DE69629183T2 - Heterostrukturanordnung aus Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien und Substrat dafür - Google Patents

Heterostrukturanordnung aus Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien und Substrat dafür Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Halbleiterelemente und insbesondere Halbleiterelemente, die Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V enthalten.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In letzter Zeit sind Anwendungen von Nitrid-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V in der Mikroelektronik untersucht worden. Nitrid-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V sind unter anderem Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN) und ihre verwandten ternären und quaternären Legierungen, wie z. B. Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN).
  • Nitrid-Halbleiter der Gruppen III-V weisen Bandabstände von 1,9 eV bis 6,2 eV auf wie in 1 dargestellt. Daher eignen sich diese Halbleitermaterialien für einen Bereich möglicher Anwendungen, der die Optoelektronik im ultravioletten bis zum sichtbaren Bereich (zum Beispiel LEDs und Laser) und die Hochtemperaturelektronik (zum Beispiel Transistoren) einschließt. Außerdem macht die Natur der negativen Elektronenaffinität (NEA-Affinität) des Leitungsbandes von AlN diesen Nitrid-Halbleiter der Gruppen III-V zu einer möglichen neuen und leistungsfähigen Elektronenquelle in Kaltkathoden, Mikroelektronik- und Elektrolumineszenz-Flachbildschirm-Anwendungen. Siehe z. B. Übersichtsartikel von Strite et al., mit dem Titel "GaN, AlN und InN, a Review", Journal of Vacuum Science and Technology B, Bd. 10, S. 1237–1266, 1992, und von Morkoc et al., mit dem Titel "Large-Band-Gap SiC, III-V Nitride, and II-VI ZnSe-Based Semiconductor Device Technologies", Journal of Applied Physics, Bd. 76, S. 1363– 1398, 1994.
  • Zu den neueren Fortschritten bei der Entwicklung von Nitrid-Bauelementen der Gruppen III-V gehören die Demonstration von blauen Leuchtdioden von großer Helligkeit, wie in der Veröffentlichung von Nakamura et al. mit dem Titel "Candela Class High-Brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 1687–1689, 1994, beschrieben. Eine zweite Forschergruppe hat Transistorstrukturen auf der Basis von Nitriden der Gruppen III-V demonstriert, wie in den Veröffentlichungen von Khan et al. mit dem Titeln "Metal Semiconductor Field Effect Transistor Based on Single Crystal GaN, Applied Physics Letters, Bd. 62, S. 1786–1787, 1993, und "High Electron Mobility Transistor Based on a GaN-AlxGa1–xN Heterojunction", Applied Physics Letters, Bd. 63, S. 1214–1215, 1993, beschrieben.
  • Verschiedene Forschergruppen berichten außerdem über optisch gepumpte stimulierte Emission von Nitridstrukturen der Gruppen III-V, welche die Basis für Leuchtdioden bilden können. Siehe die Veröffentlichungen von Amano et al. mit dem Titel "Room-Temperature Violet Stimulated Emission from Optically Pumped AlGaN/GaInN Double Heterostructure" Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 1377–1379, 1994, und von Yung et al. mit dem Titel "Observation of Stimulated Emission in the Near Ultraviolet from a Molecular Beam Epitaxy Grown GaN Film of Sapphire in a Vertical-Cavity, Single-Pass Configuration", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 1135–1137, 1994.
  • Dementsprechend wird erwartet, daß Halbleiter aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V eine zunehmend wichtige Rolle in der Hochtemperatur-Mikroelektronik spielen. Leider gibt es gegenwärtig zwei Grundhindernisse für den Entwurf und die Fertigung von Halbleiterelementen aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V: das Fehlen eines geeigneten leitfähigen Substrats mit angepaßtem Kristallgitter und das Fehlen eines geeigneten ohmschen Kontakts für diese Materialien. Nachstehend wird jedes dieser Grundhindernisse beschrieben.
  • Das erste Grundhindernis, das gegenwärtig die Gesamtqualität von Nitridschichten und -bauelementen der Gruppen III-V beschränkt, ist das Fehlen eines geeigneten, vorzugsweise leitfähigen Substrats mit angepaßtem Kristallgitter für das Kristallwachstum von Nitriden der Gruppen III-V. Massive Substrate von einkristallinen Nitriden der Gruppen III-V sind gegenwärtig nicht verfügbar. Als Folge davon sind Saphir und Siliciumcarbid (SiC) – beide mit Gitterkonstanten, die sich erheblich von denen der in Tabelle I angegebenen III-V-Nitride unterscheiden – gegenwärtig bevorzugte Substrate für das Schichtwachstum von Nitriden der Gruppen III-V.
  • Für das Wachstum auf Saphir, einem elektrisch isolierenden Substratmaterial, ist ein zweistufiges Ziehverfahren für das Wachstum von Materialien auf GaN-Basis angewandt worden. Amano et al. beschreiben in der Veröffentlichung mit dem Titel "Metalorganic Vapor Phase Epitaxial Growth of a High Quality GaN Film Using an AlN Buffer Layer", Applied Physics Letters, Bd. 48, S. 353–355, 1986, die Verwendung eine dünnen Pufferschicht aus AlN, die man bei niedrigen Temperaturen (etwa 600°C) auf Saphir aufwachsen läßt. Dann wird die Temperatur für das Aufwachsen von GaN auf etwa 900–1100°C erhöht. In US-A-5290393 beschreibt Nakamura die Verwendung einer Al1–xGaxN-Pufferschicht (0 ≤ x ≤ 1), die man bei niedrigen Temperaturen (400–800°C) auf Saphir aufwachsen läßt, mit anschließendem Aufwachsen von GaN bei einer höheren Temperatur (etwa 900–1000°C). Genauer gesagt, Nakamura et al. verwenden, wie in der Veröffentlichung mit dem Titel "Candela Class High-Brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 1687–1689, 1994, beschrieben, eine bei 510°C auf Saphir aufgewachsene, 30 nm (300 Å) dicke GaN-Pufferschicht. Als nächstes wird die Substrattemperatur für das Aufwachsen von GaN-Schichten auf 1020°C erhöht. Ähnliche Prozesse sind auch für das Aufwachsen von III-V-Nitridschichten auf SiC angewandt worden. Im allgemeinen hat sich jedoch gezeigt, daß ein rißfreies Wachstum von III-V-Nitriden auf SiC die Verwendung einer AlN-Pufferschicht erfordert. Pufferschichten aus GaN oder Al1–xGaxN führen oft zu einem Wachstum von III-V-Nitridschichten, die Netzwerke von Rissen enthalten. Dies ist für Anwendungen bei Bauelementen nicht akzeptierbar.
  • TABELLE I. Eigenschaften ausgewählter Halbleiter (1 Å = 0,1 nm)
    Figure 00020001
  • Figure 00030001
  • Die Verwendung einer Niedrigtemperatur-Pufferschicht auf Saphir oder SiC hat die Herstellung von Nitridschichten der Gruppen III-V ermöglicht. Leider konnten, nach Kenntnis des Erfinders für viele mögliche Bauelementanwendungen, mit dem Zweitemperaturverfahren bisher keine Nitridschichten mit ausreichend niedriger Versetzungsdichte hergestellt werden. Allgemein bekannt ist, daß auf Saphir- oder SiC-Substraten aufgewachsene Nitridmaterialien der Gruppen III-V 109–1011 Versetzungen pro cm2 enthalten. Vergleichsweise enthalten auf ZnSE oder verwandten Legierungen basierende Halbleiterelemente der Gruppen III-V im allgemeinen weniger als 106 Versetzungen pro cm2, und Halbleiterelemente der Gruppen III-V auf As- und P-Basis enthalten weniger als 104 Versetzungen pro cm2.
  • Außerdem führt der große Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen SiC und GaN zu Problemen. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient (Δa/a) von SiC kleiner als der von GaN ist (siehe die obige Tabelle I), steht beim Abkühlen auf Raumtemperatur nach dem Aufwachsen der Dünnschicht die GaN-Schicht auf SiC unter Spannung. Wie dem Fachmann für die Züchtung von Halbleiterschichten bekannt, kann dies an sich schon zu Rißbildungseffekten führen, welche die Gesamtqualität der Epitaxialschicht zerstören.
  • Es ist jedoch äußerst wünschenswert, Nitridmaterialien der Gruppen III-V auf einem leitfähigen Substrat aufwachsen zu lassen, besonders für Anwendungen auf Bauelemente, die einen vertikalen Ladungsträgertransport erfordern. Zu diesen Bauelementen gehören beispielsweise Leuchtdioden, Laserdioden und bestimmte Transistorstrukturen. Die oben von Nakamura et al. diskutierte blaue LED erfordert nichtstandardisierte Verarbeitungs- und Packungsverfahren, da das Saphirsubstrat elektrisch isolierend ist. Präzise ausgedrückt, wie von Nakamura et al. in "Candela Class High-Brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting Diodes", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 1687–1689, 1994, beschrieben, müssen InGaN/AlGaN-Mesa-LED-Strukturen unter Anwendung von photolithographischen und Ätzverfahren hergestellt werden, so daß sowohl der metallische elektrische Kontakt zur oberen p-leitenden Schicht des Bauelements als auch der metallische elektrische Basiskontakt zur unteren n-leitenden Schicht des Bauelements von der Oberseite des Wafers aus unter Anwendung von Drahtbondverfahren hergestellt werden können. Diese Verfahrensweise ist wegen der isolierenden Natur des verwendeten Saphirsubstrats erforderlich.
  • Ein leitfähiges Substrat wie z. B. SiC wird stark bevorzugt, da ein leitfähiges Substrat ermöglicht, die metallische LED-Basiselektrode an der Unterseite des Substrats, statt seiner Oberseite, anzubringen. Infolgedessen können gepackte LED-Lampen unter Anwendung von Standardverfahren rationeller hergestellt werden, bei denen Silber-Epoxidharz zur Befestigung der LED-Basiselektrode verwendet wird und die nur einen drahtgebondeten oberen Kontakt erfordern – ein wichtiger kostensparender Vorteil in einer LED-Produktionsanlage. Außerdem kann der vertikale Transport durch ein niederohmiges leitfähiges Substrat, wie z. B. SiC, für die zukünftige Entwicklung weiterer optoelektronischer Bauelemente auf der Basis von II-V-Nitridhalbleitern, wie z. B. von Laserdioden, wesentlich sein. Den Fachmann ist bekannt, daß eine Laserdiode eine viel höhere Stromdichte erfordert als eine LED. Infolgedessen muß der Serienwiderstand des Bauelements im allgemeinen so klein wie möglich sein, um Aufheizeffekte zu minimieren, die zu vorzeitigem Güteverlust und Ausfall des Bauelements führen können. Dies erfordert im allgemeinen die Verwendung eines leitfähigen Substrats. Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein leitfähiges Substrat für Nitridhalbleitermaterialien der Gruppen III-V.
  • Die UK-Patentanmeldung GB 2250635 beschreibt ein Elektrolumineszenzelement aus Verbindungshalbleitermaterial, das ein Halbleitersubstrat, eine epitaxial auf das Halbleitersubstrat aufgewachsene Pufferschicht und eine epitaxial auf die Pufferschicht aufgewachsene Lumineszenzschicht aufweist. Das Substrat besteht aus einem Einkristall aus Zinksulfid, Zinkselenid oder einem Mischkristall daraus. Die Lumineszenzschicht besteht aus Aluminiumnitrid, Indiumnitrid, Galliumnitrid oder einem Mischkristall aus mindestens zwei der Nitride. Die Pufferschicht ist vorzugsweise ZnS1–xOx.
  • Nachstehend wird das Problem des ohmschen Kontakts für Nitridhalbleiter der Gruppen III-V beschrieben. In letzter Zeit sind mehreren Forschergruppen wichtige Fortschritte im Verständnis der Grundeigenschaften von Nitridmaterialien der Gruppen III-V gelungen. Benjamin et al. beschreiben in der Veröffentlichung mit dem Titel "Observation of a Negative Electron Affinity for Heteroepitaxial AlN on α(6H)-SiC(0001)", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 3288–3290, 1994, überzeugendes Beweismaterial auf der Basis der Ultraviolett-Photoemissionsspektroskopie (UPS), daß AlN ein Material mit negativer Elektronenaffinität (NEA) ist. Mit anderen Worten, das Leitungsband von AlN liegt oberhalb des Vakuum-Energieniveaus, woraus folgt, daß AlN als leistungsfähiger Elektronenemitter eingesetzt werden kann. In Übereinstimmung mit diesem Befund berichten die oben genannten Forscher außerdem, daß die Valenzbandverschiebung zwischen AlN (0001) und SiC (0001) annähernd 0,8 eV beträgt.
  • Drei weitere Forschungsgruppen haben in letzter Zeit über Werte für die Valenzbandverschiebung zwischen AlN und GaN berichtet. Martin et al. berichten in der Veröffentlichung mit dem Titel "Valence-Band Discontinuity Between GaN and AlN Measured by X-Ray Photoemission Spectroscopy", Applied Physics Letters, Bd. 65, S. 610–612, 1994, über einen Typ I-Heteroübergang (Valenzbandkante von AlN unterhalb derjenigen von GaN) mit einer Valenzbandverschiebung oder -diskontinuität von ΔEv = 0,8 ± 0,3 eV. Baur et al. berichten in der Veröffentlichung mit dem Titel "Determination of the GaN/AlN Band Offset Via the Acceptor Level of Iron", Applied Physics Letters, Bd. 65, S. 2211–2213, 1994, über einen Typ I-Heteroübergang mit einer Valenzband-Diskontinuität von ΔEv = 0,5 eV. Segall et al. berichten in einer auf dem 2. Workshop on Wide Bandgap Nitrides, 17.–18. Oktober 1994 in St. Louis, MO, vorgetragenen Arbeit mit dem Titel "Band Offsets and Related Properties of III-N's" über einen Wert von ΔEv = 0,8 eV für die Valenzbandverschiebung zwischen AlN und GaN. Außerdem berichten diese Forscher über eine Grenzfläche vom Typ I zwischen GaN und InN mit ΔEv = 0,5 eV. Segall et al. berichten gleichfalls über eine Grenzfläche vom Typ I zwischen AlN und GaAs mit ΔEv = 2,0 eV.
  • Die obigen Ergebnisse für Bandverschiebungen haben wichtige Konsequenzen in Bezug auf den Transport von Elektronen und Löchern durch Grenzflächen, die Nitridmaterialien der Gruppen III-V enthalten. 2 gibt eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse, indem sie in Form von Energiebanddiagrammen schematisch darstellt, wie sich die Leitungs- und Valenzbänder der binären Nitridhalbleiter der Gruppen III-V relativ zueinander und zu anderen bekannten Halbleitermaterialien GaAS, Si und SiC organisieren. Der Fachmann für Halbleiterelemente wird erkennen, daß in 2 angenäherte Bandverschiebungen zwischen den verschiedenen dargestellten Materialien aufgeführt sind, die auf den oben beschriebenen Berichten basieren. Ausgehend von der Genauigkeit der gegenwärtigen experimentellen Meßverfahren, können diese Bandverschiebungen nur eine Genauigkeit von ±0,2–0,3 eV aufweisen.
  • Wie dem Fachmann bekannt, können Energiebarrieren an Heteroübergängen von mehr als etwa 0,3 eV den Trägerfluß (von Elektronen und/oder Löchern) in Dünnschichtelementen verhindern, die einen vertikalen Ladungsträgertransport durch Heterogrenzflächen erfordern. Zu den Bauelementen dieses Typs gehören Leuchtdioden, Laserdioden, bestimmte Transistorstrukturen und Elektronenemitter auf der Basis von NEA-Materialien wie beispielsweise AlN. Das Energiebanddiagramm von 2 zeigt deutlich, daß beträchtliche Energiebarrieren auftreten können, wenn diese Bauelementtypen auf III-V-Nitrid-Heterostrukturen basieren. Dementsprechend sind Kontakte an Nitridverbindungs-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V unter Verwendung herkömmlicher Metalle wie z. B. Silber und Gold keine ohmschen Kontakte.
  • Das Problem der ohmschen Kontakte für Nitridverbindungs-Halbleiter der Gruppen III-V ist in letzter Zeit von anderen Fachleuten als dem Erfinder erkannt worden. Siehe zum Beispiel die Veröffentlichung von Foresi und Moustakas, Boston University, mit dem Titel "Metal Contacts to Gallium Nitride", Applied Physics Letters, Bd. 62, Nr. 22, S. 2859–2861, Mai 1993, die über eine erste Untersuchung von Aluminium- und Goldkontakten an Galliumnitrid berichtet. Sowohl Aluminium- als auch Goldkontakte werden als ohmsche Kontakte beschrieben. Es zeigte sich jedoch, daß der spezifische Kontaktwiderstand der Aluminium- und Goldkontakte 10–7–10–8 Ω·m–2 beträgt. Diese Kontaktwiderstände sind um mehrere Größenordnungen höher als im allgemeinen für Leuchtdioden erforderlich. Eine neuere Veröffentlichung von Molnar, Singh und Moustakas, Boston University, mit dem Titel "Blue-Violet Light Emitting Gallium Nitride p-n Junctions Grown by Electron Cyclotron Resonance-Assisted Molecular Beam Epitaxy", Applied Physics Letters, Bd. 66, Nr. 3, 16. Januar 1995, stellt fest, daß ohmsche Metallkontakte an p-leitendem Galliumnitrid ein Metall mit einer Austrittsarbeit von annähernd 7,5 eV erfordern würden. In der Arbeit von Molnar, Singh und Moustakas wird festgestellt, daß ein derartiges Material nicht verfügbar ist. Diese Arbeit berichtet dann über die Verwendung von Ni/Au zum Kontaktieren von p-leitenden GaN-Schichten und von In zum Kontaktieren von n-leitenden GaN-Schichten. Die resultierenden, gemessenen und dargestellten Strom-Spannungs-Charakteristiken sind sehr schlecht. Dementsprechend haben zwar in letzter Zeit die Fachleute für Nitridverbindungs-Halbleiter der Gruppen III-V den Mangel an einem geeigneten ohmschen Kontakt erkannt, aber eine Lösung dieses Problems ist nach Kenntnis des Erfinders nicht gefunden worden.
  • Zur Herstellung eines ohmschen Kontakts für gewöhnliche intermetallische Halbleiter wie z. B. GaAs beschrieb Woodall in US-A-4801984 die Verwendung von ternären kontinuierlich veränderlichen InGaAs-Schichten der Gruppen III-V zur Herstellung eines guten elektrischen Kontakts an GaAs. Kürzlich beschrieb der Erfinder in den US-Patentschriften US-A-5294833, 5351255 und 5366927 ohmsche Kontakte an Materialien der Gruppen III-V, in denen beispielsweise kontinuierlich veränderliche Schichten aus ZnHgSe oder ZnTeSe zur Herstellung ohmscher Kontakte an blau/grünes Licht emittierenden Bauelementen der Gruppen II-VI verwendet wurden.
  • Fachleute werden jedoch erkennen, daß keines der beiden obigen Kontaktsysteme für Nitridmaterialien der Gruppen III-V eingesetzt werden kann, da die Nitridhalbleiter der Gruppen III-V eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen, die mit der kubischen Kristallstruktur der Arsenide/Phosphide der Gruppen III-V und den auf ZnSe und verwandten Legierungen basierenden Materialien der Gruppen III-V unvereinbar ist. Außerdem unterscheiden sich die Gitterkonstanten in der Grundebene der Nitride der Gruppen III-V beträchtlich von den Gitterkonstanten und den Abständen zwischen nächsten Nachbaratomen in der (111)-Ebene der Arsenide/Phosphide und der auf ZnSe und verwandten Legierungen basierenden Materialien der Gruppen III-V . Siehe dazu 1.
  • Die obige Übersicht läßt darauf schließen, daß zwar in letzter Zeit wesentliche Fortschritte bei der Demonstration von Nitrid-Bauelementen der Gruppen III-V erzielt wurden, aber noch eine Reihe von Problemen in Angriff zu nehmen sind. Konkret weisen bisher gezüchtete Nitridmaterialien der Gruppen III-V wegen der Nichtverfügbarkeit massiver Nitridsubstrate mit angepaßtem Kristallgitter sehr hohe Versetzungsdichten (≥ 109 pro cm2) auf. Außerdem wird die Verwendung von Nitridmaterialien der Gruppen III-V für Bauelement-Anwendungen, die keinen vertikalen Trägertransport erfordern, gegenwärtig durch die Verwendung nichtleitender Substrate, wie z. B. Saphir, beschränkt. Schließlich existieren beträchtliche Energiebarrieren an Grenzflächen zwischen Nitridmaterialien der Gruppen III-V und möglichen leitfähigen Substraten, wie z. B. SiC, und zwischen Nitridmaterialien der Gruppen III-V und allen gewöhnlichen Metallen, die für ohmsche Kontakte in Bauelement-Anwendungen benötigt werden. Dementsprechend ist ein ohmscher Kontakt mit geringem Widerstand ein grundsätzliches Problem für Nitridmaterialien der Gruppen III-V.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Halbleiterelement aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V bereitzustellen, das ein Substrat mit angepaßtem Kristallgitter aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Halbleiterelements aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V, das ein leitfähiges Substrat mit angepaßtem Kristallgitter aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung des verbesserten Halbleiterelements aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V, das ferner einen ohmschen Kontakt aufweist.
  • Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Plattform gemäß der Definition in Anspruch 1 gelöst, die zur Ausbildung eines Halbleiterelements aus Nitridverbindungs-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V auf der Plattform vorgesehen ist.
  • Diese Plattform bildet einen scharfen Gegensatz zu herkömmlichen Substraten für die Ausbildung von Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V, die typischerweise eine Aluminiumnitridschicht auf einem Saphir- oder Siliciumcarbidsubstrat aufweisen und bisher Nitridmaterial der Gruppen III-V von schlechter Qualität lieferten, wie aus den hohen Versetzungsdichten ersichtlich.
  • Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Heterostrukturelement mit Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V bereitgestellt, wie in Anspruch 3 definiert.
  • Konkrete Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine graphische Darstellung von Energiebandabständen ausgewählter Halbleiter in Abhängigkeit von der Gitterkonstanten.
  • 2 zeigt ein Energiebanddiagramm, das die Bandgruppierungen von AlN, GaN, InN, GaAs, Si und SiC auf der Basis von gegenwärtig verfügbaren, dem Erfinder bekannten experimentellen Daten darstellt.
  • 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Heterostruktur-Halbleiterelements aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V.
  • 4A zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine linear kontinuierlich veränderliche p-leitende Schicht aus Al1–yGayN verwendet wird, um die Valenzbandverschiebung zwischen p-leitendem Al1–xGaxN und p-leitendem GaN zu beseitigen.
  • 4B zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine linear kontinuierlich veränderliche n-leitende Schicht aus Al1–yGayN verwendet wird, um die Leitungsbandverschiebung zwischen n-leitendem Al1–xGaxN und n-leitendem GaN zu beseitigen.
  • 4C zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine parabolisch kontinuierlich veränderliche p-leitende Schicht aus Al1–yGayN verwendet wird, um die Valenzbandverschiebung zwischen p-leitendem Al1–xGaxN und p-leitendem GaN zu beseitigen.
  • 4D zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine parabolisch kontinuierlich veränderliche n-leitende Schicht aus Al1–yGayN verwendet wird, um die Leitungsbandverschiebung zwischen n-leitendem Al1–xGaxN und n-leitendem GaN zu beseitigen.
  • 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Heterostruktur-Halbleiterelements aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V.
  • 6A zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine n-leitende Al1–xGaxN/GaN-Struktur mit mehreren Quantenmulden verwendet wird, um die Leitungsbandverschiebung zwischen n-leitendem Al1–xGaxN und n-leitendem GaN zu beseitigen.
  • 6B zeigt ein Energiebanddiagramm, in dem eine p-leitende Al1–xGaxN/GaN-Struktur mit mehreren Quantenmulden verwendet wird, um die Valenzbandverschiebung zwischen p-leitendem Al1–xGaxN und p-leitendem GaN zu beseitigen.
  • Die 7A–7C bis zu den 12A–12C zeigen Energiebanddiagramme, in denen kontinuierlich veränderliche ternäre Nitride der Gruppen III-V oder pseudokontinuierlich veränderliche Nitridstrukturen der Gruppen III-V mit mehreren Quantenmulden verwendet werden, um Bandverschiebungen zwischen anderen Nitriden zu beseitigen.
  • 13 zeigt eine Schnittdarstellung, die ein bekanntes Substrat darstellt , in dem eine AlN-Pufferschicht zur Keimbildung in einem Bauelement auf GaN-Basis verwendet wird.
  • Die 14A und 14B zeigen Energiebanddiagramme für die GaN/AlN/SiC-Struktur von 13, in denen dünne bzw. dicke AlN-Schichten verwendet werden.
  • 15 zeigt ein Energiebanddiagramm, das die Bandgruppierungen von ZnO, ZnS, ZnSe und GaAs darstellt.
  • Die 6A und 16B zeigen Energiebanddiagramme von Bandgruppierungen für GaN/AlN/SiC- und GaN/ZnO/SiC-Heterostrukturen, in denen AlN- und ZnO-Schichten verwendet werden.
  • 17 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen AlN-Elektronenemissionselements.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. In den Zeichnungen sind die Dicken der Schichten und Bereiche der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen durchweg gleiche Elemente.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird nachstehend eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Heterostrukturelements aus Nitridverbindungs-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V beschrieben. Der Begriff "integrierte Heterostruktur" oder "integriertes Heterostrukturelement" (IHD) ist hier als mehrschichtige Struktur definiert, in der bestimmte Schichten oder Schichtenkombinationen deutlich unterschiedliche Funktionen ausüben. Ein Beispiel eines IHD ist ein flächenstrahlender Halbleiterlaser, der (a) Mehrfachschichten für optische Spiegel, (b) einen aktiven Lichterzeugungsbereich, der eine oder mehrere zusätzliche Schichten oder Quantenmulden aufweisen kann, (c) p-leitende und n-leitende Schichten, die unter Durchlaßspannung den aktiven Lichterzeugungsbereich mit Elektronen und Löchern versorgen, und (d) zusätzliche Deckschichten zur optischen und elektrischen Kopplung des Laserausgangs an die Außenwelt enthält. Diese verschiedenen Funktionen werden unter Anwendung kochentwickelter Züchtungsverfahren, wie z. B. der Molekularstrahlepitaxie (MBE), der metallorganischen chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD), der Atomschichtepitaxie (ALE) oder anderer Verfahren, die dem Fachmann für die Herstellung von Halbleiterdünnschichten und Bauelementstrukturen bekannt sind, in eine einzige epitaxiale Mehrschichtenstruktur integriert. IHDs für blaugrüne Lichtemission, die auf Verbindungshalbleitern der Gruppen III-V basieren, werden in den obenerwähnten US-Patentschriften US-A-5294833, 5351255 und 5366927 behandelt. Die vorliegende Erfindung beschreibt integrierte Heterostrukturelemente aus Nitridmaterialien der Gruppen III-V, wie z. B. InN, GaN, AlN und ternären/quaternären Legierungen dieser Stoffe.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Heterostrukturelements aus Nitridverbindungs-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V beschrieben. Wie in 3 dargestellt, weist das integrierte Heterostrukturelement 100 ein Halbleiterelement 110, das aus Nitridverbindungs-Halbleitern der Gruppen III-V besteht, und zwei ohmsche Kontakte 120a, 120b dafür auf. Das Halbleiterelement 110 und die ohmschen Kontakte 120, die zusammen das integrierte Heterostrukturelement bilden, werden auf einer Plattform 130 gezüchtet. Nachstehend wird jedes der Elemente 110, 120 und 130 ausführlich beschrieben.
  • In 3 als erstem Beispiel ist ferner ein Halbleiterelement 110 als doppelter Heteroübergang dargestellt, der aus Al1–xGaxN/GaN-Schichten besteht, die einen optischen LED-Emitter bilden, aber das Halbleiterelement kann auch ein Elektronenemitter, eine Diode mit p-n-Übergang, ein Transistor oder ein anderes aktives Halbleiterelement sein, das aus Nitridverbindungs-Halbleitermaterialien der Gruppen III-V besteht. Zum Beispiel kann das Halbleiterelement 110 eine Halbleiterlaserdiode mit einem aktiven Bereich sein, der aus einer InGaN-Quantenmulde besteht, die von lichtleitenden GaN-Schichten und Al1–xGaxN-Mantelschichten umgeben ist.
  • Das Halbleiterelement 110, ausgeprägt als LED, weist einen aktiven Bereich 112, hier GaN, der Licht emittiert, und zwei (erste) Mantelschichten 114a und 114b auf, die als p-leitend bzw. n-leitend dotiertes Al1–xGaxN dargestellt sind. Man wird erkennen, daß Leitfähigkeiten verwendet werden können, die den in den Zeichnungen dargestellten entgegengesetzt sind. Man wird außerdem erkennen, daß x in den Schichten 114a und 114b gleich null sein kann, so daß AlN bereitgestellt wird.
  • Wie ferner aus 3 erkennbar, kann nach Bedarf auf einer oder beiden der (ersten) Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b ein ohmscher Kontakt 120 ausgebildet sein. Die ohmschen Kontakte 120a, 120b weisen zwischen den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b und den (dritten) GaN-Schichten 124a und 124b (zweite) kontinuierlich veränderliche Schichten aus Al1–yGayN (y = x bis y = 1) auf. Wie in 3 dargestellt, sind die aus Al1–yGayN bestehenden, kontinuierlich veränderlichen Schichten 122a, 122b mit dem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp dotiert und sind in der Weise kontinuierlich veränderlich, daß angrenzend an die Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b y = x und angrenzend an die GaN-Schichten 124a und 124b y = 1 ist. Die aus Al1–yGayN bestehenden kontinuierlich veränderlichen Schichten 122a, 122b dienen als niederohmige elektronische Verbindungen zwischen den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b, den GaN-Schichten 124a und 124b und externen Metallelektroden 126a, 126b am Halbleiterelement selbst, wodurch dessen Leistung und Wirkungsgrad stark erhöht werden.
  • Die kontinuierlich veränderlichen Al1–yGayN-Schichten 122a und 122b können linear veränderlich sein, so daß der Galliumgehalt von y = x an der Grenzfläche mit den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b auf y = 1 an den Grenzflächen mit den GaN-Schichten 124a und 124b ansteigt. Dieses lineare Gradientenprofil für die Al1–yGayN-Schichten 122a und 122b entlang der geeigneten Dotierung beseitigt die Bandverschiebungen zwischen den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b und den GaN-Schichten 124a und 1246, die sonst den Trägerfluß in den aktiven Bereich 112 des Bauelements behindern könnten. Dies wird durch die in den 4A und 4B dargestellten Energiebanddiagrammeveranschaulicht. 4A zeigt das Energiebanddiagramm für den oberen p-leitenden Abschnitt des Halbleiterelements von 3, das darstellt, wie die lineare Änderung entlang der p-leitenden Dotierung der Al1–yGayN-Schicht 122a die Valenzbandverschiebung (εv) zwischen der p-leitenden Al1–xGaxN-Mantelschicht 114a und der p-leitenden GaN-Schicht 124a beseitigt. Entsprechend zeigt 4B das Energiebanddiagramm für den unteren n-leitenden Abschnitt des Halbleiterelements von 3, das darstellt, wie die lineare Änderung entlang der n-leitenden Dotierung der Al1–yGayN-Schicht 122b die Leitungsbandverschiebung (εc) zwischen der n-leitenden Al1–xGaxN-Mantelschicht 114b und der n-leitenden GaN-Schicht 124b beseitigt.
  • Die kontinuierlich veränderliche Schicht 122a, 122b kann linear veränderlich sein, so daß der Galliumgehalt von dem an die Schicht 114a, 114b angrenzenden Bereich zu dem der Schicht 114a, 114b entgegengesetzten Bereich kontinuierlich und linear ansteigt. Alternativ kann eine nichtlineare Änderung vorgesehen werden, wie z. B. eine parabolische Änderung. Siehe dazu die 4C und 4D. Der Fachmann wird erkennen, daß der Begriff "kontinuierlicher Anstieg" eine abgestufte bzw. stufenweise veränderliche Schicht ausschließt, in welcher der Gehalt des Materials quer durch die Schicht konstant bleibt. Die kontinuierlich ansteigende Änderung schließt eine linear und nichtlinear kontinuierlich ansteigende Änderung ein.
  • Schließlich weist der ohmsche Kontakt 120a und 120b gemäß 3 eine Leiterschicht 126, wie z. B. eine Metallschicht, auf GaN-Schichten 124a und 124b auf. Zum Kontaktieren der p-leitenden GaN-Schicht 124a wird vorzugsweise ein Metall mit hoher Austrittsarbeit verwendet, wie z. B. Gold oder Platin, und zum Kontaktieren des n-leitenden Substrats 132, und daher indirekt der n-leitenden GaN-Schicht 124b, wird vorzugsweise ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit verwendet, wie z. B. Aluminium, Indium oder Titan. E skönnen auch Kombinationen dieser oder anderer Metalle eingesetzt werden. Außerdem können gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzliche kontinuierlich veränderliche In1–xGaxN-Schichten vom geeigneten Leitfähigkeitstyp zwischen den GaN-Schichten 124 und den Metallkontaktschichten 126 eingefügt werden, um den ohmschen Kontakt zwischen den GaN-Schichten 124 und den Metallschichten 126 weiter zu verbessern. Dieser Typ der Konzentrationsänderung unter Verwendung von In1–xGaxN ist in den 9 bis 12 dargestellt.
  • Wie in 3 dargestellt, wird die Schicht 126a direkt auf die Schicht 124a aufgebracht, während die Schicht 126b indirekt auf die Schicht 124b aufgebracht wird, da weitere Zwischenschichten vorhanden sind. Dementsprechend wird der Fachmann erkennen, daß nach dem hier benutzten Sprachgebrauch eine Schicht, wenn sie "auf" einer anderen Schicht ausgebildet ist, direkt auf der anderen Schicht ausgebildet sein kann, oder daß eine oder mehrere Zwischenschichten vorhanden sein können. Der Gebrauch des Begriffs "auf' schließt auch eine Schicht ein, die sich entweder oberhalb oder unterhalb einer anderen Schicht befindet, je nach der endgültigen Orientierung des integrierten Heterostrukturelements 100.
  • 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Heterostrukturelements. Wie in 5 dargestellt, weist das integrierte Heterostrukturelement 200 ein Halbleiterelement 110 auf, das aus Nitridverbindungs-Halbleitern der Gruppen III-V besteht, sowie zwei dafür vorgesehene ohmsche Kontakte 220a, 220b. Das Halbleiterelement 110 und die ohmschen Kontakte 220, die zusammen das integrierte Heterostrukturelement bilden, werden auf einer Plattform 130 gezüchtet.
  • Zu Erläuterungszwecken wird das Halbleiterelement 110 von 5 so gewählt, daß es mit dem in 3 dargestellten Halbleiterelement 110 identisch ist. Das heißt, das in 5 dargestellte Halbleiterelement 110 ist ein doppelter Heteroübergang, der aus Al1–xGaxN-Schichten besteht, die einen optischen LED-Emitter bilden. Der einzige Unterschied zwischen dem in 5 dargestellten integrierten Heterostrukturelement 200 und dem in 3 dargestellten integrierten Heterostrukturelement 100 besteht daher in den ohmschen Kontakten 220a und 220b. Diese ohmschen Kontakte, welche die vorliegende Erfindung neben den oben diskutierten ohmschen Kontakten 120a und 120b als einen zusätzlichen Typ von ohmschen Kontakten offenbart, der sich für integrierte Heterostrukturelemente aus III-V-Nitriden eignet, werden nachstehend ausführlich beschrieben.
  • Wie in 5 erkennbar, kann ein ohmscher Kontakt 220 nach Bedarf auf einer oder auf beiden Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b ausgebildet werden, Die ohmsche Kontaktschicht 220a, 220b weist eine Mehrquantenmulde (MQW) aus abwechselnden Schichten 222a, 222b aus Aluminiumgalliumnitrid (Al1–xGaxN) und Galliumnitrid (GaN) auf den entsprechenden Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b auf. Die abwechselnden Schichten 220a, 220b sind mit dem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp dotiert. Wie in 5 dargestellt, nimmt die Dicke der GaN-Schichten von dem an die Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b angrenzenden Bereich zu dem an die GaN-Schichten 124a, 124b angrenzenden Bereich zu. Wie gleichfalls dargestellt, bleibt die Dicke der Al1–xGaxN-Schichten in 220a, 220b über die gesamte Mehrquantenmulde (MQW) konstant.
  • Wie in 5 dargestellt, können durch die Dickenzunahme der GaN-Schichten in der Mehrquantenmulde 220a, 220b zusammen mit der entsprechenden Dotierung die Bandverschiebungen zwischen den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b und den GaN-Schichten 124a und 124b beseitigt werden, die andernfalls den Trägerfluß in den aktiven Bereich 112 des Bauelements behindern könnten. Dies wird durch die in den 6A und 6B dargestellten Energiebanddiagramme veranschaulicht. 6B zeigt das Energiebanddiagramm für den oberen p-leitenden Abschnitt des Halbleiterelements von 5, das darstellt, wie die MQW 222a, die p-leitend dotiert ist, die Valenzbandverschiebung zwischen der p-leitenden Al1–xGaxN-Mantelschicht 114a und der p-leitenden GaN-Schicht 124a beseitigt. Entsprechend zeigt 6A das Energiebanddiagramm für den unteren n-leitenden Abschnitt des Halbleiterelements von 5, das darstellt, wie die MQW 222b, die n-leitend dotiert ist, die Leitungsbandverschiebung zwischen der n-leitenden Al1–xGaxN-Mantelschicht 114b und der n-leitenden GaN-Schicht 124b beseitigt.
  • Der Fachmann wird erkennen, daß der ohmsche Kontakt 220a, 220b gemäß der vorliegenden Erfindung, der MQW-Schichten 222a, 222b enthält, im scharfen Gegensatz zu einem bekannten ohmschen GaN/InN-MQW-Kontakt für GaN steht, wobei die Schichtdicken beider Schichttypen in der MQW-Struktur quer über die Schichten konstant sind. Die erfindungsgemäße Quantenmuldenstruktur, die dotierte GaN-Quantenmulden mit zunehmender Dicke verwendet, wie oben beschrieben, funktioniert wie eine "pseudokontinuierlich veränderliche" Schicht, um die Bandverschiebung zwischen den Al1–xGaxN-Mantelschichten 114a, 114b und den p-leitenden GaN-Schichten 124a und 124b von 5 zu beseitigen.
  • Nachstehend wird eine zusätzliche theoretische Diskussion von erfindungsgemäßen ohmschen Kontakten beschrieben. Wie durch das Energiebanddiagramm von 2 dargestellt, tritt zwischen den Leitungsbändern von AlN und GaN (ΔEc = 2,1 eV) und zwischen GaN und InN (ΔEc = 1,1 eV) eine sehr hohe Energiedifferenz auf. Als Folge dieser "Energiebarriere" können Elektronen nicht ohne weiteres von GaN in AlN oder von InN in GaN fließen, selbst wenn die Materialien stark n-leitend dotiert sind, wie dies bei bestimmten Bauelement-Anwendungen erforderlich ist. Energiebarrieren, die mit jeder der obigen Heterogrenzflächen verbunden sind, existieren auch bezüglich des Valenzbands dieser Materialien, wie in 2 dargestellt. Daher wird auch der Löcherfluß von GaN in AlN oder von InN in GaN behindert.
  • Die erfindungsgemäßen ohmschen Kontakte vermindern oder beseitigen vorzugsweise die Energiebarrieren für den Elektronen- und/oder Löcherfluß in Nitrid-Halbleiterelementen der Gruppen III-V. Wie z. B. in 3 dargestellt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Energiebarriere zwischen dem Leitungsband von Al1–xGaxN (erste Schicht 114b) und dem Leitungsband von GaN (dritte Schicht 124b) durch Verwendung einer Al1–yGayN-Zwischenschicht (zweite Schicht 122b) beseitigt werden, die n-leitend dotiert und von y = x an der Al1–xGaxN-Grenzfläche bis zu y = 1 an der GaN-Grenzfläche kontinuierlich veränderlich ist. Die n-leitende Dotierung der Al1–yGayN-Zwischenschicht hält beim Übergang des kontinuierlich veränderlichen Materials von Al1–xGaxN zu GaN das Fermi-Niveau εf in der Nähe ihres Leitungsbandes. Durch Verwendung des dotierten und kontinuierlich veränderlichen Materials kann die ursprüngliche Leitungsbandverschiebung beseitigt werden, da die Gleichgewichts-Fermi-Energie εf in der gesamten Heterostruktur konstant sein muß. Ein Metall wie z. B. Al, In, Ti/Au oder ein anderer geeigneter Leiter können dann auf die n-leitende GaN-Schicht aufgebracht werden, um einen ohmschen Kontakt für die n-leitende Al1_xGaxN-Schicht herzustellen. Außerdem können gemäß der vorliegenden Erfindung weitere In1_xGaxN-Schichten vom entsprechenden Leitfähigkeitstyp zwischen den GaN-Schichten 124 und Metallkontaktschichten 126 eingefügt werden, um den ohmschen Kontakt zwischen den GaN-Schichten 124 und den Metallschichten 126 weiter zu verbessern. Dieser Typ der kontinuierlichen Konzentrationsänderung unter Verwendung von In1–xGaxN ist in den 9 bis 12 dargestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Energiebarriere zwischen dem Valenzband von Al1–xGaxN (erste Schicht 114a) und dem Valenzband von GaN (dritte Schicht 124a) auch durch Verwendung einer Al1–yGayN-Zwischenschicht (zweite Schicht 122) beseitigt werden, die p-leitend dotiert und von y = x an der Al1–xGaxN-Grenzfläche bis zu ein y = 1 an der GaN-Grenzfläche kontinuierlich veränderlich ist. Die p-leitende Dotierung der Al1–yGayN-Zwischenschicht hält beim Übergang des kontinuierlich veränderlichen Materials von Al1–xGaxN nach GaN das Fermi-Niveau εf in der Nähe ihres Valenzbandes. Durch Verwendung des dotierten und kontinuierlich veränderlichen Materials kann die ursprüngliche Valenzbandverschiebung beseitigt werden, da die Gleichgewichts-Fermi-Energie εf in der gesamten Heterostruktur konstant sein muß. Ein Metall 126, wie z. B. Au, Pt, oder ein anderer geeigneter Leiter kann auf die p-leitende GaN-Schicht aufgebracht werden, um einen ohmschen Kontakt für die p-leitende Al1–xGaxN-Schicht herzustellen. Außerdem können gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzliche kontinuierlich veränderliche In1–xGaxN-Schichten vom entsprechenden Leitfähigkeitstyp zwischen den GaN-Schichten 124 und den Metallkontaktschichten 126 eingefügt werden, um den ohmschen Kontakt zwischen den GaN-Schichten 124 und den Metallschichten 126 weiter zu verbessern. Diese Art der kontinuierlichen Konzentrationsänderung unter Verwendung von In1–xGaxN ist in den 9 bis 12 dargestellt.
  • Als Alternative kann ein Schema einer pseudokontinuierlichen Konzentrationsänderung gemäß 4 angewandt werden, das eine AlGaN/GaN-Mehrquantenmuldenstruktur (MQW-Struktur) verwendet, um die Leitungsbandverschiebung zwischen AlGaN und GaN zu verringern oder zu beseitigen. Für die pseudokontinuierliche Konzentrationsänderung ist die gesamte AlGaN/GaN-MQW-Struktur n-leitend mit einem geeigneten Dotierungsmittel zu dotieren, und die Breite der GaN-Quantenmulden in der mehrschichtigen AlGaN/GaN-Struktur sollte von der AlGaN-Grenzfläche zur GaN-Grenzfläche zunehmen. Die Quanteneingrenzung wird dann im Energieniveau des Grundzustands jeder benachbarten GaN-Quantenmulde mit zunehmender Muldendicke abnehmen.
  • Vorzugsweise sollte die an die AlGaN-Schicht angrenzende GaN-Quantenmulde die Dicke einer einzigen monomolekularen Schicht aufweisen (etwa 0,5 nm (5 Å) für das Wachstum in der Basisebene), um den maximalen Energieanstieg des eingegrenzten GaN zu liefern. Eine Folge von GaN-Quantenmulden, die an der GaN-Grenzfläche beginnt und Dicken von 10, 7, 5, 4, 3, 2 und 1 monomolekularen Schichten aufweist, die um etwa 1,5–2,5 nm (15–25 Å) dicke AlN-Barrieren voneinander getrennt sind, ist eine repräsentative Ausführungsform der Schicht 222b. Es sind auch andere Ausführungsformen mit verschiedenen Schichtdicken möglich. Die Verwendung der Quantenmulden (MQW) von unterschiedlicher Dicke vermindert oder beseitigt die ursprüngliche Leitungsbandverschiebung zwischen AlGaN und GaN, da wie zuvor die Gleichgewichts-Fermi-Energie εf in der gesamten mehrschichtigen Heterostruktur konstant sein muß. Die Valenzbandverschiebung zwischen p-leitendem AlGaN und p-leitendem GaN kann auch durch Verwendung von p-leitenden zweiten Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam vermindert oder beseitigt werden.
  • Die Gesamtdicke der zweiten Schicht 122, 222 sollte vorzugsweise so gewählt werden, daß sie die kritische Dicke für pseudomorphes Schichtwachstum nicht übersteigt, jenseits derer Fehlanpassungsversetzungen entstehen können. Die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen bei heteroepitaxialem Wachstum wird von Matthews et al. in einer dreiteiligen Veröffentlichung mit dem Titel "Defects in Epitaxial Multilayers" Journal of Crystal Growth, Bd. 27, S. 118–125, 1974; Journal of Crystal Growth, Bd. 29, S. 273–280, 1975; und Journal of Crystal Growth, Bd. 32, S. 265–273, 1976, diskutiert. Weitere Analysen von Fehlanpassungsversetzungen sind enthalten in der Arbeit von People et al. mit dem Titel "Calculation of Critical Layer Thickness versus Lattice Mismatch for GexSi1–x/Si Strained Layer Heterostructures", Applied Physics Letters, Bd. 47, S. 322–324, 1985, in der Arbeit von Tsao und Dodson mit dem Titel "Excess Stress and the Stability of Strained Heterostructures", Applied Physics Letters, Bd. 53, S. 848–850, 1988, und in der Arbeit von Hu mit dem Titel "Misfit Dislocations and Critical Thickness of Heteroepitaxy", Applied Physics Letters, Bd. 69, S. 7901–7903, 1991.
  • Es können viele weitere alternative Formulierungen der erfindungsgemäßen ohmschen Kontakte vorgesehen werden. Zum Beispiel kann die Leitungsbandverschiebung und/oder Valenzbandverschiebung zwischen InN und GaN durch Verwendung von Schichten aus In1–xGaxN mit kontinuierlicher Konzentrationsänderung beseitigt werden. Alternativ kann ein Schema mit pseudokontinuierlicher Konzentrationsänderung angewandt werden, das eine mehrschichtige AlN/GaN-Struktur verwendet, um die Leitungsbandverschiebung zwischen AlN und GaN zu vermindern oder zu beseitigen. Für pseudokontinuierliche Konzentrationsänderung sollte die gesamte mehrschichtige AlN/GaN-Struktur mit einem geeigneten Dotierungsmittel n-leitend dotiert werden, und die Breite der InN-Quantenmulden in der mehrschichtigen GaN-InN-Struktur sollte von der GaN-Grenzfläche bis zur AlN-Grenzfläche aus den gleichen Gründen wie oben diskutiert abnehmen. Der Fachmann für die Technik der Halbleiterbandabstände wird erkennen, daß sich das obige Schema der pseudokontinuierlichen Konzentrationsänderung grundlegend von dem Verfahren unterscheidet, das von Lin et al. in der Veröffentlichung mit dem Titel "Nonalloyed Ohmic Contacts on GaN using InN/GaN Short-Period Superlattices", Applied Physics Letters, Bd. 64, S. 2557–2559, 1994, beschrieben wurde, und das eine InN-Quantenmulde von konstanter Dicke verwendet.
  • Die Valenzbandverschiebung zwischen p-leitendem GaN und p-leitendem InN kann auch unter Verwendung von ohmschen Kontakten wirksam beseitigt werden, die den oben beschriebenen ähnlich sind, mit der Ausnahme, daß die Schichten in dem ohmschen Kontakt mit einem geeigneten Dotierungsmittel, wie z. B. Mg, p-leitend dotiert sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung können geeignete ohmsche Kontakte auch konstruiert und verwendet werden, um Bandverschiebungen zwischen verschiedenen ternären und/oder quaternären III-V-Nitridlegierungen zu beseitigen, wie z. B. zwischen AlGaN und GaN, AlGaN und InGaN, AlGaN und InAlGaN usw.
  • Die 7A–7C bis 12A–12C zeigen Energiebanddiagramme, die ohmsche Kontakte zwischen verschiedenen Kombinationen von Nitridschichten der Gruppen III-V darstellen.
  • Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Plattform beschrieben. Nach dem Stand der Technik werden Nitridmaterialien der Gruppen III-V auf mehrschichtigen Substraten wie z. B. Saphir oder SiC unter Anwendung der metallorganischen chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD), der Gasphasenepitaxie (VPE), der Atomschichtepitaxie (ALE) oder der Molekularstrahlepitaxie (MBE) gezüchtet, indem zuerst eine Nitridpufferschicht, wie z. B. AlN, eine Al1–yGayN- oder eine GaN-Pufferschicht auf das Substrat aufgebracht wird, um die Keimbildung und das anschließende Wachstum der Nitridmaterialien der Gruppen III-V zu verbessern. Siehe dazu 13. Wie in den 14A und 14B dargestellt, bildet dieses bekannte mehrschichtige Substrat beträchtliche Leitungsbarrieren, ungeachtet der Dicke der Pufferschicht, wenn AlN- oder Al1–xGaxN-Pufferschichten in Verbindung mit einem massiven SiC-Substrat verwendet werden (in den 14A und 14B als Beispiel dargestellt für Schichtstrukturen aus n-leitenden GaN-, AlN- und SiC-Materialien). Wie aus 14A erkennbar, werden bei Verwendung einer dünnen (2–20 nm) (20–200 Å) AlN-Pufferschicht Träger in den Grenzflächenbereich der GaN- und SiC-Materialien übertragen und hinterlassen eine verarmte dünne AlN-Schicht. Als Folge davon entsteht eine sehr hohe Barriere für den Elektronentransport zwischen SiC und GaN. Wenn eine dickere Schicht aus n-leitendem AlN verwendet wird, treten immer noch beträchtliche Barrieren für den Elektronentransport zwischen SiC und GaN auf, wie durch das Energiebanddiagramm von 14B dargestellt. Ähnliche Barrieren existieren, wenn AlGaN als Pufferschicht zwischen GaN und SiC verwendet wird. Außerdem führt die Verwendung einer GaN-Pufferschicht auf SiC zu Rißbildungseffekten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Pufferschicht mit einkristallinem ZnO in einer mehrschichtigen Plattform für das Wachstum von III-V-Nitridmaterialien und Bauelementen verwendet. Zum Aufbringen der Pufferschicht können MOCVD-, ALE-, MBE- und andere Auftragsverfahren angewandt werden, die dem Fachmann für Dünnschichtzüchtung bekannt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Molekularstrahlepitaxie (MBE) angewandt, um eine Pufferschicht aus ZnO auf einem SiC-Substrat zu züchten, mit anschließender MBE-Züchtung eines integrierten Heterostrukturelements (IHD) aus III-V-Nitriden. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Plattform verringert die Leitungsbarrieren wesentlich, wie in den 15, 16A und 16B dargestellt.
  • 15 zeigt bekannte Bandverschiebungen für GaAs, ZnSe und ZnS. Zu beachten ist, daß die Leitungsbänder dieser Materialien eine geringe oder gar keine Energieverschiebung aufweisen, wodurch Elektronen frei zwischen diesen drei Materialien fließen können. ZnSe und ZnS folgen der Regel des gemeinsamen Kations, die feststellt, daß zwischen II-VI-Materialien, die ein gemeinsames Kation aufweisen (in diesem Fall Zn) eine geringe oder gar keine Leitungsbandverschiebung auftritt. Die empirische Regel ist in 15 auf ZnO erweitert worden. Daher können wir die Bandverschiebungen zwischen ZnO und GaAs abschätzen. In Übereinstimmung mit den Banddiagrammen von 2 können wir dann die Bandverschiebungen zwischen SiC, ZnO und GaN abschätzen, die durch die Banddiagramme von 16B dargestellt sind. Zu beachten ist, daß unter Anwendung dieses Verfahrens das ZnO-Leitungsband auf einen Abstand von höchstens etwa 0,4 eV vom Leitungsband von SiC und auf einen Abstand von höchstens ~0,7 eV vom Leitungsband von GaN geschätzt wird. Als Folge davon läßt sich auf Grund der Schätzung erwarten, daß für das Auftreten eines Elektronentransports von SiC über eine Dünnschicht aus ZnO in GaN, wie in 16B dargestellt, eine viel kleinere Energiebarriere zu überwinden ist als beim Elektronenfluß durch eine SiC/AlN/GaN-Heterogrenzfläche (siehe 16A).
  • Wie wieder aus 3 und 5 erkennbar, weist das integrierte Heterostrukturelement 100, 200 ferner eine Plattform 130 auf. Das Substrat 132 weist einkristallines SiC auf. Das Substrat 132 hat im allgemeinen eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 mm. Dementsprechend wird im Hinblick auf gegenwärtig verfügbare Substrate für das epitaxiale Aufwachsen von III-V-Nitriden leitfähiges Siliciumcarbid besonders bevorzugt eingesetzt. Die Plattform 130 weist außerdem eine Pufferschicht 134 auf dem Substrat 132 auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Pufferschicht 134 einkristallines ZnO auf.
  • In letzter Zeit sind Technologien mit schmiegsamen Substraten für Si:Ge demonstriert worden, wie in der Veröffentlichung von A. R. Powell et al. mit dem Titel "New Approach to the Growth of Low Dislocation Relaxed SiGe Material", Applied Physics Letters, Bd. 64, SS. 1856–1858, 1994, beschrieben, und für Halbleiter aus II-VI-Legierungen, wie in der Veröffentlichung von T. Chu et al. mit dem Titel "The Role of Barium in the Heteroepitaxial Growth of Insulators and Semiconductors on Silicon", Material Research Society Symposium Proceedings, Bd. 334, S. 501–506 (1994), beschrieben. Der Grundgedanke hinter diesem Verfahren ist, die mit der Heteroepitaxie ohne Kristallgitteranpassung verbundenen Fehlanpassungsversetzungen in eine sehr dünne, schmiegsame Schicht herunterzudrücken, statt eine Ausbreitung der Defekte nach oben in die interessierende epitaxiale Deckschicht zuzulassen. Auf diese Weise kann das interessierende Material mit viel niedrigerer Versetzungsdichte gezüchtet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Pufferschicht 134 vorzugsweise eine Schicht aus einkristallinem Zinkoxid auf, die typischerweise 2 bis 3000 nm (20–30000 Å) dick ist. Insbesondere weist Zinkoxid verschiedene wünschenswerte Eigenschaften für die Verwendung als schmiegsame Pufferschicht zwischen dem Basissubstrat 132 und dem integrierten Heterostrukturelement aus III-V Nitriden gemäß 3 auf, das aus den Schichten 120b, 110 und 120a besteht. Zinkoxid hat eine hexagonale Kristallstruktur mit Gitterkonstanten (c = 0,5213 nm (5,213 Å), a = 0,3249 nm (3,249 Å)) und Wärmeausdehnungskoeffizienten (Δa/a = 4,8 × 10–6 bei 300 K; Δa/a = 8,3 × 10–6 bei 800 K), die mit denen der III-V-Nitride vergleichbar sind. Sein Bandabstand bei 300 K beträgt 3,3 eV.
  • 17 zeigt eine dritte Ausführungsform eines integrierten Heterostrukturelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie aus 17 erkennbar, bildet das integrierte Heterostrukturelement 300 einen Halbleiter-Elektronenemitter aus Nitridverbindungen der Gruppen III-V zur Emission von Elektronen 302 im Vakuum. Gemäß der Darstellung ist nur ein einziger ohmscher Kontakt 120b vorgesehen, der eine Schicht 122b enthält, eine kontinuierlich veränderliche, n-leitende A11_xGaxN-Schicht, die einen ohmschen Kontakt zwischen dem n-leitenden GaN 124b und dem n-leitenden AlN 114b herstellt. Die 7A–7C zeigen repräsentative Änderungsprofile für die Schicht 122b. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dicke der Schicht 122b so gewählt, daß sie die kritische Dicke für die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen nicht übersteigt, die andernfalls wegen der Gitterfehlanpassung zwischen GaN und AlN auftreten könnten.
  • Der Fachmann wird erkennen, daß das Bauelement 300 ein neues NEA-Element ist, das sich grundsätzlich von früheren NEA-Photokathodenhalbleiterelementen unterscheidet, die auf Verbindungshalbleitern wie z. B. GaAs oder GaP basieren. Das Bauelement 300 ist ein Majoritätsträgerelement, das im Betrieb unter Vakuum Majoritätsträger-Elektronen durch den Vakuumspalt 302 zu einer positiv vorgespannten Anode 126 emittiert, die ein Metall oder Metallgeflecht sein kann.
  • Elektronen fließen von dem negativ vorgespannten Metall 126b durch die Schichten 132, 134, 124b, 122b des Halbleiterelements und in das NEA-Material 114b (n-leitendes AlN), wo sie emittiert werden. Entscheidend für diesen Elektronenfluß, wie er durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird, ist die kontinuierlich veränderliche Schicht 122b, die einen ohmschen Kontakt zwischen n-leitendem GaN 124b und n-leitendem AlN 114b herstellt und dadurch die sehr große (~2,1 eV) Leitungsbandverschiebung zwischen diesen beiden III-IV-Nitridmaterialien beseitigt.
  • Im Gegensatz dazu wird der Fachmann erkennen, daß gegenwärtige NEA-Halbleiterelemente Photokathoden sind, die auf lichtelektrisch erzeugten Minoritätsträger-Elektronen in beleuchtetem, p-leitendem GaAs, GaP oder anderen Halbleitern basieren. Siehe z. B. eine Diskussion von NEA-Photokathodenelementen in Kapitel 57 des Buchs von Kwok, K. Ng mit dem Titel "Complete Guide to Semiconductor Devices", McGraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering, McGraw-Hill (New York, 1995).
  • In den Zeichnungen und der Patentbeschreibung sind typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart worden, und obwohl konkrete Begriffe verwendet werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht zu Einschränkungszwecken benutzt, wobei der Umfang der Erfindung in den nachstehenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims (14)

  1. Plattform (130) zum Ausbilden eines Halbleiterbauelements aus Halbleitermaterialien auf der Plattform, die aus Nitridverbindungen von Elementen der Gruppen III-V bestehen, wobei die Plattform ein Substrat (132) und eine Pufferschicht (134) auf dem Substrat aufweist, derart daß einkristallines Halbleitermaterial aus einer Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V auf der Pufferschicht ausgebildet werden kann, wobei das Substrat einkristallines Siliciumcarbid aufweist; und die Pufferschicht einkristallines Zinkoxid aufweist.
  2. Plattform nach Anspruch 1, wobei das Substrat und die Pufferschicht Dotierungen vom gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  3. Heterostrukturelement (100) mit Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen von Elementen der Gruppen III-V, das ein Substrat (132), eine Pufferschicht (134) auf dem Substrat und eine integrierte Heterostruktur mit Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen von Elementen der Gruppen III-V auf der Pufferschicht aufweist, wobei das Substrat einkristallines Siliciumcarbid aufweist; und die Pufferschicht einkristallines Zinkoxid aufweist.
  4. Heterostrukturelement nach Anspruch 3, wobei die integrierte Heterostruktur einen ohmschen Kontakt (120b) mit Halbleitermaterialien aus Nitridverbindungen von Elementen der Gruppen III-V aufweist.
  5. Heterostrukturelement nach Anspruch 4, das aufweist: eine erste Schicht (114b) mit einem ersten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon, wobei das erste Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon ein erstes Element der Gruppe III und Stickstoff aufweist und eine Dotierung mit einem Leitfähigkeitstyp aufweist; wobei der ohmsche Kontakt auf der ersten Schicht eine zweite Schicht (122b) mit einem Halbleitermaterial aus einer ternären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V aufweist, die eilt erstes Element der Gruppe III, ein zweites Element der Gruppe III und Stickstoff enthält, wobei das Halbleitermaterial aus einer ternären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp und einen kontinuierlichen Übergang aufweist, so daß der Gehalt an dem zweiten Element der Gruppe III von der an die erste Schicht angrenzenden Seite zu der zur ersten Schicht entgegengesetzten Seite kontinuierlich zunimmt; und eine dritte Schicht (124b) mit einem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon, die das zweite Element der Gruppe III und Stickstoff aufweist, auf der zweiten Schicht, wobei das zweite Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die dritte Schicht auf der Pufferschicht aufgebracht ist.
  6. Heterostrukturelement nach Anspruch 5, das ferner aufweist: einen aktiven Elementbereich (112) auf der ersten Schicht.
  7. Heterostrukturelement nach Anspruch 6, das ferner aufweist: eine vierte Schicht (114a) mit dem ersten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon auf dem aktiven Elementbereich, wobei das erste Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon ein erstes Element der Gruppe III und Stickstoff aufweist und eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist; eine fünfte Schicht (122a) mit dem Halbleitermaterial aus einer ternären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V, die das erste Element der Gruppe III, ein zweites Element der Gruppe III und Stickstoff aufweist, auf der vierten Schicht, wobei das Halbleitermaterial aus einer ternären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einen kontinuierlichen Übergang aufweist, so daß der Gehalt an dem zweiten Element der Gruppe III von der an die erste Schicht angrenzenden Seite zu der zur ersten Schicht entgegengesetzten Seite kontinuierlich zunimmt; eine sechste Schicht (124a) mit dem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon, die das zweite Element der Gruppe III und Stickstoff enthält, auf der fünften Schicht, wobei das zweite Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist; und eine Leiterschicht (126a) auf der sechsten Schicht.
  8. Heterostrukturelement nach Anspruch 5, das ferner eine von der ersten Schicht beabstandete Leiterschicht aufweist, wodurch ein Ladungsträgeremissionsweg (302) quer über einen Abstand von der ersten Schicht zur Leiterschicht definiert wird.
  9. Heterostrukturelement nach Anspruch 4, das aufweist: eine erste Schicht (114b) mit einem ersten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon, wobei das erste Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon ein erstes Element der Gruppe III und Stickstoff aufweist und eine Dotierung mit einem Leitfähigkeitstyp aufweist; wobei der ohmsche Kontakt auf der ersten Schicht eine zweite Schicht (222b) mit einer Mehrfachquantenmulde aufweist, die abwechselnde Schichten mit dem ersten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon und mit einem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon aufweist, wobei die abwechselnden Schichten mit dem ersten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon und mit dem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei die Dicke der Schichten mit dem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon von der an die erste Schicht angrenzenden Seite zu der zur ersten Schicht entgegengesetzten Seite zunimmt; und eine dritte Schicht (124b) mit einem zweiten Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon auf der zweiten Schicht, wobei das zweite Halbleitermaterial aus einer binären Nitridverbindung von Elementen der Gruppen III-V oder einer Legierung davon eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die dritte Schicht auf der Pufferschicht aufgebracht ist.
  10. Heterostrukturelement nach Anspruch 4, das aufweist: eine erste Schicht (114b) mit Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid, die eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist; wobei der ohmsche Kontakt eine zweite Schicht (122b) mit Aluminiumgalliumnitrid auf der ersten Schicht aufweist, die eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp und einen kontinuierlichen Übergang aufweist, so daß der Galliumgehalt von der an die erste Schicht angrenzenden Seite zu der zur ersten Schicht entgegengesetzten Seite kontinuierlich zunimmt; und eine dritte Schicht (124b) mit Galliumnitrid oder einer Legierung davon auf der zweiten Schicht, die eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die dritte Schicht auf der Pufferschicht aufgebracht ist.
  11. Heterostrukturelement nach Anspruch 10, das ferner aufweist: einen aktiven Elementbereich (112) auf der ersten Schicht.
  12. Heterostrukturelement nach Anspruch 11, das ferner aufweist: eine vierte Schicht (114a) mit Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid auf dem aktiven Elementbereich, die eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist; eine fünfte Schicht (12a) mit Aluminiumgalliumnitrid auf der vierten Schicht, die eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einen kontinuierlichen Übergang aufweist, so daß der Galliumgehalt von der an die vierte Schicht angrenzenden Seite zu der zur vierten Schicht entgegengesetzten Seite kontinuierlich zunimmt; eine sechste Schicht (124a) mit Galliumnitrid oder einer Legierung davon auf der fünften Schicht, die eine Dotierung mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist; und eine Leiterschicht (126a) auf der sechsten Schicht.
  13. Heterostrukturelement nach Anspruch 10, das ferner eine von der ersten Schicht beabstandete Leiterschicht aufweist, wodurch ein Ladungsträgeremissionsweg (302) quer über einen Abstand von der ersten Schicht zur Leiterschicht definiert wird.
  14. Heterostrukturelement nach Anspruch 4, das aufweist: eine erste Schicht (114b) mit Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid, die eine Dotierung mit einem Leitfähigkeitstyp aufweist; wobei der ohmsche Kontakt eine zweite Schicht (122b) mit einer Mehrfachquantenmulde aus abwechselnden Schichten aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid und aus Galliumnitrid oder einer Legierung davon auf der ersten Schicht aufweist, die eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die Dicke der Schichten aus Galliumnitrid oder einer Legierung davon von der an die erste Schicht angrenzenden Seite zu der zur ersten Schicht entgegengesetzten Seite zunimmt; eine dritte Schicht (124b) mit Galliumnitrid oder einer Legierung davon auf der zweiten Schicht, die eine Dotierung mit dem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die dritte Schicht auf der Pufferschicht aufgebracht ist.
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