter möglich, dass die aktive Schicht eine einzelne Quantentopfschicht aufweist.
Noch weiter ist es möglich, dass die aktive Schicht eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Lagen aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten umfasst. In diesem Fall ist bevorzugt, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht aus GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffen hergestellt werden, welche hexagonale Kristallstrukturen aus Grundebenen aufweisen, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu einigen wenigen Grad besitzen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht mit der ersten und zweiten Hüllschicht sind. In diesem Fall ist es vorteilhafter, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffe der 1. und 2. Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten hauptsächlich ein Element aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN aufweisen, vorausgesetzt, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht jeweils einen kleineren Energiebandabstand aufweisen als die erste und zweite Hüllschicht. Alternativ ist es noch mehr bevorzugt, dass die Pufferschicht aus einem GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff hergestellt wird, der eine hexagonale Kristallstruktur aus einer Grundebene aufweist, die gegenüber einer Ebene (0001) einen Neigungswinkel im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Grad hat, und dass die Grundebene im Wesentlichen parallel zu einer Schnittstelle der Pufferschicht mit der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht ist. In diesem Fall ist noch weiter bevorzugt, dass der GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der Pufferschicht hauptsächlich ein Element aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN aufweisen. In diesem Fall ist noch weiter bevorzugt, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffe der Pufferschicht und der ersten und zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten identisch sind.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform wird mit Bezug auf 3 beschrieben. Eine GaN-Pufferschicht 7 wird bei einer niedrigen Wachstumstemperatur auf einem Saphirsubstrat 9 ausgebildet. Eine n-GaN-Epitaxialschicht 6 wird dick auf der GaN-Pufferschicht 7 ausgebildet. Eine SiO₂-Maske 8 mit einer streifenähnlichen Öffnung wird auf einer Oberfläche der n-GaN-Epitaxialschicht 6 ausgebildet. Ein Resonanzabschnitt einer Laservorrichtung wird selektiv gebildet. Die Maske 8 ist axial ausgerichtet, so dass eines der drei Paare gegenüberliegender Ebenen in den sechs vertikal zur Grundebene liegenden Ebenen, wie z. B. die Ebenen (10-10)/(-1010), die Ebenen (01-10)/(0-110) sowie die Ebenen (-1100)/(1-100) gegenüberliegende Resonanzflächen bildet. Der Resonanzabschnitt weist sowohl eine Länge von einigen wenigen Hundert Mikrometern vertikal zu den Resonanzflächen als auch eine Breite von 5 Mikrometern auf, um eine horizontale Modussteuerung zu ermöglichen. Falls die vorliegende Erfindung bei einer Lichtemissionsdiode angewendet wird, wird die Maske derart eingestellt, dass eine der vorstehend genannten vertikal zu der Grundebene liegenden sechs Ebenen, wie z. B. die Ebenen (10-10)/(-1010), die Ebenen (01-10)/(0-110) sowie die Ebenen (-1100)/(1-100) eine Oberfläche bildet, von welcher ein Licht emittiert wird. Eine n-GaN-Schicht 4 wird auf dem selektierten Bereich der n-GaN-Epitaxialschicht 6 ausgebildet. Eine n-AlGaN-Hüllschicht 2 wird auf der n-GaN-Schicht 4 ausgebildet. Eine aktive GaInN/AlGaN-Mehrlagen-Quantentopfschicht 1 wird auf der n-GaN-Hüllschicht 2 ausgebildet. Eine p-AlGaN-Hüllschicht 3 wird auf der aktiven GaInN/AlGaN-Mehrlagen-Quantentopfschicht 1 zur Bildung einer Doppelheterostruktur ausgebildet. Eine p-GaN-Schicht 5 wird auf der p-AlGaN-Hüllschicht 3 ausgebildet.
Eine SiO₂-Maske 12 wird auf einer Seitenfläche der Doppelheterostruktur bereitgestellt, bevor eine p-Elektrode 13 bereitgestellt wird. Die SiO₂-Maske wird mit einer Öffnung 10 vor der Ausbildung einer n-Elektrode 11 ausgebildet, so dass eine Elektronen-Injektion in horizontaler Richtung stattfindet.
Es ist möglich, das vorstehend genannte Saphirsubstrat durch Substrate aus SiC, ZnO, GaN zu ersetzen.
Der vorstehend beschriebene Laser wird wie folgt hergestellt:
Auf einem Saphirsubstrat 9 wird bei einer Temperatur von ungefähr 500°C eine GaN-Pufferschicht 7 hergestellt. Die Substrattemperatur wird auf eine Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C erhöht, so dass dann auf der GaN-Pufferschicht 7 eine n-GaN-Epitaxialschicht 6 ausgebildet wird. Eine SiO₂-Maske 8 mit einer Öffnung von 5 × 500 μm wird auf der n-GaN-Epitaxialschicht 6 bereitgestellt. Dann wird eine n-GaN-Schicht 4 mit einer Stärke von 0,2 μm selektiv mit Hilfe einer organischen Metall-Dampfphasen-Epitaxie bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C auf dem Bereich ausgebildet, der von der Öffnung der Maske 8 bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C umgeben wird. Eine n-AlGaN-Hüllschicht 2 mit einer Dicke von 1 μm wird auf der n-GaN-Schicht 4 mit Hilfe einer organischen Metall-Dampfphasen-Epitaxie bei der selben Ausbildungstemperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C ausgebildet. Eine aktive GaInN/AlGaN-Mehrlagen-Quantentopfschicht 1 wird auf der n-AlGaN-Hüllschicht 2 mit Hilfe einer organischen Metall-Dampfphasen-Epitaxie bei der selben Ausbildungstemperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C ausgebildet. Die aktive GaInN/AlGaN-Mehrlagen-Quantentopfschicht 1 weist abwechselnd Lagen aus vier GaIn-Topfschichten mit einer Dicke von 10 nm und drei AlGaN-Potentialsperrschichten mit einer Dicke von 5 nm auf. Eine p-AlGaN-Hüllschicht 2 mit einer Dicke von 1 μm wird auf der aktiven GaInN/AlGaN-Mehrlagen-Quantentopfschicht 1 mit Hilfe einer organischen Metall-Dampfphasen-Epitaxie bei der selben Wachstumstemperatur im Bereich von 1000°C bis 1100°C ausgebildet. Auf der p-AlGaN-Hüllschicht 2 wird eine p-GaN-Schicht 5 mit einer Dicke von 0,3 μm ausgebildet.
Eine SiO₂-Maske 12 wird zum Schutz der Seitenabschnitte der Doppelheterostruktur bereitgestellt, um jegliches Stromleck zu verhindern. Eine p-Elektrode 13 ist in Kontakt mit der p-GaN-Schicht 5 vorgesehen. Eine Öffnung 10 wird in der SiO₂-Maske 12 über der n-GaN-Epitaxialschicht 6 ausgebildet, so dass eine n-Elektrode 11 in Kontakt mit der n-GaN-Epitaxialschicht 6 ausgebildet wird.
Das Saphirsubstrat 1 wird durch Dicen desselben geschnitten, um eine Laservorrichtung zu schaffen, die einen Blaulicht- oder UV-Licht-Laserlichtstrahl emittiert.
Während Modifikationen der vorliegenden Erfindung für eine Person mit normalen Kenntnissen der Technik, zu welcher die Erfindung gehört, offensichtlich sind, versteht es sich, dass gezeigte und mit Hilfe von Abbildungen beschriebene Ausführungsformen keinesfalls in einem die Erfindung einschränkenden Sinne betrachtet werden dürfen. Dementsprechend ist beabsichtigt, alle Modifikationen, die in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, durch die Ansprüche abzudecken.

Claims

GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur in einer Lichtemissionsvorrichtung, wobei die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur Folgendes aufweist: eine erste Hüllschicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps, welche aus einem ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand hergestellt ist; eine aktive Schicht (1) auf der ersten Hüllschicht (2), wobei die aktive Schicht (1) einen zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem zweiten Energiebandabstand aufweist, der kleiner als der Energiebandabstand der ersten Hüllschicht (2) ist; und eine zweite Hüllschicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der aktiven Schicht (1), wobei die zweite Hüllschicht (3) einen dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand aufweist, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht (1) ist; und wobei der erste, zweite und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff eine erste, zweite sowie dritte hexagonale Kristallstruktur aus Grundebenen aufweist, die einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) in einem Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Graden aufweisen, wobei jede der hexagonalen Kristallstrukturen sechs vertikal zu den Grundebenen liegende Kristallebenen aufweist, und wobei die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht (1) mit der ersten und zweiten Hüllschicht (2, 3) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur einen Resonator mit einem Paar gegenüberliegender Resonanzflächen bildet, die vertikal zur Richtung eines emittierten Lichts liegen, und dass für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur ein Paar entgegengesetzter Ebenen in sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen bildet.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebene sowie eine (0-110) Ebene aufweist.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe des ersten, zweiten und dritten GaN-System-Verbindungshalbleiters hauptsächlich einen Werkstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt wird.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstrukturen parallel zueinander sind.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) identisch zueinander sind.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine einzige Quantentopfschicht aufweist.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist.
GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Schichten aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten aufweist.
Resonatorstruktur zum Emittieren von Licht in einer Lichtemissionsvorrichtung, welche eine Heterostruktur nach Anspruch 1 verwendet, wobei die Resonatorstruktur Folgendes aufweist: eine erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine mit der Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6) verbundene erste Elektrode (11); eine auf der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6) ausgebildete GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur, die beabstandet von der ersten Elektrode (11) angeordnet sein soll, wobei die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur Folgendes aufweist: die erste Hüllschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps auf der Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6), wobei die erste Hüllschicht (2) einen ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand aufweist; die aktive Schicht (1) auf der ersten Hüllschicht (2), wobei die aktive Schicht (1) einen zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem zweiten Energiebandabstand aufweist, der kleiner als der erste Energiebandabstand der ersten Hüllschicht (2) ist; und eine zweite Hüllschicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der aktiven Schicht (1), wobei die zweite Hüllschicht (3) einen dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand aufweist, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht (1) ist, eine zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten Hüllschicht (3); und eine zweite Elektrode (13), die mit der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (5) elektrisch verbunden ist; wobei der erste, zweite und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur der Grundebenen aufweist, die von einer Ebene (0001) aus einen Neigungswinkel im Bereich von 0 Grad bis zu ein paar wenigen Graden haben, wobei jede der hexagonalen Kristallstrukturen sechs Kristallebenen vertikal zu den Grundebenen aufweist, und die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht (1) mit der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) sind, wobei die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ein Paar entgegengesetzter Resonanzflächen aufweist, die vertikal zu einer Richtung eines emittierten Lichts liegen, und dass für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstruktur ein Paar entgegengesetzter Ebenen in sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen bildet.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebene sowie eine (0-110) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe des ersten, zweiten und dritten GaN-System-Verbindungshalbleiters hauptsächlich einen Werkstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt ist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstrukturen parallel zueinander sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) identisch zueinander sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine einzige Quantentopfschicht aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Schichten aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6, 5) aus GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffen hergestellt sind, die hexagonale Kristallstrukturen der Grundebenen mit einem Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Graden aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht (1) mit der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffe der ersten und der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten (6, 5) hauptsächlich einen Werkstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt ist, vorausgesetzt, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten (6, 5) einen kleineren Energiebandabstand aufweisen als die erste und zweite Hüllschicht (2, 3).
Lichtemissionsvorrichtung, welche eine Doppelheterostruktur nach Anspruch 1 verwendet und Folgendes aufweist: ein Substrat (9); eine auf dem Substrat (9) vorgesehene Halbleiter-Pufferschicht (7); die erste Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6) eines ersten Leitfähigkeitstyps auf der Halbleiter-Pufferschicht mit voneinander beabstandetem ersten und zweiten Bereich; die erste Elektrode (11) auf dem ersten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6); die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur auf dem zweiten Bereich der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6), die beabstandet von der ersten Elektrode (11) angeordnet sein soll, wobei die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur Folgendes aufweist: die erste Hüllschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps auf der Halbleiter-Pufferschicht (7), wobei die erste Hüllschicht einen ersten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem ersten Energiebandabstand aufweist; die aktive Schicht (1) auf der ersten Hüllschicht (2), wobei die aktive Schicht (1) einen zweiten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem zweiten Energiebandabstand aufweist, der kleiner als der Energiebandabstand der ersten Hüllschicht (2) ist; und die zweite Hüllschicht (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der aktiven Schicht (1), wobei die zweite Hüllschicht (3) einen dritten GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff mit einem dritten Energiebandabstand aufweist, der größer als der zweite Energiebandabstand der aktiven Schicht (1) ist; und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (5) des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten Hüllschicht (3); die zweite Elektrode (13) auf der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (5), wobei der erste, zweite und dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff eine erste, zweite bzw. dritte hexagonale Kristallstruktur der Grundebenen mit einen Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu ein paar wenigen Graden aufweist, wobei jede der hexagonalen Kristallstrukturen sechs vertikal zu den Grundebenen liegende Kristallebenen hat, und dass die Grundebenenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht (1) mit der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) sind, wobei die GaN-System-Verbindungshalbleiter-Doppelheterostruktur ein Paar entgegengesetzter Resonanzflächen aufweist, die vertikal zu einer Richtung eines emittierten Lichts liegen, und dass für jede der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstrukturen ein Paar entgegengesetzter Ebenen in sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen die gegenüberliegenden Resonanzflächen bildet.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (10-10) Ebene sowie eine (-1010) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (01-10) Ebene sowie eine (0-110) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar entgegengesetzter Ebenen in den sechs vertikal zu den Grundebenen liegenden Ebenen eine (-1100) Ebene sowie eine (1-100) Ebene aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe des ersten, zweiten und dritten GaN-System-Verbindungshalbleiters hauptsächlich einen Werkstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt ist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte hexagonale Kristallstruktur identisch sind, und dass die Grundebenen der ersten, zweiten und dritten hexagonalen Kristallstrukturen parallel zueinander sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der dritte GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der ersten und der zweiten Hüllschicht (2, 3) identisch zueinander sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine einzige Quantentopfschicht aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (1) eine Vielzahl von Quantentopfschichten aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Quantentopfschichten abwechselnd Schichten aus GaInN-Topfschichten und AlGaN-Potentialsperrschichten aufweist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6, 5) aus GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffen hergestellt sind, die hexagonale Kristallstrukturen der Grundebenen mit einem Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Graden aufweisen, und dass die Grundebenen im Wesentlichen parallel zu Schnittstellen der aktiven Schicht (1) mit der ersten bzw. der zweiten Hüllschicht (2, 3) sind.
Resonatorstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoffe der ersten und der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten (6, 5) hauptsächlich einen Werkstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt ist, vorausgesetzt, dass die erste und die zweite Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten (6, 5) einen kleineren Energiebandabstand aufweisen als die erste und zweite Hüllschicht (2, 3).
Resonatorstruktur nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht (7) aus einem GaN-System-Halbleiterverbindungswerkstoff hergestellt ist, der eine hexagonale Kristallstruktur einer Grundebene mit einem Neigungswinkel gegenüber einer Ebene (0001) im Bereich von 0 Grad bis zu wenigen Graden aufweist, und dass die Grundebene im Wesentlichen parallel zu einer Schnittstelle der Pufferschicht (7) mit der ersten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschicht (6) ist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der Pufferschicht (7) hauptsächlich einen Werkstoff enthält, der aus der Gruppe bestehend aus GaN, GaInN, AlGaN und AlGaInN ausgewählt ist.
Resonatorstruktur nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der GaN-System-Verbindungshalbleiterwerkstoff der Pufferschicht (7) und der ersten und der zweiten Verbindungshalbleiter-Epitaxialschichten (6, 5) identisch sind.