DE102006040479A1

DE102006040479A1 - Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung

Info

Publication number: DE102006040479A1
Application number: DE102006040479A
Authority: DE
Inventors: Rak Jun Choi; Sakai Shiro; Naoi Yoshiki
Original assignee: University of Tokushima NUC; Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: University of Tokushima NUC; Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-03-22
Also published as: JP2007067114A; US20100055883A1; TW200802958A; US20070045654A1; US7687814B2; KR20070025939A; JP4939014B2; US7955957B2; TWI331813B; KR100735288B1

Abstract

Offenbart wird eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm hoher Qualität und eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung, für welche dieser verwendet wird. Um den Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm zu erhalten, wird eine AllnN-Pufferschicht auf einem (1-102)-plane ( so genanntes r-plane) Saphirsubstrat unter Verwendung eines MOCVD-Gerätes unter atmosphärischem Druck gebildet, wobei die Temperatur des Substrates in einem Bereich von 850 bis 950 DEG C gehalten wird und dann eine GaN-basierte Verbindung wie beispielsweise GaN, AlGaN oder Ähnliches bei einer hohen Temperatur epitaxial auf der Pufferschicht wachsen gelassen wird. Die Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung wird unter Verwendung des Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms als Grundschicht hergestellt.

Description

Für diese Anmeldung wird die Priorität der japanischen Anmeldung Nr. 2005-00250185, angemeldet am 30. August 2005, beansprucht, auf der sie basiert und deren Offenbarung vollständig durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung, und insbesondere einen Dünnfilm, welcher als Grundschicht für das epitaxiale Wachstum GaN-basierter Verbindungen auf diesem dient.

Gruppe III-Nitrid Halbleiter, insbesondere GaN-basierte Verbindungen, weisen die Fähigkeit auf, über einen breiten Bereich eine Energielücke zu steuern, indem ihr Zusammensetzungsverhältnis reguliert wird. Als Beispiel dienen GaN-basierte Verbindungen, welche die Formel Al_xIn_yGa_(1-x-y)N aufweisen (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x=y=0 ist), als Direktumwandlungshalbleiter fungieren und eine Energielücke im Bereich von 0,7-0,8 eV bis 6,2 eV aufweisen. Demgemäß wird verständlich, dass es durch Verwendung GaN-basierter Verbindungen bei dem Bilden einer aktiven Schicht möglich wird, eine Leuchtvorrichtung herzustellen, die in der Lage ist, Licht in allen Farben im sichtbaren Bereich von rotem Licht bis zu ultraviolettem Licht zu emittieren.

Um GaN-basierte Verbindungen auf eine Leuchtvorrichtung aufzutragen, ist es erforderlich, dass ein Dünnfilm über eine hohe Qualität verfügt und eine hohe Leuchteffizienz aufweist hinsichtlich der Form oder Lebensdauer von Produkten. Wie bekannt ist, weisen GaN-basierte Verbindungen eine hexagonale Wurtzitstruktur auf, und die kleine Gitterkonstante von GaN-basierten Verbindungen zeigt einen großen Unterschied zu anderen Hauptgruppenhalbleitern (Gruppe III-V-Verbindung-Halbleiter, (Gruppe-II-VI-Verbindung-Halbleiter etc.). Es ist schwierig, die sehr kleine Gitterkonstante an die Gitterkonstante eines Substratkristalls anzupassen. Im Allgemeinen wird, wenn sich die Gitterkonstante eines Substratkristalls von der Gitterkonstante eines epitaxial auf einem Substratkristall zu wachsenden Kristall unterscheidet, die sich ergebende Wachstumsschicht leicht durch Druckbiegen oder Zugbiegen beeinträchtigt und neigt dazu, nachteiligerweise elastische Biegeenergie in sich zu sammeln. Obwohl die elastische Energie in einem zulässigen Bereich ist, wenn die Wachstumsschicht dünn ist, kann sie ein elektrisches Potenzial erzeugen, wenn die Dicke der Wachstumsschicht einen bestimmten Wert übersteigt; wodurch Gitterrelaxation verursacht wird, was eine große Anzahl von elektrischen Potentialdefekten in der Wachstumsschicht zur Folge hat. Aus diesem Grund ist das Wählen eines Substrats beim Wachstum von GaN-basierten Verbindungen von Bedeutung.

Herkömmlich wurde ein c-plane Saphirsubstrat als Substrat zum Wachsen von GaN-basierten Verbindungen verwendet, da es eine Gitterkonstante aufweist, die der von GaN am nächsten ist. Jedoch weist die Gitterkonstante des c-plane Saphirsubstrats immer noch einen Unterschied von ungefähr 15% zu der von GaN auf. Um die Wirkung des Gitterversatzes zu mildern, wurde eine Pufferschicht zwischen dem Saphirsubstrat und einer Wachstumsschicht gebildet. Heutzutage ist die Qualität der Pufferschicht ein wesentlicher Faktor für die Bestimmung der Qualität einer Wachstumsschicht auf der Pufferschicht. Eine Vielfalt an Pufferschichten wurde als Ergebnis fortgesetzter Forschung und Entwicklung vorgeschlagen (Bezug japanische Patentveröffentlichungen Nrn. Heisei 10-242586 und 9-227298).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Obwohl eine (0001)-Ebene (so genannte c-plane) allgemein als Ebene eines Saphir-Substrates verwendet wurde, kann es schwierig sein, geben, die Qualität einer Schichtwachstums-Basis durch Verwendung von Kombinationen der c-plane und einer Vielfalt von Pufferschichten zu verbessern.

Des Weiteren wird in dem Fall, dass ein c-plane Saphir als Kristallisierungssubstrat verwendet wird, eine GaN-basierte Verbindungsschicht (nachfolgend als GaN-basierte Wachstumsschicht bezeichnet) auf dem Substrat in c-Achsen-Richtung wachsen gelassen und zeigt bemerkenswerte c-Achsen-Eigenschaften in dessen Dickenrichtung. Es ist bekannt, dass GaN-basierte Verbindungen eine starke Polarisationseigenschaft (Piezoelektrizität) in Richtung der c-Achse aufweisen. Wenn die GaN-basierte Wachstumsschicht als aktive Schicht verwendet wird, bewirkt die Polarisationseigenschaft GaN-basierter Verbindungen jedoch, dass sich Träger an den am weitesten oben und unten gelegenen Flächen der GaN-basierten Wachstumsschicht konzentrieren, was eine Verschlechterung der Injektionseffizienz von Trägern zur Folge hat. Somit ist es erforderlich, die aktive Schicht ausreichend dünn herzustellen, um den Polarisationseffekt zu mindern. Ein derartiges Erfordernis einer ausreichend dünnen aktiven Schicht, oder anders formuliert das Erfordernis einer Technik zum Bilden einer aktiven Schicht mit einer hohen Genauigkeit, hat jedoch mehrere Nachteile zur Folge, wie beispielsweise Verschlechterung in der Ausbeute von Produkten und teure Herstellungsausrüstung.

Aus diesem Grund wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der oben genannten Probleme gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine ausstehende Entwicklung beim Bilden einer nicht von der Verwendung eines c-plane Saphirsubstrats abhängigen GaN-basierten Wachstumsschicht durchzuführen, wodurch eine Verbesserung der Qualität der GaN-basierten Wachstumsschicht erzielt wird.

Gemäß einem ersten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden, indem ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm vorgesehen ist, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Pufferschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und aus AlInN ist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.

Gemäß einem zweiten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden, indem ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm vorgesehen ist, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Pufferschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist; eine Zwischenschicht, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und gebildet wird, indem zwei oder mehr Multiebenenschichten übereinander gestapelt werden, wobei jede Multiebenenschicht eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht; die auf der Pufferschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.

Gemäß einem dritten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden, indem ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm vorgesehen ist, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Zwischenschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und gebildet wird, indem zwei oder mehr Multiebenenschichten übereinander gestapelt werden, wobei jede Multiebenenschicht eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.

Gemäß einem vierten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden, indem eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung vorgesehen ist, welche einen der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilme gemäß dem ersten bis dritten Gegenstand der vorliegenden Erfindung aufweist.

Gemäß einem fünften Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden, durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, welches umfasst: Bilden einer Pufferschicht aus AlInN auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei die Temperatur des Saphirsubstrats in einem Bereich von 850°C bis 950°C gehalten wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Pufferschicht, wobei die Temperatur des Saphirsubstrats höher gehalten wird als die Temperatur des Saphirsubstrats während des Bildens der Pufferschicht.

Gemäß einem sechsten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, welches umfasst: Bilden einer Pufferschicht aus Gruppe III-Nitrid auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei das Saphirsubstrat bei einer ersten Temperatur gehalten wird; Bilden einer Zwischenschicht auf der Pufferschicht, wobei die Zwischenschicht zwei oder mehr Multiebenenschichten aufweist, die erhalten werden, indem wiederholt die Multiebenenschicht, die eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist, gebildet wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Zwischenschicht, wobei das Saphirsubstrat auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur ist.

Gemäß einem siebten Gegenstand der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und andere Ziele erreicht werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, welches umfasst: Bilden einer Zwischenschicht auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei die Zwischenschicht zwei oder mehr Multiebenenschichten aufweist, die erhalten werden, indem wiederholt die Multiebenenschicht, die eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist, gebildet wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Zwischenschicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der folgenden genauen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht ist, welche einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren zum Bilden des Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A ein Foto eines Rasterelektronenmikroskops (SEM = Scanning Electron Microscope) ist, welches eine Oberfläche einer GaN-Schicht darstellt, die basierend auf den in 2 dargestellten Schichtwachstumsbedingungen erhalten wurde;
3B ein Diagramm ist, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der basierend auf den in 2 dargestellten Schichtwachstumsbedingungen erhaltenen GaN-Schicht darstellt;
4 ein Foto eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) ist, welches einen Querschnitt des basierend auf den in 2 dargestellten Schichtwachstumsbedingungen erhaltenen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms darstellt;
5 ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer undotierten GaN-Schicht darstellt, die auf einer GaN-Pufferschicht wachsen gelassen wurde, welche wiederum auf einem r-plane Saphirsubstrat gewachsen wurde;
6 ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer undotierten GaN-Schicht darstellt, welche auf einer AlN-Pufferschicht wachsen gelassen wurde, welche wiederum auf einem r-plane Saphirsubstrat gewachsen wurde;
7 eine schematische seitliche Schnittansicht ist, welche einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 eine schematische seitliche Schnittansicht ist, welche eine Zwischenschicht eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren zum Bilden des Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ein Zeitdiagramm eines gepulsten Atomlagen-Epitaxieverfahrens (PALE = pulsed atomic layer epitaxy) zum Wachsen einer Ga/N/GaN-Multischicht ist;
11A ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer GaN-Schicht darstellt, die auf einer aus einer Ga/N/GaN-Multischicht bestehenden Zwischenschicht wachsen gelassen wurde;
11B ein Diagramm ist, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 11A dargestellten Probe einer GaN-Schicht darstellt;
12A ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer Hochtemperatur-GaN-Schicht darstellt, die auf einer Niedrigtemperatur-Pufferschicht wachsen gelassen wurde;
12B ein Diagramm ist, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 12A dargestellten Probe einer GaN-Schicht darstellt;
13 ein Zeitdiagramm eines gepulsten Atomlagen-Epitaxieverfahrens (PALE = pulsed atomic layer epitaxy) zum Wachsen einer Al/In/Ga/N-Multischicht ist;
14A ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer GaN-Schicht darstellt, die auf einer Al/In/Ga/N-Zwischenschicht wachsen gelassen wurde;
14B ein Diagramm ist, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 14A dargestellten Probe einer GaN-Schicht darstellt;
15 eine schematische seitliche Schnittansicht ist, welche einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm darstellt, der eine Zwischenschicht aufweist, die als Pufferschicht dient;
16A ein SEM-Foto ist, welches eine Oberfläche einer GaN-Schicht darstellt, welche auf einer Zwischenpufferschicht wachsen gelassen wurde, die auf einer Al/In/Ga/N-Multischicht besteht;
16B ein Diagramm ist, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 16A dargestellten Probe einer GaN-Schicht darstellt; und
17 eine schematische seitliche Schnittansicht ist, welche eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt sind und das Verhältnis von Dicke und Breite in jedem Teil, das Größenverhältnis verschiedener Teile etc. von tatsächlichen Werten abweichen können und dass gleiche Teile in allen beigefügten Zeichnungen, falls erforderlich, in unterschiedlichen Größen oder Verhältnissen miteinander dargestellt sein können.
(Erste Ausführungsform )
Nun wird ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Kurz gesagt weist der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der ersten Ausführungsform ein (1-102)-plane (so genanntes r-plane) Saphirsubstrat, eine AlInN-Pufferschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, und eine Gruppe III-Nitrid Wachstumsschicht auf, die auf der Pufferschicht gebildet ist. Hier stellt "–1" des Begriffs (1-102) eine mit einem Strich versehene "1" dar. Dies soll als Index für eine Spiegelung auf die gleiche Weise wie oben dargestellt stehen. In der folgenden Beschreibung, die sich auf die erste Ausführungsform bezieht, wird eine GaN-Schicht als Beispiel für die Gruppe III-Nitrid Wachstumsschicht verwendet.
1 ist eine schematische seitliche Schnittansicht, welche einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. In 1 weist der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, welcher mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet ist, ein r-plane Saphirsubstrat 110, eine AlInN-Pufferschicht 120, die auf dem Saphirsubstrat 110 gebildet ist, und eine undotierte GaN-Schicht 130 auf, die auf der AlInN-Pufferschicht 120 gebildet ist.
Der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 100 wurde mit dem folgenden Herstellungsverfahren erhalten, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde. 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Herstellungsverfahren, insbesondere einen Vorgang zum Bilden einer GaN-Wachstumsschicht, darstellt. Nachdem das r-plane Saphirsubstrat 110, welches ein Einkristallsubstrat ist, hergestellt und unter Verwendung einer sauberen Lösung gewaschen wurde, wurde das gewaschene r-plane Saphirsubstrat 110 in eine Reaktionskammer eines MOCVD- (MOCVD = metal organic chemical vapor deposition; metallorganische Gasphasenabscheidung) Geräts eingebracht. Als Startvorgang in der Reaktionskammer wurde auf dem Saphirsubstrat 110 für ungefähr 10 Minuten unter der Atmosphäre einer geeigneten Durchflussrate von Wasserstoff ein Glühvorgang durchgeführt, wobei die Temperatur des Substrats 110 auf 1150°C gehalten wird (Schritt S101).
Anschließend wurden, um die AlInN-Pufferschicht 120 auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 wachsen zu lassen, Wasserstoff und Stickstoff, welche als Trägergas dienen, mit Flussraten von jeweils 18 Standardlitern pro Minute (SLM) und 15 SLM in die Reaktionskammer eingebracht, und Ammoniak (NH₃), Trimethylaluminium (TMA) und Trimethylindium (TMI), welche als Rohmaterialgas dienen, wurden mit Flussraten von jeweils 1 SLM, 43 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (SCCM) und 300 SCCM eingebracht. In diesem Fall wurde die Temperatur des Substrats auf 850 °C gehalten und die Wachstumszeit betrug 4 Minuten. Dadurch wurde die AlInN-Pufferschicht mit einer Dicke von ungefähr 4,4 nm erhalten (Schritt S102). Insbesondere wurde die AlInN-Pufferschicht 120 unter atmosphärischem Druck wachsen gelassen.
Danach wurden, um eine Hochtemperatur-Epischicht, namentlich eine undotierte GaN-Schicht, auf der AlInN-Pufferschicht 120 wachsen zu lassen, Wasserstoff und Stickstoff, die als Trägergas dienen, in die Reaktionskammer mit Flussraten von jeweils 11,6 SLM und 14 SLM in die Reaktionskammer eingebracht, und Ammoniak (NH₃) und Trimethylgallium (TMG), welche als Rohmaterialgas dienen, wurden mit Flussraten von jeweils 10 SLM und 45 SCCM eingebracht. In diesem Fall wurde die Temperatur des Substrats auf 1100 °C gehalten und die Wachstumszeit betrug 50 Minuten. Dadurch wurde eine GaN-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 6,8 μm erhalten (Schritt S103). Gleichzeitig wurde die GaN-Schicht unter atmosphärischem Druck wachsen gelassen.
3A ist ein Foto eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), welches die Oberfläche der GaN-Schicht 130 darstellt, die durch die oben beschriebenen Schichtwachstumsbedingungen erhalten wurde. Im Unterschied zu einer herkömmlichen GaN-Schicht, bei welcher elektrische Potentialdefekte als dreieckige Morphologie beobachtet werden, konnte aufgrund des SEM-Fotos aus 3A bestätigt werden, dass keine sichtbare Morphologie vorliegt.
3B ist ein Diagramm, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der durch die oben beschriebenen Schichtwachstumsbedingungen erhaltenen GaN-Schicht 130 darstellt. Wie in 3B dargestellt, weist die GaN-Schicht 130 eine geringe Halbwertsbreite (FWHM = full width at half maximum) von ungefähr 518 Bogensekunden auf. Aus diesem Punkt wird offensichtlich, dass die GaN-Schicht 130 eine sanfte Kristallachsenneigung bezogen auf das Saphirsubstrat 110 aufweist. Des Weiteren könnte offenbar werden, dass die GaN-Schicht 130 auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 entlang dessen a-Achse gewachsen ist. Mit anderen Worten ist eine c-Achse der GaN-Schicht 130 parallel zu dem Substrat und wird in dessen Dickenrichtung nicht von Piezoelektrizität betroffen.
4 ist ein Foto eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM), welches den Querschnitt des Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms 100 darstellt, der durch die oben beschriebenen Schichtwachstumsbedingungen erhalten wurde. Wie aus dem TEM-Foto ersichtlich wird, beträgt die Dicke der gewachsenen GaN-Schicht 130 ungefähr 6,8 μm.
5 ist ein SEM-Foto, welches eine Oberfläche der undotierten GaN-Schicht darstellt, die auf einer GaN-Pufferschicht gewachsen ist, wenn die GaN-Pufferschicht auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 statt auf der AlInN-Pufferschicht 120 gewachsen ist. Nach Vervollständigung eines Glühvorgangs basierend auf den in Schritt S101 aus 2 dargestellten Bedingungen wird die Temperatur des Substrats in einem Bereich von 480 °C bis 700 °C gehalten, und die Wachstumszeit wurde auf 7,3 Minuten eingestellt, um eine Schichtdicke von 23 nm zu erhalten. In dem SEM-Foto aus 5 ist das beste Ergebnis dargestellt, wenn die durch die oben beschriebenen Schichtwachstumsbedingungen erhältliche GaN-Pufferschicht verwendet wird. Die Wachstumsbedingungen der GaN-Pufferschicht wurden unter Bezugnahme auf die Wachstumsbedingungen bestimmt, wenn eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht auf einem c-plane Saphirsubstrat wachsen gelassen wird.
6 ist ein SEM-Foto, welches eine Oberfläche der undotierten GaN-Schicht darstellt, die auf einer AlN-Pufferschicht gewachsen ist, wenn die AlN-Pufferschicht auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 anstatt auf der AlInN-Pufferschicht 120 gewachsen ist. Nach Vervollständigung eines Glühvorgangs basierend auf den in Schritt S101 aus 2 dargestellten Bedingungen wurde die Temperatur des Substrats in einem Bereich von 850 °C bis 1050 °C gehalten, und die Wachstumszeit wurde im Bereich von 30 Sekunden bis 10 Minuten reguliert. Das SEM-Foto aus 6 stellt das beste Ergebnis dar, wenn die AlN-Pufferschicht verwendet wurde, unter der Bedingung, dass die Wachstumszeit auf 4 Minuten reguliert wurde (die Dicke der Schicht liegt in einem Bereich von 4 nm bis 10 nm). Die Wachstumsbedingungen der AlN-Pufferschicht wurden unter Bezug auf Wachstumsbedingungen bestimmt, wenn eine Niedrigtemperatur-AlN-Pufferschicht auf einem c-plane Saphirsubstrat gewachsen ist.
Anhand der SEM-Fotos aus 5 und 6 konnte bestätigt werden, dass die Oberfläche der undotierten GaN-Schicht eine Anzahl dreieckiger Morphologien aufweist, welche elektrische Potenzialdefekte darstellen, wenn eine beliebige der GaN-Pufferschichten und AlN-Pufferschichten auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 gewachsen ist und die undotierte GaN-Schicht wiederum auf der Pufferschicht gewachsen ist. Als Schlussfolgerung ist, in dem Fall, dass die GaN-Pufferschicht oder AlN-Pufferschicht als Pufferschicht auf dem r-plane Saphirsubstrat 110 verwendet wird, die Oberfläche der auf der Pufferschicht gewachsenen GaN-Schicht von geringer Qualität. Dementsprechend ist es, wie aus dem oben genannten Ergebnis hervorgeht, wünschenswert, die AlInN-Pufferschicht 120 zwischen das r-plane Saphirsubstrat 110 und eine Wachstumsschicht auf diese zu legen, um eine Hochtemperatur-Epischicht von hoher Qualität zu erhalten.
Obwohl mehrere Arten von Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilmen 100, welche das r-plane Saphirsubstrat 110, die AlInN-Pufferschicht 120 und die GaN-Schicht 130 aufweisen, erhalten wurden, indem die Temperatur des Substrats in einem Bereich von 700 °C bis 1100 °C auf Basis der Wachstumsbedingungen der AlInN-Pufferschicht 120 geändert wurde, wurde das beste Ergebnis erhalten, wenn die Temperatur des Substrats im Bereich von 850 °C bis 950 °C lag. Ebenfalls wurde ersichtlich, dass die Dicke der AlInN-Pufferschicht 120 vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 100 nm, und noch bevorzugter im Bereich von 1 nm bis 20 nm, liegt.
Wie oben angegeben, kann gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Bilden einer AlInN-Pufferschicht auf einem r-plane Saphirsubstrat auf diesem eine GaN-Schicht von hoher Qualität wachsen gelassen werden. Insbesondere wird die GaN-Schicht entlang einer a-Achse auf dem r-plane ausgerichteten Saphirsubstrat wachsen gelassen und weist somit keine Polarisation in ihrer Dickenrichtung auf, was nachteiligerweise verursacht wird, wenn ein c-plane Saphirsubstrat verwendet wird. Dadurch wird verhindert, dass eine Polarisation in einer GaN-basierten aktiven Schicht bewirkt wird, wenn die GaN-basierte aktive Schicht auf einer Oberfläche der GaN-Schicht wächst, und hat konsequenterweise die Wirkung, eine Erhöhung der Dicke der aktiven Schicht zu ermöglichen. Durch eine solche Erhöhung der Dicke der aktiven Schicht wird ermöglicht, die Bildungsgenauigkeit der aktiven Schicht zu verbessern. Das heißt, dass die Ausbeute von Produkten verbessert werden kann, und GaN-basierte Halbleitervorrichtungen hoher Qualität können durch Verwendung preisgünstiger Ausrüstung, welche keine hoch genaue Steuerung erfordert, hergestellt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Nun wird ein Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Obwohl der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm der zweiten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine Gruppe III-Nitrid Wachstumsschicht (Hochtemperatur-Epischicht) auf einem r-plane Saphirsubstrat gebildet wird, zu dem zuvor in der ersten Ausführungsform beschriebenen identisch ist, ist ein Unterschied in der Struktur einer zwischen das Saphirsubstrat und die Hochtemperatur-Epischicht gelegten Schicht vorhanden. In der folgenden Beschreibung bezogen auf die zweite Ausführungsform wird auf gleiche Weise eine GaN-Schicht als Beispiel einer Gruppe III-Nitrid Wachstumsschicht gewählt.
7 ist eine schematische seitliche Schnittansicht, welche den Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In 7 weist der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der zweiten Ausführungsform, welcher mit Bezugsziffer 200 gekennzeichnet ist, ein r-plane Saphirsubstrat 210, eine Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220, die auf dem Saphirsubstrat 210 gebildet ist, eine Zwischenschicht 230, die auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 gebildet ist, und eine undotierte GaN-Schicht 240, die auf der Zwischenschicht 230 gebildet ist, auf.
Der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 200 gemäß der zweiten Ausführungsform ist insbesondere durch die Struktur der Zwischenschicht 230 und deren Herstellungsverfahren gekennzeichnet. 8 ist eine schematische seitliche Schnittansicht der Zwischenschicht 230. Wie in 8 dargestellt, ist die Zwischenschicht 230 eine Multischicht, die erhalten wurde, indem eine Mehrzahl von Schichten 231₁ bis 231_n , welche alle die gleiche Zusammensetzung aufweisen, gestapelt wurde. Ebenfalls wird jede der Schichten 231₁ bis 231_n gebildet, indem der Reihe nach mehrere verschiedene Materialien gestapelt werden. Beispielsweise kann jede der Schichten 231₁ bis 231_n gebildet werden, indem der Reihe nach Ga, N und GaN gestapelt werden, um eine so genannte Ga/N/GaN-Schicht zu bilden, oder sie kann gebildet werden, indem der Reihe nach Al, In, Ga und N gestapelt werden, um eine so genannte Al/In/Ga/N-Schicht zu bilden.
Der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 200 wurde mit dem folgenden Herstellungsverfahren erhalten, welches von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bewiesen, dass das beste Ergebnis erhalten wurde, insbesondere wenn die Zwischenschicht 230 durch Stapeln der mehreren Ga/N/GaN-Multischichten gebildet wurde, um eine so genannte Ga/N/GaN-Multischicht zu bilden, oder durch Stapeln der mehreren Al/In/Ga/N-Schichten, um die so genannte Al/In/Ga/N-Multischicht zu bilden. 9 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Herstellungsverfahren darstellt, insbesondere einen Verfahren zum Bilden des GaN-Dünnfilms.
Als Erstes wurde das r-plane Saphirsubstrat 210 gewaschen und in der Reaktionskammer des MOCVD-Geräts einem Glühvorgang unterzogen, z. B. auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform (Schritt S201).
Anschließend wurde die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 auf dem r-plane Saphirsubstrat 210 wachsen gelassen (Schritt S202). Insbesondere wurde die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 unter atmosphärischem Druck unter Verwendung eines wohl bekannten Verfahrens wachsen gelassen, das geeignet ist, eine Niedrigtemperatur-Pufferschicht zu erhalten, die zwischen eine GaN-basierte Verbindung und ein c-plane Saphirsubstrat zwischengelegt ist. Die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 wird beispielsweise aus GaN oder AlN hergestellt.
Dann wurde die Zwischenschicht 230, namentlich die Ga/N/GaN-Multischicht oder die Al/In/Ga/N-Multischicht, auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 wachsen gelassen (Schritt S203). Ein Verfahren zum Bilden der Multischicht wird später erläutert.
Danach wurde die undotierte GaN-Schicht 240, welche eine Hochtemperatur-Epischicht ist, auf der Zwischenschicht 230 wachsen gelassen (Schritt S204). Die GaN-Schicht 240 wurde beispielsweise unter den gleichen Wachstumsbedingungen wie die GaN-Schicht 130 der ersten Ausführungsform wachsen gelassen.
Nun wird das Verfahren zum Bilden der Ga/N/GaN-Multischicht erläutert. Die Ga/N/GaN-Multischicht wurde unter Verwendung eines PALE-(pulsed atomic layer epitaxy; gepulste Atomlagen-Epitaxie) Verfahrens gebildet. Bei diesem PALE-Verfahren wird eine Mehrzahl verschiedener Materialien der Reihe nach in die Reaktionskammer des MOCVD-Geräts als Reaktion auf vorbestimmte Pulssignale eingebracht. Die Ga/N/GaN-Multischicht wird aus Ammoniak (NH₃) und Trimethylgallium (TMG) hergestellt.
10 ist ein Zeitdiagramm des gepulsten Atomlagen-Epitaxieverfahrens zum Wachsenlassen der Ga/N/GaN-Multischicht. In 10 bilden vier Takte einen Zyklus, und eine Taktperiode ist 1t. Insbesondere werden während eines ersten Takts (0 bis 1t) kein TMG und NH₃ eingebracht und beim zweiten Takt (1t bis 2t) wird nur TMG eingebracht und beim dritten Takt (2t bis 3t) wird nur NH₃ eingebracht. Hier wird insbesondere darauf hingewiesen, dass NH₃ nach dem organischen Metall TMG eingebracht wird. Danach werden bei einem vierten Takt (3t bis 4t) sowohl TMG als auch NH₃ eingebracht. Mit anderen Worten wird zuerst Ga auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 wachsen gelassen, und dann wird N darauf wachsen gelassen, und schließlich wird darauf GaN wachsen gelassen. Auf diese Weise ist die Ga/N/GaN-Schicht auf der Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht 220 nach Ablauf eines Zyklus gebildet.
Die Zwischenschicht 230 der Ga/N/GaN-Multischicht wird erhalten, indem wiederholt der oben beschriebene Zyklus zum Bilden der Ga/N/GaN-Schicht durchgeführt wird. Es war bekannt, dass bevorzugt wird, 2 bis 100 Zyklen durchzuführen, und noch bevorzugter, 10 bis 20 Zyklen durchzuführen, um das beste Ergebnis zu erhalten. Des Weiteren kann das beste Ergebnis erhalten werden, wenn eine Taktperiode (t) vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 Sekunden und noch bevorzugter im Bereich von 2 bis 10 Sekunden liegt. Vorzugsweise wird die Temperatur des Substrats in einem Bereich von 850 °C bis 1100 °C gehalten.
11A ist ein SEM-Foto, welches die Oberfläche der GaN-Schicht 240 darstellt, die auf der Zwischenschicht 230 der Ga/N/GaN-Multischicht gebildet ist. Bei dieser Probe ist die Ga/N/GaN-Multischicht gewachsen, indem der oben beschriebene Zyklus zum Bilden der Ga/N/GaN-Schicht zehnmal wiederholt wurde (eine Taktperiode (t) jedes Zyklus beträgt 4 Sekunden). Anhand des in 11A dargestellten SEM-Fotos konnte bestätigt werden, dass in der GaN-Schicht 240 im Wesentlichen keine Morphologie erzeugt wurde.
11B ist ein Diagramm, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 11A dargestellten Probe einer GaN-Schicht 240 darstellt. Wie in 11B dargestellt, weist die GaN-Schicht 240 eine Halbwertsbreite (FWHM = full width at half maximum) von 658,8 Bogensekunden auf. Um das Ergebnis der Röntgenstrahlbeugung und das SEM-Foto zu bewerten, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Vergleichsversuch durchgeführt. 12A ist ein SEM-Foto, welches eine Oberfläche der GaN-Schicht darstellt, wenn die Hochtemperatur-GaN-Schicht auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht ohne Zwischenlegen der Zwischenschicht 230 dazwischen gewachsen ist, und 12B ist ein Diagramm, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der Probe einer GaN-Schicht darstellt. Aus dem in 12A dargestellten SEM-Foto ist ersichtlich, dass Morphologien in großem Maßstab, welche elektrische Potenzialdefekte darstellen, an der Oberfläche der GaN-Schicht erzeugt wurden, und die Halbwertsbreite der GaN-Schicht betrug 990,0 Bogensekunden, wie in 12B dargestellt ist.
Wenn 11A mit 12A und 11B mit 12B verglichen wird, kann bestätigt werden, dass für die GaN-Schicht 240 eine bessere Qualität erhalten werden kann, wenn die Zwischenschicht 230 der Ga/N/GaN-Multischicht zwischen die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 und die GaN-Schicht 240 gelegt wird.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Bilden der Al/In/Ga/N-Multischicht erläutert. Die Al/In/Ga/N-Multischicht wird ebenfalls durch das gepulste Atomlagen-Epitaxieverfahren gebildet. Die Al/In/Ga/N-Multischicht wird aus Trimethylaluminium (TMA), Trimethylindium (TMI) und Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH₃) hergestellt.
13 ist ein Zeitdiagramm eines gepulsten Atomlagen-Epitaxieverfahrens (PALE = pulsed atomic layer epitaxy) zum Wachsen einer Al/In/Ga/N-Multischicht. Wie in 13 dargestellt, bilden elf Takte einen Zyklus, und eine Taktperiode ist 1T. Insbesondere wird bei einem ersten Takt (0 bis 1T) kein Material eingebracht, bei einem zweiten Takt (1T bis 2T) wird nur TMA eingebracht, und bei einem dritten Takt (2T bis 3T) wird nur NH₃ eingebracht. Auf gleiche Weise werden bei diesem Ablauf jeweils TMA, NH₃, TMA und NH₃ bei einem vierten Takt (3T bis 4T), einem fünften Takt (4T bis 5T), einem sechsten Takt (5T bis 6T) und einem siebten Takt (6T bis 7T) eingebracht. Anschließend wird bei einem achten Takt (7T bis 8T) nur TMI eingebracht, bei einem neunten Takt (8T bis 9T) wird nur NH₃ eingebracht, bei einem zehnten Takt (9T bis 10T) wird nur TMG eingebracht, und bei einem elften Takt (10T bis 11T) wird nur NH₃ eingebracht. Hier wird insbesondere darauf hingewiesen, dass NH₃ nach den jeweiligen organischen Metallen TMA, TMI und TMG eingebracht wird. Als Ergebnis des Steuerns des Einbringens des Materialgases wie oben angegeben wachsen Al, N, Al, N, Al, N, In, N, Ga und N in dieser Reihenfolge auf der Niedrigtemperatur-GaN-Schicht 220. Auf diese Weise wird die AlN/InN/GaN-Schicht auf der Niedrigtemperatur-GaN-Schicht 220 nach Ablauf eines Zyklus gebildet. Obwohl InN verdampft, wenn die Temperatur des Substrats über 950 °C steigt, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass mit einer InN-gewachsenen Multischicht bessere Ergebnisse erzielt werden können als mit einer Multischicht ohne InN.
Die Zwischenschicht 230 der Al/In/Ga/N-Multischicht wird erhalten, indem wiederholt der oben beschriebene Zyklus zum Bilden der Al/In/Ga/N-Schicht durchgeführt wird. Gleichermaßen wird bevorzugt, 2 bis 100 Zyklen durchzuführen, und mehr bevorzugt, 10 bis 20 Zyklen durchzuführen, um das beste Ergebnis zu erhalten. Ebenfalls kann das beste Ergebnis erhalten werden, wenn eine Taktperiode (T) vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 Sekunden, und noch bevorzugter im Bereich von 2 bis 10 Sekunden liegt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des Substrats im Bereich von 850 °C bis 1100 °C.
14A ist ein SEM-Foto, welches eine Oberfläche der GaN-Schicht 240 darstellt, die auf der Zwischenschicht 230 der Al/In/Ga/N-Multischicht gebildet wurde. Bei dieser Probe ist die Al/In/Ga/N-Multischicht gewachsen, indem der oben beschriebene Zyklus zum Bilden der Al/In/Ga/N-Schicht fünfzehnmal (eine Taktperiode (T) beträgt 4 Sekunden) wiederholt wurde. Aus dem in 14A dargestellten SEM-Foto ist ersichtlich, dass an der Oberfläche der GaN-Schicht im Wesentlichen keine Morphologie erzeugt wurde.
14B ist ein Diagramm, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 14A dargestellten Probe der GaN-Schicht 240 darstellt. Wie in 14B dargestellt, weist die GaN-Schicht 240 eine Halbwertsbreite von 543,6 Bogensekunden auf. Wenn die 14A und 14B mit 12A und 12B verglichen werden, kann bestätigt werden, dass für die GaN-Schicht 240 eine bessere Qualität erhalten werden kann, wenn die Zwischenschicht 230 der Al/In/Ga/N/Multischicht zwischen die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 und die GaN-Schicht 240 gelegt wird.
Bei dem oben beschriebenen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 200 kann die Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220, auf der die Zwischenschicht 230 durch ein herkömmliches Wachstumsverfahren gewachsen ist, durch die AlInN-Pufferschicht 120 der ersten Ausführungsform ersetzt werden. Alternativ kann die Zwischenschicht 230 direkt auf dem r-plane Saphirsubstrat 210 ohne Bilden der Niedrigtemperatur-Pufferschicht 220 dazwischen gebildet werden. In diesem Fall kann die Zwischenschicht 230, welche aus der Ga/N/GaN-Multischicht oder der Al/In/Ga/N-Multischicht hergestellt ist, als Pufferschicht wirken.
15 ist eine schematische seitliche Schnittansicht, welche einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 200 darstellt, bei welchem die Zwischenschicht 230 als eine Pufferschicht wirkt. In 15 sind identische Bestandteile wie in 7 mit gleichen Bezugsziffern dargestellt, und ihre Beschreibung wird ausgelassen. Wie in 15 dargestellt, bildet bei dem Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 300 die Zwischenschicht 230 eine Pufferschicht zwischen dem r-plane Saphirsubstrat 210 und der undotierten GaN-Schicht 240.
16A ist ein SEM-Foto, welches die Oberfläche der GaN-Schicht 240 auf der Zwischenschicht 230 darstellt, die aus der Al/In/Ga/N-Multischicht hergestellt ist und als Pufferschicht wirkt. Bei dieser Probe liegt die Temperatur des Substrats bei 950 °C, und die Al/In/Ga/N-Multischicht ist gewachsen, indem der oben beschriebene Zyklus zum Bilden der Al/In/Ga/N-Schicht auf Basis des Zeitdiagramms aus 13 und den gleichen Wachstumsbedingungen wie bei der in 12A dargestellten Probe zwanzig Mal (eine Taktperiode (T) jedes Zyklus beträgt 4 Sekunden) wiederholt wurde. Obwohl Morphologien, welche elektrische Potenzialdefekte darstellen, anhand des in 16A dargestellten SEM-Fotos bestätigt werden können, sind die Anzahl und Größe der Morphologien verglichen mit jenen des in 12A dargestellten SEM-Fotos vernachlässigbar.
16B ist ein Diagramm, welches Bewertungsdaten von Röntgenstrahlbeugung der in 16A dargestellten Probe der GaN-Schicht 240 darstellt. Wie in 16B dargestellt, weist die GaN-Schicht 240 eine Halbwertsbreite von 763,2 Bogensekunden auf. Dieser Wert ist geringer als die Halbwertsbreite von 990,0 Bogensekunden, dargestellt in 12B. Wie aus dem Ergebnis ersichtlich ist, kann für die GaN-Schicht 240 eine bessere Qualität erzielt werden, wenn die Zwischenschicht 230 der Al/In/Ga/N-Multischicht als Pufferschicht zwischen das r-plane Saphirsubstrat 210 und die GaN-Schicht 240 zwischengelegt wird.
Wie oben beschrieben kann, gemäß der zweiten Ausführungsform, durch Bilden einer Zwischenschicht, welche durch ein gepulstes Atomlagen-Epitaxieverfahren erhalten werden kann, auf einer Niedrigtemperatur-Pufferschicht, die auf einem r-plane Saphirsubstrat gebildet wurde, oder Wachsen der Zwischenschicht, die durch ein gepulstes Atomlagen-Epitaxieverfahren erhalten wurde und als Pufferschicht dient, auf dem r-plane Saphirsubstrat eine GaN-Schicht von hoher Qualität wachsen. Gleich dem Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der ersten Ausführungsform wird die GaN-Schicht ebenfalls entlang einer a-Achse auf dem r-plane ausgerichteten Saphirsubstrat gebildet und weist deswegen keine Polarisation in dessen Dickenrichtung auf, was nachteiligerweise der Fall ist, wenn ein c-plane Saphirsubstrat verwendet wird. Das heißt, dass der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm der zweiten Ausführungsform die gleichen Wirkungen erzielen kann wie jener der ersten Ausführungsform.
Obwohl die obenstehende Beschreibung beispielhaft die Zwischenschicht der Ga/N/GaN-Multischicht oder Al/In/Ga/N-Multischicht beschreibt, kann die Zwischenschicht andere Kombinationen von Stickstoff und organischen Metallen aufweisen. Zum Beispiel konnte bestätigt werden, dass selbst wenn eine Al/N/AlN-Multischicht, Al/N/GaN-Multischicht, Ga/N/AlN-Multischicht, In/N/InN-Multischicht oder Ähnliches als Zwischenschicht verwendet wird, die Qualität der darauf gewachsenen Hochtemperatur-GaN-Schicht im Vergleich zu dem Fall ohne Zwischenschicht verbessert werden konnte.
Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass, obwohl GaN verwendet wurde, um die Hochtemperatur-Epischicht in der oben genannten ersten und zweiten Ausführungsform zu bilden, ein Dünnfilm hoher Qualität selbst dann erhalten werden kann, wenn GaN durch andere GaN-basierte Verbindungen, wie beispielsweise AlGaN etc., ersetzt wurde.
(Dritte Ausführungsform)
Der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform kann als eine Grundschicht verwendet werden, die eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung (LED) etc. bildet. In der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel des Anwendens des Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms gemäß der ersten Ausführungsform auf eine LED erläutert.
17 ist eine schematische seitliche Schnittansicht, welche eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung (LED) gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 17 dargestellt, weist die Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung, welche mit Bezugsziffer 400 gekennzeichnet ist, ein r-plane Saphirsubstrat 401, eine AlInN-Pufferschicht 402, eine undotierte GaN-Schicht 403, eine n-Typ Kontaktschicht 404, eine n-Typ Mantelschicht 405, eine n-Typ Zwischenschicht 406, eine aktive Schicht 407, eine p-Typ Blockschicht 408, eine p-Typ Mantelschicht 409 und eine p-Typ Kontaktschicht 410 auf, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind.
Hier bilden das r-plane Saphirsubstrat 401, die AlInN-Pufferschicht 402 und die undotierte GaN-Schicht 403 einen Dünnfilm gemäß dem Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 100 der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform.
Beispielsweise wird die n-Typ Kontaktschicht 404 wachsen gelassen, indem Si in GaN injiziert wird, und die n-Typ Mantelschicht 405 weist zum Beispiel eine Super-Gitterstruktur auf, die erhalten wird, indem Si in (AlGaN/GaN)ⁿ (hier ist die Konstante "n" gleich 50) injiziert wird. Die n-Typ Zwischenschicht 406 wird beispielsweise wachsen gelassen, indem Si in AlGaN dotiert wird, und die aktive Schicht 407 weist zum Beispiel eine multiple Quantenbrunnen-Struktur aus (AlInGaN/IGaN)ⁿ (hier ist die Konstante "n" gleich 5) auf. Die p-Typ Blockschicht 408 wird zum Beispiel wachsen gelassen, indem Mg in AlGaN injiziert wird, und die p-Typ Mantelschicht 409 weist beispielsweise eine Super-Gitterstruktur auf, die erhalten wird, indem Mg in (AlGaN/GaN)ⁿ (hier ist die Konstante "n" gleich 50) injiziert wird. Die p-Typ Kontaktschicht 401 wird beispielsweise wachsen gelassen, indem Mg in GaN injiziert wird.
Jede der n-Typ Kontaktschicht 404, n-Typ Mantelschicht 405, n-Typ Zwischenschicht 406, aktiven Schicht 407, p-Typ Blockschicht 408, p-Typ Mantelschicht 409 und p-Typ Kontaktschicht 410 wird an den entsprechenden Bereichen durch Ätzen teilweise entfernt, um einen Abschnitt der n-Typ Kontaktschicht 404 freizulegen. Eine n-Typ Elektrode 420 wird an dem freigelegten Abschnitt der n-Typ Kontaktschicht 404 vorgesehen, und eine p-Typ Elektrode 430 wird auf der p-Typ Kontaktschicht 410 vorgesehen. Mit dieser Anordnung kann zum Beispiel eine LED mit einer Licht emittierenden Spitzen-Wellenlänge von 380 nm hergestellt werden.
Insbesondere können, da für die Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung 400 der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm 100 der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform als Grundschicht verwendet wird, die aktive Schicht 407, die n-Typ Mantelschicht 405 und die p-Typ Mantelschicht 409, welche eine multiple Quantenbrunnenstruktur und Super-Gitterstruktur aufweisen und die Steuerung der Dicke mit großer Genauigkeit erfordern, gebildet werden, um eine Erhöhung des zulässigen Dickenbereichs jeder ein Paar bildenden Schicht zu ermöglichen. Dieser erhöhte zulässige Dickenbereich ermöglicht eine Verbesserung der Ausbeute der Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung 400, wobei wesentliche Erfordernisse erfüllt werden.
Folglich ist der Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß der vorliegenden Erfindung als Grundschicht für das Wachsen GaN-basierter Verbindungen darauf nützlich und insbesondere als Bestandteil einer Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung geeignet.
Wie aus der obenstehenden Beschreibung hervorgeht, sieht die vorliegende Erfindung einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm und eine Gruppe III-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung vor, welche eine Verbesserung in der Ausbeute der Produkte erzielt, wobei das Erfordernis einer Steuerung mit hoher Genauigkeit vermieden wird und eine ökonomische Produktion und Verwendung kostengünstiger Ausrüstung möglich wird.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Darstellungszwecken beschrieben wurden, wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert abzuweichen.

Claims

Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Pufferschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und aus AlInN ist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht eine Dicke von 1 nm bis 20 nm aufweist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Pufferschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist; eine Zwischenschicht, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und gebildet ist, indem zwei oder mehr Multiebenenschichten übereinander gestapelt sind, wobei jede Multiebenenschicht eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Zwischenschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm, welcher aufweist: ein (1-102)-plane Saphirsubstrat; eine Zwischenschicht, die auf dem Saphirsubstrat angeordnet ist und gebildet ist, indem zwei oder mehr Multiebenenschichten übereinander gestapelt sind, wobei jede Multiebenenschicht eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist; und eine epitaxiale Wachstumsschicht, die auf der Zwischenschicht angeordnet ist und aus Gruppe III-Nitrid ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht wenigstens eins von Ga, Al und In aufweist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Ga, N und GaN ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Al, In, Ga und N ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die epitaxiale Wachstumsschicht aus GaN ist.
Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die epitaxiale Wachstumsschicht aus AlGaN ist.
Gruppe II-Nitrid Halbleiterleuchtvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, umfassend: Bilden einer Pufferschicht aus AlInN auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei die Temperatur des Saphirsubstrats in einem Bereich von 850 °C bis 950 °C gehalten wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Pufferschicht, wobei die Temperatur des Saphirsubstrats höher gehalten wird als die Temperatur des Saphirsubstrats während des Bildens der Pufferschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Pufferschicht und das epitaxiale Wachsen von Gruppe III-Nitrid bei atmosphärischem Druck durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, umfassend: Bilden einer Pufferschicht aus Gruppe III-Nitrid auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei das Saphirsubstrat bei einer ersten Temperatur gehalten wird; Bilden einer Zwischenschicht auf der Pufferschicht, wobei die Zwischenschicht zwei oder mehr Multiebenenschichten aufweist, die erhalten werden, indem wiederholt die Multiebenenschicht, die eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist, gebildet wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Zwischenschicht, wobei das Saphirsubstrat auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gruppe III-Nitrid Halbleiterdünnfilms, umfassend: Bilden einer Zwischenschicht auf einem (1-102)-plane Saphirsubstrat, wobei die Zwischenschicht zwei oder mehr Multiebenenschichten aufweist, die erhalten werden, indem wiederholt die Multiebenenschicht, die eine erste Metallschicht und eine zweite Stickstoffschicht aufweist, gebildet wird; und epitaxiales Wachsen von Gruppe III-Nitrid auf der Zwischenschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Ga, N und GaN ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Al, In, Ga und N ist.