DE19523158A1 - Verfahren zur Herstellung von saphirlosen Halbleitern aus einer Nitridverbindung der Gruppe III und durch dieses Verfahren hergestellte Halbleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von zwei epitaxial gezüchteten, saphirlosen Trägern aus einem Halbleiter aus einer Stickstoffverbindung der Gruppe III, auf die durch dieses Verfahren hergestell­ ten Träger und die Herstellung einer LED, die die so hergestellten Träger ver­ wendet.

Es ist bekannt, daß ein Halbleiter aus einer Galliumnitridverbindung (GaN) verwendet werden kann, um eine lichtaussendende Diode (LED, Light Emitting Diode) zu erhalten, die blaues Licht aussendet. Dieser Halbleiter ist brauchbar wegen seiner hohen Lichtausbeute, die sich aus einem direkten Elektronenüber­ gang ergibt, und seiner Fähigkeit, blaues Licht auszusenden, das eine der drei Primärfarben darstellt.

Ein Halbleiter aus einer Stickstoffverbindung der Gruppe III, der der Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0 ist ebenfalls als LED- Material bekannt, das Licht im gesamten sichtbaren kurzen Wellenlängenbe­ reich und im ultravioletten Bereich aussendet. Dieser Halbleiter ist brauchbar, weil er eine Energiebandlücke besitzt, die der Wellenlänge von 200 bis 650 nm entspricht, und die Eigenschaft des direkten Elektronenübergangs besitzt.

Es war allerdings bisher schwierig, einen einkristallinen Halbleiter aus einer Ni­ tridverbindung der Gruppe III im großen Maßstab herzustellen, weil der Gleich­ gewichtsdampfdruck des Stickstoffes als eines der Bestandteile bei der Züch­ tungstemperatur des Halbleiters extrem hoch ist. Deshalb wurde bisher immer ein Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III verwendet, der epita­ xial auf einem Saphirträger gezüchtet worden waren. Insbesondere die LED, die den Halbleiter einsetzt, wurde immer mit einem Saphirträger verwendet, was wegen des Saphirträgers zu strukturellen Begrenzungen bei der Gestaltung der Elektroden, zu Ineffizienz bei der Lichtaussendung und so weiter führt.

Zur Zeit können Elektroden für eine n-Schicht und eine p-Schicht nicht zwischen sich solche Schichten tragen, weil der Träger isolierend ist. Deshalb wurden die Elektroden für solche Schichten ausschließlich auf einer Oberflächenschicht der LED gebildet. Diese strukturellen Beschränkungen erforderten unausweichlich zusätzliche Herstellungsschritte zur Bildung einer Einkerbung, die die zwei Elek­ troden voneinander isoliert, und eines Loches, in dem die Elektrode für die je­ weils untere Schicht der beiden, die p-Schicht oder die n-Schicht, gebildet wird.

Weiter ist es für die LED mit dieser Struktur erforderlich, daß Ströme in die un­ tere Schicht parallel zu ihrer Oberfläche eingeleitet werden. Infolgedessen wird der spezifische Widerstand der LED unerwünscht hoch, wodurch der Span­ nungsabfall erhöht wird und die Joulsche Wärmeenergie, die von der Vorrich­ tung abgegeben wird, vergrößert wird.

Eine einkristalline ZnO-Schicht wurde als Pufferschicht verwendet, die dazu beiträgt, die Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III mit feiner Kristallinität auf dem Saphirträger wachsen zu lassen, indem sie Gitterunter­ schiede aus gleicht. Allerdings ist die Lichtausbeute einer konventionellen LED trotz der feinen Kristallinität jeder Schicht und der Gitterabstimmung zwischen dem Saphirträger und der ZnO-Pufferschicht und zwischen der ZnO-Schicht und dem Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nicht so gut wie er­ wartet.

Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen saphirlosen, einkri­ stallinen Träger aus einem Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III herzustellen, der der Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED herzustellen mit verbesserter Lichtausbeute, die den einkristallinen Träger der ersten Aufgabe einsetzt.

Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur gleich­ zeitigen Herstellung von zwei saphirlosen Trägern bereitgestellt, das die folgen­ den Schritte umfaßt:

• - Bildung einer Zinkoxidschicht (ZnO) auf jeder Seite eines Saphirträgers.
• - Bildung einer Halbleiterschicht, die aus einem Halbleiter aus einer Nitrid­ verbindung der Gruppe III besteht, der der Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN einschließ­ lich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht, auf jeder der ZnO-Schichten.
• - Anätzen der ZnO-Zwischenschichten mit einer Ätzflüssigkeit, die in der Lage ist, nur das ZnO anzuätzen (ZnO-spezifisch). Und
• - Abtrennen der zwei Halbleiterschichten vom Saphirträger, so daß selbsttra­ gende Halbleiterschichten erhalten werden.

Die ZnO-Schicht ist nicht einkristallin, und ihre Dicke wurde so bemessen, daß sie einen Gittercharakter zwischen dem Gitter des Saphirs und dem Gitter des ZnO aufweist. Es ist nämlich die Kristallinität der ZnO-Pufferschicht im Hin­ blick auf ihre Reinheit gestört im Vergleich mit der der konventionellen ZnO- Pufferschicht der konventionellen LED. Allerdings ergeben die Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, die auf der ZnO-Pufferschicht mit dem Zwischengittercharakter hergestellt wurden, eine verbesserte Lichtausbeute. Wei­ ter ermöglicht das Anätzen der ZnO-Zwischenpufferschichten die gleichzeitige Erzeugung von zwei selbsttragenden Halbleitern aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, was einen verkürzten Herstellungsschritt ergibt. Weiter ermöglicht die gleichzeitige Herstellung von zwei Halbleitern die Bildung eines symmetri­ schen Paares von verzerrungsfreien Halbleitern.

Infolgedessen wird ein Wafer aus Halbleitern aus einer Nitridverbindung der Gruppe III mit einer insgesamt feinen Qualität leicht erhalten.

Andere Aufgaben, Besonderheiten und Eigenschaften der Erfindung werden of­ fensichtlich bei Betrachten der folgenden Beschreibung und der beigefügten An­ sprüche unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die gemeinsam einen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden und worin Bezeichnungszahlen ent­ sprechende Teile in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.

Fig. 1 bis 3 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung von zwei saphirlosen GaN-Halbleiterträgern veranschaulichen, die im Ausführungsbei­ spiel beschrieben werden.

Fig. 4 bis 6 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer LED mit dem saphirlosen GaN-Halbleiterträger veranschaulichen, der im Ausfüh­ rungsbeispiel dargestellt ist.

Fig. 7 stellt ein Lichtausbeutecharakteristikdiagramm der LED im Beispiel dar.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine Reihe von Schritten eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung von zwei selbsttragenden, saphirlosen Halbleiterfilmen oder Halb­ leiterschichten aus einer GaN-Verbindung.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wurde ein einkristalliner Saphirträger 1 mit c(0001)-Ausrichtung, der mit einem organischen Waschlösungsmittel, wie zum Beispiel Methylalkohol, gereinigt wurde, auf einem Halter in einer Kammer für das HF-Zerstäuben angebracht. Nachdem die Kammer auf etwa 0,001 Pa (10^-5 Torr) evakuiert worden war, wurde ein Mischgas aus Argon (Ar) und Sau­ erstoff (O₂) in die Kammer eingelassen, um ein ZnO-Target zu zerstäuben. Dadurch wurden ZnO-Zwischenschichten 2a und 2b mit jeweils einer Dicke von 100 nm auf beiden Seiten des Saphirträgers abgeschieden, wie in Fig. 2 dargestellt.

Die Schichten 2a und 2b zeigten eine starke Orientierung in Richtung der c-Achse.

Der Saphirträger, der zwischen den ZnO-Schichten 2a und 2b eingeschlos­ sen war, wurde in eine Kammer für die Behandlung mit der Hydridgas­ phasenepitaxie eingebracht. Nach dem Evakuieren der Kammer wurde Ni­ tridgas in die Kammer eingeleitet und der Saphirträger 1 auf 1000°C er­ hitzt, was eine geeignete Temperatur für das Wachstum einer einkristalli­ nen GaN-Schicht auf jeder der Zwischenschichten 2a und 2b darstellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Orientierungsgrad der ZnO-Schichten 2a und 2b zwischen dem Saphirträger 1 und den GaN-Schichten 3a und 3b verbes­ sert, was es der GaN-Schicht erlaubte, jeweils darauf zu wachsen.

GaCl, das durch die Reaktion von Ga und Chlorwasserstoffgas (HCl) bei hoher Temperatur hergestellt wurde, wurde als Rohmaterial für das Galli­ um (Ga) eingesetzt. NH₃ wurde als Rohmaterialgas für den Stickstoff (N) verwendet. GaCl und NH; wurden über beiden Oberflächen des Saphirträ­ gers 1 ausgeblasen, um GaN-Wachstum zu ermöglichen. Wie in Fig. 3 dar­ gestellt, wurden durch fünf Stunden langes Wachstum GaN-Halbleiter­ schichten 3a und 3b mit jeweils 300 µm Dicke auf jeder der ZnO-Zwischen­ schichten 2a und 2b hergestellt, die den Saphirträger 1 zwischen sich ein­ schlossen.

Dann wurde der Saphirträger mit den ZnO-Schichten 2a und 2b und den GaN-Halbleiterschichten 3a und 3b darauf in eine Ätzlösung aus Salzsäure getaucht. Dann wurde die Ätzlösung auf 60°C erhitzt. Die ZnO-Zwischen­ schichten 2a und 2b wurden mit einer 10 Minuten langen Behandlung in einer Ultraschallwaschvorrichtung weggeätzt. Dadurch wurden die GaN- Halbleiterschichten 3a und 3b vom Saphirträger 1 durch Auflösen der ZnO- Zwischenpufferschichten abgetrennt. Beide der so erhaltenen GaN-Halblei­ terschichten 3a und 3b wiesen Leitfähigkeit von n-Typ auf, mit einer Elek­ tronenkonzentration von etwa 3 × 10¹⁷/cm³ und einer Elektronenmobilität von etwa 400 cm²/V·s bei Raumtemperatur.

Die Dicke der ZnO-Pufferschicht betrug in dieser Ausführungsform 100 µm. Al­ ternativ kann die Dicke im Bereich von 10 nm bis 1 µm variiert werden. Es ist nicht bevorzugt, eine dünnere ZnO-Pufferschicht als mit einer Dicke von 10 nm zu verwenden, weil sie zu dünn ist, um als effektive Pufferschicht zu funktionie­ ren. Es ist nicht bevorzugt, eine dickere ZnO-Pufferschicht als mit einer Dicke von 1 µm zu verwenden, weil sie zu dick ist, um Gittercharakter zu zeigen zwi­ schen dem Saphir und dem ZnO.

Dann wurde eine LED 10 (Fig. 6) auf einer der GaN-Halbleiterschichten 3a und 3b mit 300 µm Dicke als Träger 3 hergestellt durch Gasphasenwachstum, ge­ nannt metallorganische Gasphasenepitaxie, im folgenden als MOCVD bezeich­ net.

Die in diesem Prozeß eingesetzten Gase waren Ammoniak (NH₃), ein Trägergas (H₂), Trimethylgallium (Ga(CH₃)₃, im folgenden als TMG bezeichnet), Trimethyl­ aluminium (Al(CH₃)₃, im folgenden als TMA bezeichnet), Silan (SiH₄), Dicyclo­ pentadienylmagnesium (Mg(C₅H₅)₂, im folgenden als Cp₂Mg bezeichnet) und Die­ thylzink (im folgenden als DEZ bezeichnet).

Ein gemäß vorstehend beschriebenem Verfahren hergestellter GaN-Halbleiter­ träger 3 wurde auf einen Halter in einer Reaktionskammer für die MOVPE- Behandlung angebracht. Nach Evakuieren der Kammer wurden H₂ und NH₃ eingelassen und die Temperatur des GaN-Halbleiterträgers 3 auf 1000°C ge­ bracht. Das zugegebene NH₃-Gas ist unerläßlich, um zu verhindern, daß GaN- Moleküle im GaN-Halbleiterträger 3 in das Innere der Kammer sublimieren.

Dann wurde eine 1 µm dicke GaN-Pufferschicht 4 vom n-Typ auf dem GaN-Halb­ leiterträger 3 gebildet, wie in Fig. 4 dargestellt, unter den Bedingungen, daß 20 min lang H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min, NH₃ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 l/min, TMG mit einer Strömungsgeschwindig­ keit von 1,7 × 10^-4 mol/min und mit H₂ auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 200 ml/min ein geleitet wurden.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wurde eine 0,5 µm dicke GaN-i-Schicht 5 auf der GaN- Pufferschicht 4 gebildet unter den Bedingungen, daß die Temperatur der GaN- Halbleiterschicht 3 bei 900°C gehalten wurde und 10 min lang H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min, NH₃ mit einer Strömungsgeschwindig­ keit von 10 l/min, TMG mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,7 × 10^-4 mol/min und Cp₂Mg mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 × 10^-7 mol/min eingeleitet wurden. Auf dieser Stufe blieb die i-Schicht 5 isolie­ rend.

Dann wurden Elektronenstrahlen einheitlich unter Verwendung eines Diffrakti­ onsgerätes mit reflektierendem Elektronenstrahl in die i-Schicht 5 eingestrahlt. Die Bestrahlungsbedingungen wurden auf 10 kV für die Beschleunigungsspan­ nungen, 1 µA für den Probenstrom, 0,2 mm/sec für die Geschwindigkeit des Ab­ taststrahls, 60 µm für den Durchmesser der Strahlkrümmung und 0,0028 Pa (2,1 × 10^-5 Torr) für das Vakuum festgelegt. Diese Strahlung verwandelte die isolierende i-Schicht 5 mit einem spezifischen Widerstand von 10⁸ Ω·cm oder mehr in eine Halbleiterschicht mit Leitung von p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ω·cm. Dadurch wurde eine p-Schicht 5 mit Leitung vom p-Typ erhalten. Entsprechend wurde ein Wafer mit Mehrstrukturschichten er­ halten, wie in Fig. 5 dargestellt.

Wie in Fig. 6 dargestellt, wurden zwei Elektroden 6 und 7 mit jeweils 1 mm Durchmesser durch Dampfabscheidung gebildet. Die Elektrode 6 wurde aus Aluminium (Al) auf dem GaN-Halbleiterträger 3 mit n-Schichtcharakter gebil­ det. Die Elektrode 7, die aus Gold (Au) hergestellt wurde, wurde auf der p- Schicht 5 gebildet.

Der Serienwiderstand der so erhalten den LED 10 mit PN-Funktion wurde klein, wie gefunden wurde. Obwohl eine konventionelle LED, die ein Loch, das sich von der Oberfläche der p-Schicht 5 zur n-Schicht 3 erstreckt, und eine in diesem Loch gebildete Elektrode für die n-Schicht 3 besitzt, einen Serienwiderstand von 50 Ω in der Verbindung der n-Schicht 3 und der n-Schicht 4 besitzt, besitzt die erfin­ dungsgemäße LED 10 einen entsprechenden spezifischen Widerstand von 0,2 Ω. Der spezifische Widerstand der erfindungsgemäßen LED 10 verringerte sich also auf 1/250 des Widerstandes der konventionellen LED.

Fig. 7 zeigt eine Lichtausbeutecharakteristik der LED 10 bei einer Ansteuerung mit einem Strom von 10 mA. Die LED 10 besitzt ein Leistungsmaximum bei der Wellenlänge von 450 nm und strahlt blaues Licht aus. Weiter wurde gefunden, daß die Leuchteffektivität der LED 10 zwei mal so groß war wie die der konven­ tionellen LED.

Die Dicke der ZnO-Zwischenschichten 2a und 2b betrugen in der Erfindung je­ weils 100 nm. Alternativ kann die Dicke in einem Bereich von 10 nm bis 1 µm liegen.

Die LED 10 mit einer PN-Verbindungsstruktur wurde in der vorliegenden Erfin­ dung eingesetzt. Alternativ kann eine LED mit PIN-Struktur oder auch mit MIS- Struktur verwendet werden.

Die GaN-Schicht 3 wurde als Träger der LED 10 in der vorliegenden Erfindung verwendet. Alternativ kann InGaN oder AlGaN als Träger eingesetzt werden.

Weiter kann eine LED mit einer Heterosperrschichtstruktur, die aus heteroge­ nen Halbleitermaterialien hergestellt wurden, alternativ verwendet werden.

Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was zur Zeit als die am besten in die Praxis umzusetzende und am weitesten bevorzugte Aus­ führungsform betrachtet wird, ist klar, daß die Erfindung nicht auf die offenbar­ ten Ausführungsformen begrenzt werden soll, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, die dem Geist und dem Umfang der beigefügten Ansprüche entsprechen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von saphirlosen Halbleiterfilmen aus Galliumnitrid (GaN), dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

• - Bildung einer Zinkoxidschicht (ZnO) auf jeder Seite eines Saphirträgers,
• - Bildung einer Halbleiterschicht, die aus einem Halbleiter aus einer Nitrid­ verbindung der Gruppe III besteht, der der Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN einschließ­ lich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht, auf jeder der ZnO-Schichten,
• - Anätzen der ZnO-Schichten mit einem ZnO-spezifischen Ätzmittel und
• - Abtrennen der zwei Halbleiterschichten vom Saphirträger.

2. Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß zu seiner Herstellung folgende Schritte durchgeführt werden:

• - Bildung einer Zinkoxidschicht (ZnO) auf jeder Seite eines Saphirträgers,
• - Bildung einer Halbleiterschicht, die aus einem Halbleiter aus einer Nitrid­ verbindung der Gruppe III besteht, der der Formel Al_xGa_yIn_1-x-yN einschließ­ lich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht, auf jeder der ZnO-Schichten,
• - Anätzen der ZnO-Schichten mit einem ZnO-spezifischen Ätzmittel und
• - Abtrennen der zwei Halbleiterschichten vom Saphirträger.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die ZnO-Schichten jeweils eine Dicke von 10 nm bis 1 µm besitzen.

4. Halbleiter nach Anspruch 2, worin die ZnO-Schichten jeweils eine Dicke von 10 nm bis 1 µm besitzen.