DE102006051455B4 - Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:(a) Bilden einer ZnO-Pufferschicht vom n-Typ auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats;(b) Bilden einer ZnO-Schicht vom n-Typ auf einer Oberfläche der ZnO-Pufferschicht vom n-Typ;(c) Bilden einer ZnMgO-Schicht vom n-Typ auf einer Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ;(d) Bilden einer ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom n-Typ, wobei die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht durch wechselweises Aufschichten einer ZnO-Schicht und einer ZnMgO-Schicht gebildet wird;(e) Bilden einer ZnMgO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht;(f) Bilden einer ZnO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom p-Typ; und(g) Bilden einer Elektrode auf der ZnO-Schicht vom n-Typ und der ZnO-Schicht vom p-Typ, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ bei Schritt (b) unter einer Zn-reichen Bedingung gebildet wird; und wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ unter der Zn-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 0,35 oder kleiner bei Schritt (b) gebildet wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung.
  • BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK
  • Zinkoxid (ZnO) ist ein Halbleiter vom Direktübergangs-Typ mit einer Bandlücke von 3,37 eV bei Raumtemperatur. Da die Bindungsenergie des Exzitons so groß wie 60 meV ist, wird Zinkoxid als das Material einer hocheffektiven Leuchtvorrichtung erwartet.
  • Eine ZnO-Dünnschicht hoher Qualität kann auf einem ZnO-Substrat mittels epitaktischen schem Aufwachsens gebildet werden, während eine Gitterfehlanpassung verhindert wird. Ein ZnO-Substrat wird gebildet durch Schneiden eines Bulkkristalls, der beispielsweise durch hydrothermale Synthese gewachsen ist.
  • Eine ZnO-Dünnschicht hoher Qualität kann gebildet werden durch Molekularstrahlepitaxie („molecular beam epitaxy“; MBE). Beispielsweise wächst ZnO auf einem Substrat durch gleichzeitiges Bestrahlen des Substrats mit einem Sauerstoffradikalstrahl in einem elektrodenlosen Entladungsrohr unter Verwendung einer Funkfrequenz von 13,56 MHz und mit einem Zink (Zn)-Strahl aus einer Knudsenzelle („K“-Zelle).
  • Eine epitaktische Schicht aus ZnO kann gebildet werden durch Festsetzen verschiedener Wachstumstemperaturen Tg und Flussverhältnisse. Eine Flussintensität von Zn wird durch JZn dargestellt, und eine Flussintensität des O-Radikals wird durch Jo dargestellt. Ein Koeffizient (Zn-Haftkoeffizient), der eine Verbindungsmöglichkeit von Zn auf einer mit O abgeschlossenen Ebene des ZnO-Kristalls angibt, wird durch kZn dargestellt, und ein Koeffizient (O-Haftkoeffizient), der eine Verbindungsmöglichkeit von O auf einer mit Zn abgeschlossenen Ebene des ZnO-Kristalls angibt, wird durch ko dargestellt. In diesem Fall entspricht ein Produkt des Zn-Haftkoeffizienten kZn und der Zn-Flussintensität JZn, kZn·JZn, der Zahl der Zn-Atome, die an einer Einheitsfläche eines ZnO-Substrats pro Einheitszeit anhaften. Ein Produkt des O-Haftkoeffizienten ko und der O-Flussintensität JO, kO·JO, entspricht der Zahl der O-Atome, die an einer Einheitsfläche eines ZnO-Substrats pro Einheitszeit anhaften. Die Bedingung, bei der das Produkt kZn·JZn gleich dem Produkt kO·JO ist, wird eine stöchiometrische Bedingung genannt.
  • Ein Flussverhältnis wird durch kO·JO/kZn·JZn definiert (ein Verhältnis eines Produktes des O-Haftkoeffizienten und der O-Flussintensität zu einem Produkt des Zn-Haftkoeffizienten und der Zn-Flussintensität).
  • In einem ZnO-Dünnschichtbildungsprozess wird kO·JO/kZn·JZn > 1, d.h., dass das Flussverhältnis größer als das Flussverhältnis der stöchiometrischen Bedingung ist, eine O-reiche Bedingung genannt (eine Schichtbildungsbedingung, die O-reich umgesetzt wird). kO·JO/kZn·JZn < 1, d.h., dass das Flussverhältnis kleiner als das Flussverhältnis der stöchiometrischen Bedingung ist, wird eine Zn-reiche Bedingung genannt (eine Schichtbildungsbedingung, die Zn-reich umgesetzt wird).
  • Eine Beziehung zwischen der Zn-Flussintensität und einer ZnO-Schichtbildungsrate auf einer Zn-Polaritätsebene (+c-Ebene) und dergleichen ist gut bekannt (siehe beispielsweise „High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy" von Hiroyuki Kato, Michihiro Sano, Kazuhiro Miyamoto und Takafumi Yao, Journal of Crystal Growth 265 (2004); S. 375-381).
  • Eine Wachstumsrate einer ZnO-Schicht kann aus der folgenden Gleichung (1) berechnet werden: G= [ ( k Zn ⋅ J Zn ) − 1 + ( k O ⋅ J O ) − 1 ] − 1 − R ZnO
    Figure DE102006051455B4_0001
    wobei RZnO eine Wiederverdampfungsrate von ZnO ist. RZnO kann bei einer Wachstumstemperatur von 800°C oder niedriger vernachlässigt werden.
  • Das oben angemerkte Dokument berichtet, dass Streifenmuster von RHEED („reflection high energy electron diffraction“; Reflexions-Hochenergieelektronenbeugungs)-Bildern nur von ZnO-Schichten erlangt wurden, die unter der extremen O-reichen Bedingung (Flussverhältnis von 5,6) aus ZnO-Schichten gebildet wurden, welche bei unterschiedlichen Flussverhältnissen gebildet wurden. Es berichtet auch, dass die Ebenheit (Oberflächenrauhigkeit von 2,9 nm) aus Beobachtungsergebnissen mittels Rasterkraftmikroskopie („atomic force microscopy“; AFM) sichergestellt wurde. Es wurde auch aus diesen Ergebnissen bestätigt, dass eine ZnO-Dünnschicht zweidimensional aufwächst.
  • Beim Bilden einer ZnO-Dünnschicht vom n-Typ, die für eine Leuchtvorrichtung zu verwenden ist, werden Ga, Al, In und dergleichen als n-Typ-Störatome verwendet.
  • KATO, H. et al.: High-quality ZnO epilayers grown on Zn-face ZnO substrates by plasma assisted molecular beam epitaxy. In: Journal of Crystal Growth, Band 265, 2004, S. 375-381 beschreibt ein Verfahren zum Aufwachsen von ZnO-Schichten auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats durch Plasma-unterstützte Molekularstrahlepitaxie.
  • KATO, H. et al.: MBE growth on Zn-polar ZnO on MOCVD-ZnO templates. In Phys. stat. sol. (b), Band 241, Nr. 12, 2004, S. 2825-2829 beschreibt ein Verfahren zum Aufwachsen von Zn-polarem ZnO auf MOCVC-ZnO Mustern durch Molekularstrahlepitaxie.
  • Ko, H.J. et al.: Investigation of ZnO epilayers grown under various Zn/O ratios by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. In: Journal of Applied Physics, Band 92, Nr. 8, 2002, S. 4354-4360 beschreibt ein Verfahren zum Aufwachsen von ZnO-Schichten unter verschiedenen Zn/O-Verhältnissen durch Plasma-unterstützte Molekularstrahlepitaxie.
  • US 2003 / 0 186 088 A1 offenbart ein Verfahren zum Züchten eines ZnO-haltigen Verbindungshalbleiter-Einkristalls auf einer Verbindungs-Einkristallschicht einer hexagonalen Kristallstruktur mit einer Vielzahl von (0001)-Oberflächen, die in einer Folge von Terrassen entlang einer Richtung der a-Achse ausgerichtet sind, wobei ein ZnO-haltiger Einkristall mit einer hexagonalen Kristallstruktur mit einer Neigung von der c-Achse in Richtung der a-Achse gezüchtet wird.
  • Hinsichtlich des verfügbaren Standes der Technik wird ferner auf die Druckschriften JP 2004 - 363 382 A und JP 2002 - 76 026 A verwiesen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung bereitzustellen, die einen ZnO-Kristall oder einen ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall mit einem hohen Aktivierungsverhältnis aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bilden einer ZnO-Pufferschicht vom n-Typ auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats; (b) Bilden einer ZnO-Schicht vom n-Typ auf einer Oberfläche der ZnO-Pufferschicht vom n-Typ; (c) Bilden einer ZnMgO-Schicht auf einer Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ, (d) Bilden einer ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom n-Typ, wobei die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht durch abwechselndes Aufbringen einer ZnO-Schicht und einer ZnMgO-Schicht gebildet wird; (e) Bilden einer ZnMgO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht; (f) Bilden einer ZnO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom p-Typ; und (g) Bilden einer Elektrode auf der ZnO-Schicht vom n-Typ und der ZnO-Schicht vom p-Typ, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ bei Schritt (b) unter einer Zn-reichen Bedingung gebildet worden ist, und wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ unter der Zn-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 0,35 oder kleiner bei Schritt (b) gebildet wird. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung bereitzustellen, die einen ZnO-Kristall oder einen ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall mit einem hohen Aktivierungsverhältnis enthält.
  • Figurenliste
    • 1A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Wachstumstemperatur Tg und einer Wachstumsrate G einer ZnO-Schicht zeigt, die auf einer Zn-Polaritätsebene (+c-Ebene) eines ZnO-Substrats aufwächst, und einer ZnO-Schicht, die auf einer O-Polaritätsebene (-c-Ebene) eines ZnO-Substrats aufwächst, und die 1B bis 1D zeigen RHEED-Bilder von ZnO-Schichten, die unter den Bedingungen gebildet wurden, die unter 1B bis 1D aufgetragen sind, wie in 1A gezeigt.
    • 2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung an einem Substratheizer) Tg und einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo zeigt.
    • 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo und einer ZnO-Wiederverdampfungsrate RZnO zeigt.
    • 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Träger-Konzentration in einer ZnO-Schicht (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats aufgewachsen ist.
    • 5 ist ein schematisches Diagramm eines Herstellungssystems zum Herstellen eines ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristalls unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie, wobei das Herstellungssystem mit einem Herstellungsverfahren für den ZnO-basierte Verbundhalbleiterkristall gemäß einer Ausführungsform verwendet wird.
    • 6A bis 6D sind schematische Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren für einen ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall zeigen.
    • 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Trägerkonzentration in einer ZnO-Schicht (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die epitaktisch auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats aufgewachsen ist.
    • 8 ist ein Diagramm, das die Messergebnisse von X-Röntgen-Doppelkristall-Schwingkurven von ZnO-Schichten (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die bei 450°C und 700°C aufgewachsen sind.
    • 9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Fotolumineszenz von ZnO-Schichten (dotiert mit Ga-Fremdatomen bei einer Konzentration von 5 × 1018 cm-3) zeigt, die auf der Zn-Polaritätsebene bei 450°C und 700°C aufgewachsen sind.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Träger-Konzentration in einer ZnO-Schicht (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats epitaktisch aufgewachsen sind.
  • ZnO-Schichten mit einer hohen Ebenheit wurden zweidimensional unter einer extrem O-reichen Bedingung aufgewachsen, als auch bei einem Flussverhältnis einer O-Flussintensität JO von 1,0 × 1015 Atomen/cm2 · s zu einer Zn-Flussintensität JZn von 2,0 × 1014 Atomen/cm2 · s.
  • Die Abszisse des Graphen stellt eine Ga-Konzentration in ZnO-Schichten in der Einheit von „cm-3“ dar, und die Ordinate stellt eine Trägerkonzentration in der Einheit von „cm-3“ dar. Beide Achsen weisen logarithmische Skalen auf. Die Ga-Konzentration und die Trägerkonzentration wurden durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bzw. Hall-Effekte gemessen.
  • Eine diagonale Linie (diagonale Linie a), welche die weißen Quadrate verbindet, gibt die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Trägerkonzentration in ZnO-Schichten an, die bei einer Temperatur von 700°C aufgewachsen sind, und eine diagonale Linie (diagonale Linie b), welche die weißen Kreise verbindet, gibt die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Trägerkonzentration in ZnO-Schichten an, die bei einer Temperatur von 450°C aufgewachsen sind.
  • Eine gestrichelte Linie, die in 7 gezeigt ist, gibt ein Aktivierungsverhältnis von „1“ an. Das Aktivierungsverhältnis wird definiert durch (Trägerkonzentration)/(Ga-Konzentration) und ist ein Index, der für einen Grad einer Trägerverteilung von Ga repräsentativ ist.
  • Nun wird sich auf die polygonale Linie a bezogen. Eine ZnO-Schicht, die bei 700°C aufgewachsen ist, weist einen niedrigeren Anstiegsfaktor der Trägerkonzentration auf als derjenige der Ga-Konzentration. Insbesondere beträgt die Trägerkonzentration 4,5 × 1017 cm-3 (Aktivierungsverhältnis von 0,36) bei einer Ga-Konzentration von 1,25 × 1018 cm-3, während die Trägerkonzentration 6,0 × 1017 cm-3 (Aktivierungsverhältnis von 0,06) bei einer Ga-Konzentration von 1,0 × 1019 cm-3 beträgt. Wie ersichtlich aus der geringeren Steigung der Polygonlinie a im Vergleich zu derjenigen der gestrichelten Linie beim Aktivierungsverhältnis von „1“, verringert die bei 700°C aufgewachsene ZnO-Schicht das Aktivierungsverhältnis, wenn sich die Ga-Konzentration erhöht. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass Ga, das in der ZnO-Schicht dotiert ist, der bei 700°C aufwächst, aufgrund einer Oxidation nicht als Träger funktioniert.
  • Nun wird sich auf die Polygonlinie b bezogen. Eine ZnO-Schicht, die bei 450° aufgewachsen ist, weist einen Erhöhungsfaktor der Trägerkonzentration ähnlich zu dem der Ga-Konzentration auf, und die Steigung der polygonalen Linie b ist ungefähr gleich zu der der gestrichelten Linie beim Aktivierungsverhältnis von „1“. Das Aktivierungsverhältnis der bei 450°C aufgewachsenen ZnO-Schicht erniedrigt sich etwas im Bereich der Polygonlinie (insbesondere leicht zwischen 0,41 und 0,34). Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Ga-Oxidation aufgrund der niedrigeren Wachstumstemperatur von 450°C unterdrückt wird. Sogar dann, falls die ZnO-Schicht bei 450°C aufwächst, erreicht das Aktivierungsverhältnis jedoch nicht die Nähe von „1“.
  • 8 ist ein Diagramm, das Messergebnisse von Röntgen-Doppelkristall-Schwingkurven von ZnO-Schichten (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die bei 450°C und 700°C aufgewachsen sind. Die (0002)-Ebene und (10-10)-Ebene wurden als Messsubjektebenen verwendet, und die Messergebnisse über eine volle Breite bei halbem Maximum („full-width at half-maximum“; FWHM) wurden in der Einheit „Bogensekunden“ angegeben.
  • Die bei 450°C und 700°C aufgewachsenen ZnO-Schichten weisen FWHM-Werte von „262“ bzw. „42“ in der (0002)-Ebene auf, und FWHM-Werte von „100“ bzw. „46“ in der (10-10)-Ebene. Es ist verständlich, dass bei beiden Ebenen die bei 450°C aufgewachsene ZnO-Schicht einen breiten FWHM-Wert aufweist und bei einem Niedrigtemperaturwachstum keine gute Kristallinität erreichen kann.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Fotolumineszenz von ZnO-Schichten (dotiert mit Ga-Fremdatomen bei einer Konzentration von 5 × 1018 cm-3) zeigt, die auf der Zn-Polaritätsebene bei 450°C und 700°C aufwuchsen.
  • Die Abszisse stellt eine Photonenenergie in der Einheit von „eV“ dar, und die Ordinate stellt eine Fotolumineszenzintensität in einer beliebigen Einheit „arbitrary unit (a.u.)“ dar. Eine Kurve c gibt die Beziehung zwischen der Photonenenergie und der Fotolumineszenzintensität der bei 700°C aufgewachsenen ZnO-Schicht an, und eine Kurve d gibt die Beziehung der bei 450°C aufgewachsenen ZnO-Schicht an.
  • Eine Trägerkonzentration der bei 450°C aufgewachsenen ZnO-Schicht beträgt 2 × 1018 cm-3, und die der bei 700°C aufgewachsenen ZnO-Schicht beträgt 9 × 1017 cm-3. Eine Messtemperatur war auf 4,2 K festgesetzt worden.
  • Eine Spitze bzw. ein Peak D0X im Graphen wird durch Emission von Exzitonen gebildet, die an neutrale Donatoren gebunden sind. Spitzen bei D0X-1LO und D0X-2LO ergeben sich aus der Spitze bei D0X. im Vergleich zur ZnO-Schicht, die bei 700°C aufgewachsen ist, weist die bei 450°C aufgewachsene Schicht eine niedrigere Fotolumineszenzintensität bei D0X auf, obwohl sie eine höhere Trägerkonzentration aufweist. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass viele nicht-strahlende Rekombinationszentren existieren. Es kann nämlich bestätigt werden, dass die bei 450°C aufgewachsene ZnO-Schicht eine Kristallinität aufweist, die bezüglich derjenigen der bei 700°C aufgewachsenen ZnO-Schicht schlechter ist. Dies stimmt mit der Folgerung aus den Messergebnissen der Röntgen-Doppelschwingkurven überein, die in 8 gezeigt sind.
  • Wie unter Bezug auf die 7 bis 9 beschrieben, weist die bei 700°C aufgewachsene ZnO-Schicht unter der O-reichen Bedingung eine Kristallinität auf, die nicht schlechter ist, hat jedoch ein niedrigeres Aktivierungsverhältnis. Auf der anderen Seite weist die bei 450°C aufgewachsene ZnO-Schicht ein Aktivierungsverhältnis auf, das nicht zu niedrig ist, weist jedoch eine schlechtere Kristallinität auf.
  • 1A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Wachstumstemperatur Tg und einer Wachstumsrate G einer ZnO-Schicht zeigt, die auf einer Zn-Polaritätsebene (+c-Ebene) eines ZnO-Substrats aufgewachsen ist, als auch einer ZnO-Schicht, die auf einer O-Polaritätsebene (-c-Ebene) eines ZnO-Substrats aufgewachsen ist. Die 1B bis 1D zeigen RHEED-Bilder von ZnO-Schichten, die unter den bei 1B bis 1D aufgezeigten Bedingungen, wie in 1A gezeigt, gebildet werden.
  • Nun wird sich auf 1A bezogen. Die Abszisse des Graphen stellt eine Wachstumstemperatur in der Einheit von „°C“ dar, und die Ordinate stellt eine Wachstumsrate in der Einheit „nm/h“ dar. ZnO-Schichten wurden bei einer O-Flussintensität JO von 1,0 × 1015 Atomen/cm2 · s und bei einer Zn-Flussintensität JZn von 2,0 × 1015 Atomen/cm2 · s gebildet.
  • Die Beziehung zwischen der Wachstumstemperatur Tg und der Wachstumsrate G von ZnO-Schichten, die auf der Zn-Polaritätsebene ausgebildet wurden, wurde durch weiße Kreise aufgetragen, und die Beziehung von ZnO-Schichten, die auf der O-Polaritätsebene ausgebildet wurden, wurde mittels weißer Quadrate aufgezeichnet.
  • ZnO-Schichten wachsen auf der Zn-Polaritätsebene allgemein bei einer konstanten Rate (ca. 560 nm/h) in dem im Graphen gezeigten Bereich (bis ca. über 1000°C der Wachstumstemperatur Tg). Andererseits wachsen ZnO-Schichten auf der O-Polaritätsebene bei einer verringerten Wachstumsrate, wenn die Wachstumstemperatur Tg ansteigt. Dies mag darauf zurückgehen, dass ein Zn-Haftkoeffizient allgemein auf der Zn-Polaritätsebene konstant ist und sich auf der O-Polaritätsebene verringert, wenn die Wachstumstemperatur ansteigt, und zwar im Bereich von ca. über 1000°C der Wachstumstemperatur Tg.
  • Nun wird sich auf 1B bezogen. 1B zeigt ein RHEED-Bild einer ZnO-Schicht, die unter der bei 1B in 1A aufgetragenen Bedingung aufwuchs (bei einer Wachstumstemperatur Tg von 800°C). Dieses RHEED-Bild bildet ein Punktmuster. Aus diesem Muster ist zu erkennen, dass die ZnO-Schicht dreidimensional aufwächst.
  • Nun wird sich auf 1C bezogen. 1C zeigt ein RHEED-Bild einer ZnO-Schicht, die unter der bei 1C in 1A aufgetragenen Bedingung aufwächst (bei einer Wachstumstemperatur Tg von 850°C). Dieses RHEED-Bild formt ein Strichmuster. Man kann aus diesem Muster erkennen, dass die ZnO-Schicht zweidimensional aufwächst. Im Vergleich zu einer dreidimensional aufgewachsenen ZnO-Schicht weist eine zweidimensional aufgewachsene ZnO-Schicht eine bessere Ebenheit auf.
  • Nun wird sich auf 1D bezogen. 1D zeigt ein RHEED-Bild einer ZnO-Schicht, die unter der bei 1D in 1A aufgezeigten Bedingung aufwächst (bei einer Wachstumstemperatur Tg von 1000°C). Ähnlich zu dem in 1C gezeigten Bild bildet dieses RHEED-Bild ein Streifenmuster. Aus diesem Muster ist zu erkennen, dass die ZnO-Schicht sogar bei der Wachstumstemperatur Tg von 1000°C zweidimensional aufwächst.
  • Es kann aus den RHEED-Bildern, die in den 1C und 1D gezeigt sind, bestätigt werden, dass eine ZnO-Schicht zweidimensional bei der Wachstumstemperatur Tg von 850°C oder höher aufwächst.
  • Eine Aufwuchs- bzw. Wachstumstemperatur ist einer Korrektur auf eine wirkliche Wachstumstemperatur unterworfen. Wie oben beschrieben, ist die Wachstumstemperatur Tg eine Temperatureinstellung eines Substratheizers. Eine wirkliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo erhält man aus der Wachstumstemperatur Tg.
  • 2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg und einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo zeigt.
  • Die Abszisse des Graphen stellt eine Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg dar, und die Ordinate stellt eine wirkliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo, jeweils in der Einheit „°C“, dar. Die wirkliche Wachstumstemperatur Tgo wurde mit einem Pyrometer gemessen.
  • Die Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg ist nicht proportional zur wirklichen Wachstumstemperatur..(Substratoberflächentemperatur) Tgo, sondern wenn die Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg ansteigt, verringert sich ein Anstiegsfaktor der wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo. Man kann aus dem Graphen erkennen; dass die wirkliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo von 740°C der Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg von 850°C entspricht. Es ist nämlich verständlich, dass eine ZnO-Schicht zweidimensional bei einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo von 740°C oder höher aufwächst.
  • 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo und einer ZnO-Wiederverdampfungsrate RZnO zeigt.
  • Eine Kurve e gibt die Beziehung zwischen einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo und einer ZnO-Wiederverdampfungsrate RZnO an, wenn eine ZnO-Schicht auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats aufwächst, und eine Kurve f gibt die Beziehung an, wenn eine ZnO-Schicht auf einer O-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats aufwächst.
  • Die Abszisse des Graphen stellt die wesentliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo in einer Einheit „°C“ dar, und die Ordinate stellt die ZnO-Wiederverdampfungsrate RZnO in der Einheit „nm/h“ dar. Die Abszisse ist linear skaliert, und die Ordinate ist logarithmisch skaliert.
  • Untersuchungen werden ferner gegeben durch erneutes Aufschreiben der Gleichung (1) für eine Wachstumsrate einer ZnO-Schicht: G= [ ( k Zn ⋅ J Zn ) − 1 + ( k O ⋅ J O ) − 1 ] − 1 − R ZnO
    Figure DE102006051455B4_0002
  • In Gleichung (1) wird keine ZnO-Schicht gebildet, falls die Wiederverdampfungsrate von ZnO schneller als die Wachstumsrate von ZnO ist.
  • Wie unter Bezug auf 1A beschrieben, wächst eine ZnO-Schicht auf der Zn-Polaritätsebene allgemein bei einer konstanten Wachstumsrate (ca. 560 nm/h) im Bereich von ca. über 1000°C der Wachstumstemperatur Tg, unabhängig von der Wachstumstemperatur Tg, auf.
  • Daher sollte, um es einer ZnO-Schicht zu ermöglichen, aufzuwachsen, die ZnO-Wiederverdampfungsrate RZnO gleich der ZnO-Wachstumsrate (560 nm/h) oder geringer sein. Bezug nehmend auf 1 entspricht RZnO ≤ 560 nm/h der wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) ≤ 980°C. Bezug nehmend auf 2 entspricht die wirkliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) ≤ 980°C der Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg ≤ 1250°C.
  • Der Temperaturbereich, in welchem eine ZnO-Schicht zweidimensional aufwachsen kann, kann daher durch die folgende Formel (2) oder (3) definiert werden: 850 ° C ≤ Tg ≤ 1250 ° C
    Figure DE102006051455B4_0003
     740 ° C ≤ Tgo ≤ 980 ° C
    Figure DE102006051455B4_0004
  • Um eine ZnO-Schicht bei einer ausreichend hohen Rate aufwachsen zu lassen, wird die Bedingung RZnO ≤ 50 nm/h eingeführt. Wie aus 3 erkennbar, entspricht die Bedingung RZnO ≤ 50 nm/h der wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tg ≤ 900°C. Nach 2 entspricht die wirkliche Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tg ≤ 900°C der Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg ≤ 1100°C.
  • Daher wird ein mehr bevorzugter Temperaturbereich, in welchem eine ZnO-Schicht zweidimensional aufwachsen kann, durch die folgende Formel (4) oder (5) angegeben, indem eine Wachstumsrate mit berücksichtigt wird: 850 ° C ≤ Tg ≤ 1100 ° C
    Figure DE102006051455B4_0005
     740 ° C ≤ Tgo ≤ 90 0 ° C
    Figure DE102006051455B4_0006
  • Im Temperaturbereich der Formel (4) oder (5) kann eine ZnO-Schicht zweidimensional aufwachsen, ohne die Wachstumsrate zu erniedrigen.
  • Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass ein Aktivierungsverhältnis verbessert werden kann durch Aufwachsenlassen einer epitaktischen Schicht aus ZnO mit Eigenschaften vom n-Typ im Temperaturbereich der Formel (4) oder (5) und unter der Zn-reichen Bedingung.
  • 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Ga-Konzentration und einer Trägerkonzentration in einer ZnO-Schicht (dotiert mit Ga-Fremdatomen) zeigt, die auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats epitaktisch aufgewachsen ist.
  • Die Abszisse des Graphen stellt eine Ga-Konzentration in ZnO-Schichten in der Einheit „cm-3“ dar, und die Ordinate stellt eine Trägerkonzentration in der Einheit „cm-3“ dar. Beide Achsen weisen logarithmische Skalierungen auf. Die Ga-Konzentration und die Trägerkonzentration werden durch SIMS- bzw. Hall-Effekte gemessen.
  • ZnO-Schichten wurden bei der wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo von 785°C und der Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung des Substratheizers) Tg von 900°C aufgewachsen. ZnO-Schichten wurden unter der Zn-reichen Bedingung und der O-reichen Bedingung aufwachsen gelassen, und die Beziehung zwischen der Ga-Konzentration und der Trägerkonzentration jeder ZnO-Schicht wurde überprüft.
  • In diesem Graphen gibt eine gerade Linie, welche weiße Dreiecke verbindet, die Beziehung zwischen der Ga-Konzentration und der Trägerkonzentration in ZnO-Schichten an, die bei einem Flussverhältnis von 0,28 und unter der Zn-reichen Bedingung aufwuchsen. Eine gerade Linie, die weiße Quadrate verbindet, zeigt die Beziehung in ZnO-Schichten an, die bei einem Flussverhältnis von 0,35 und unter der Zn-reichen Bedingung aufwuchsen. Eine gerade Linie, die weiße Kreise verbindet, zeigt das Verhältnis bzw. die Beziehung in ZnO-Schichten an, die bei einem Flussverhältnis von 5,0 und unter der O-reichen Bedingung aufwuchsen.
  • Die Zn-reiche Bedingung beim Flussverhältnis von 0,28 wurde bei einer O-Flussintensität JO von 5,5 × 1014 Atome/cm2 · s und einer Zn-Flussintensität JZn von 2,0 × 1015 Atome/cm2 · s (3,64-mal der Zn-reichen Bedingung) realisiert. Die Zn-reiche Bedingung beim Flussverhältnis von 0,35 wurde bei einer O-Flussintensität JO von 7.0 × 1014 Atome/cm2 · s und einer Zn-Flussintensität JZn von 2,0 × 1015 Atome/cm2 · s (2,86-mal der Zn-reichen Bedingung) realisiert. Die O-reiche Bedingung beim Flussverhältnis von 5,0 wurde bei einer O-Flussintensität JO von 1,0 × 1015 Ato- me/cm2 · s und einer Zn-Flussintensität JZn von 2,0 × 1014 Atome/cm2 · s (kO = kZn = 1) realisiert.
  • Eine in 4 gezeigte gestrichelte Linie gibt ein Aktivierungsverhältnis von „1“ an. Das Aktivierungsverhältnis wird definiert durch (Trägerkonzentration)/(Ga-Konzentration) und ist ein Index, der repräsentativ für einen Beitragsgrad von Ga zu den Trägern ist.
  • Nun wird sich auf den Graphen bezogen. Ein Aktivierungsverhältnis von ZnO-Schichten, die unter der O-reichen Bedingung gebildet werden, ist niedrig. Ein Erhöhungsfaktor der Trägerkonzentration ist niedriger als derjenige der Ga-Konzentration. Daher verringert sich das Aktivierungsverhältnis, wenn sich die Ga-Konzentration erhöht. Das Aktivierungsverhältnis in dem in 4 gezeigten Bereich beträgt 0,04 bis 0,29.
  • Dies kann darauf zurückgehen, dass das Ga, das in der ZnO-Schicht dotiert ist, oxidiert und bei einer hohen wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) Tgo von 785°C und einer hohen Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) Tg von 900°C nicht als Träger funktioniert.
  • Im Gegensatz dazu ist ein Aktivierungsverhältnis von ZnO-Schichten, die unter der Zn-reichen Bedingung gebildet wurden, hoch. Beispielsweise weist die ZnO-Schicht, die unter der Zn-reichen Bedingung bei dem Flussverhältnis von 0,28 gebildet wurde, ein Aktivierungsverhältnis von fast „1“ bei der Ga-Konzentration von 5,0 × 1017 cm-3 oder höher und 7,0 × 1019 cm-3 oder niedriger auf.
  • Die vorliegenden Erfinder haben aus den Untersuchungsergebnissen bestätigt, dass eine ZnO-Schicht mit einem Aktivierungsverhältnis von 0,5 oder höher zumindest im Ga-Konzentrationsbereich von 5,0 × 1017 cm-3 oder höher bis 7,0 × 1019 cm-3 oder niedriger gebildet werden kann durch Aufwachsenlassen der ZnO-Schicht im Temperaturbereich der Formel (4) oder (5) unter der Zn-reichen Bedingung (die Zn-reiche Bedingung ist nicht auf 2,86 mal oder 3,64 mal der Zn-reichen Bedingung beschränkt). Es ist auch bestätigt worden, dass eine ZnO-Schicht, die im oben beschrieben Ga-Konzentrationsbereich aufwuchs, eine gute Kristallinität und eine gute D0X-optische Emissionsintensität aufweist.
  • Um eine ZnO-Schicht guter Qualität aufwachsen zu lassen, wird es bevorzugt, die ZnO-Schicht unter der Zn-reichen Bedingung und mindestens bei einem Flussverhältnis von 1 oder kleiner aufwachsen zu lassen, und noch bevorzugter unter der Zn-reichen Bedingung und bei dem Flussverhältnis von 0,35 oder kleiner. Um ein Aktivierungsverhältnis von 0,5 oder größer zu erreichen, wird ein Aufwachsen der ZnO-Schicht unter der Zn-reichen Bedingung und beim Flussverhältnis von 0,35 oder kleiner aus den Tatsachen abgeleitet, dass bei einer Ga-Konzentration von ca. 5,0 × 1018 cm-3, einem Aktivierungsverhältnis von 0,28 unter der O-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 5,0 ein Aktivierungsverhältnis von 0,50 unter der Zn-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 0,35 vorliegt, und ein Aktivierungsverhältnis 0,94 unter der Zn-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 0,28 beträgt.
  • Der Grund, warum das Aktivierungsverhältnis unter der O-reichen Bedingung niedrig ist, kann darauf zurückgeführt werden, dass Ga2O3 oder ZnGa2O4 durch Oxidation von Ga gebildet wird und eine Ersetzung von Zn-Stellen des ZnO nicht beeinträchtigt wird, und dass die Zn-reiche Bedingung eine Erzeugung von Ga2O3 oder ZnGa2O4 verringert und ein hohes Aktivierungsverhältnis ermöglicht.
  • Eine epitaktische Schicht mit einer guten Ebenheit kann gebildet werden durch Bilden einer ZnO-Schicht im Temperaturbereich der Formel (4) oder (5). Da die ZnO-Schicht bei einer schnellen Wachstumsrate mittels Annehmens der Zn-reichen Bedingung aufwachsen kann, kann die ZnO-Schicht in kurzer Zeit und bei niedrigen Kosten gebildet werden.
  • Gleiche Effekte sind zu erwarten, falls Al oder In statt Ga als Fremdatome vom n-Typ für das ZnO-Kristall verwendet werden.
  • Statt eines ZnO-Kristalls kann ein ZnO-basierter Verbundhalbleiterkristall vom n-Typ aufgewachsen gelassen werden, wie beispielsweise ZnMgO, ZnCdO und ZnSeO. Der ZnO-basierte Verbundhalbleiterkristall wird dargestellt durch Zn1-{x+y+z)MgxBeyCdzO1-{a+β+γ)SαSeβTeγ.(x+y+z ≤ 0,5, α+β+γ ≤ 0,5) (Mischkristall, der Zinkoxid als Basis enthält, wobei Mg, Be und Cd an Zn-Stellen vorhanden sind und S, Se und Te an O-Stellen vorhanden sind).
  • Der ZnO-Kristall und der ZnO-basierte Verbundhalbleiterkristall brauchen nicht nur auf einem Zinkoxid-Substrat aufwachsen, sondern auch auf einem Einkristallsubstrat (Saphirsubstrat, GaN-Grundlage, SiC-Substrat oder dergleichen), das in der Lage ist, einen ZnO-basiertes Verbundhalbleiterkristall mit der Zn-Polaritätsebene aufwachsen zu lassen.
  • Von der Ausführungsform wird erwartet, dass sie nicht nur auf einer ZnO-Schicht vom n-Typ anwendbar ist, sondern auf einer ZnO-Schicht vom p-Typ.
  • Als Nächstes wird eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung mit einer ZnO-Schicht gegeben, die mit Ga dotiert ist und auf der Zn-Polaritätsebene ausgebildet wird.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Herstellungssystem zum Herstellen eines ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristalls unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie zeigt, wobei das Herstellungssystem mit einem Herstellungsverfahren für den ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. Durch Verwenden des Herstellungssystems für den ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall kann ein ZnO-basierter Verbundhalbleiterkristall vom n-Typ zweidimensional ohne Verringern der Wachstumsrate aufwachsen, wobei der Kristall ein Aktivierungsverhältnis von 0,5 oder höher in einem Ga-Konzentrationsbereich von 5,0 × 1017 cm-3 oder höher bis zu 7,0 × 1019 cm-3 oder niedriger aufweist.
  • Ein Gestell 7 wird an einer Ultrahochvakuumkammer 1 befestigt, und ein Einkristallsubstrat 8 wird an dem Gestell 7 angeordnet. Die Ultrahochvakuumkammer 1 ist ausgerüstet mit: einer Zinkquellenkanone 4 zum Ausstrahlen eines Zinkstrahls aus einer K-Zelle; einer Sauerstoffquellenkanone 5 zum Ausstrahlen eines Sauerstoffradikalstrahls, der gebildet wird durch Herstellen von Radikalen eines Sauerstoffgases; einer Galliumquellenkanone 6 zum Abstrahlen eines Galliumstrahls aus einer K-Zelle, einer Stickstoffquellenkanone 9 zum Abstrahlen eines Stickstoffradikalstrahls, der gebildet wird durch Herstellen eines Radikals von Stickstoffgas; und einer Magnesiumquellenkanone 10 zum Abstrahlen eines Magnesiumstrahls aus einer K-Zelle. Strahlen von den Quellenkanonen können zur gleichen Zeit zum Einkristallsubstrat 8 ausgestrahlt werden, um ein ZnO-Kristall oder dergleichen auf dem Einkristallsubstrat 8 zu bilden.
  • Die Ultrahochvakuumkammer 1 ist auch mit einer RHEED-Kanone 2 und einem RHEED-Schirm 3 ausgerüstet. Elektronen, die von der RHEED-Kanone 2 abgestrahlt werden, werden durch den ZnO-Kristall gebeugt, der auf dem Einkristallsubstrat 8 gebildet wird, und treffen auf den RHEED-Schirm 7. Der ZnO-Kristall, der auf dem Einkristallsubstrat 8 gebildet wird, kann auf dem RHEED-Schirm beobachtet werden.
  • Das Quellgas für den Strahl aus Stickstoffradikalen, der von der Stickstoffquellenkanone 9 auszustrahlen ist, kann beispielsweise Stickstoffdioxid (NO2), Distickstoffmonoxid (N2O) oder dergleichen sein. Ammoniak (NH3) kann aufgeknackt werden, um Stickstoff von der Stickstoffquellenkanone 6 auszustrahlen.
  • 6A bis 6D sind schematische Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren für einen ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall darstellen.
  • Nun wird sich auf 6A bezogen. Ein ZnO-Substrat 11 wird präpariert. Das präparierte ZnO-Substrat 11 wird nassgeätzt und gereinigt an einer Position außerhalb des in 5 gezeigten ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall-Herstellungssystems. Danach wird das ZnO-Substrat 11 an das Gerüst im ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall-Herstellungssystem angeordnet und dort gehalten. Das ZnO-Substrat 11 wird einem Ausheizen bei 800°C bis 900°C unterworfen, um die Substratoberfläche zu reinigen. Im Folgenden werden notwendige Strahlen auf das gereinigte ZnO-Substrat 11 gestrahlt, um Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie in einer Gasabscheidungsphase zu bilden.
  • Eine ZnO-Pufferschicht vom n-Typ 12 wird auf der Zn-Polaritätsebene des gereinigten ZnO-Substrats 11 gebildet. Eine Dicke der Pufferschicht beträgt beispielsweise 100 x 10↑-10↑ m bis 300 x 10↑-10↑ m, und die Pufferschicht wird bei einer Wachstumstemperatur von 300°C bis 500°C aufwachsen gelassen.
  • Als Nächstes wird eine ZnO-Schicht n-Typ 13, die mit Ga dotiert ist, auf der Oberfläche der ZnO-Pufferschicht vom n-Typ 12 mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Zn-reichen Bedingung und bei dem Flussverhältnis von beispielsweise 0,35 oder kleiner gebildet. Eine Ga-Konzentration wird auf 5,0 × 1017 cm-3 oder höher und 7,0 × 1019 cm-3 oder niedriger festgesetzt. Die ZnO-Schicht vom n-Typ wird auf eine Dicke von 1 bis 2 µm wachsen gelassen, und zwar bei einer Wachstumstemperatur (Temperatureinstellung eines Substratheizers) von 850°C bis 1100°C und einer wirklichen Wachstumstemperatur (Substratoberflächentemperatur) von 740°C bis 900°C. Die ZnO-Schicht vom n-Typ 13 weist ein Aktivierungsverhältnis von 0,5 oder höher auf.
  • Als Nächstes lässt man eine ZnMgO-Schicht vom n-Typ 14 auf der Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ 13 bis zu einer Dicke von 1000 × 10-10 m bis 6000 × 10-10 m bei einer Wachstumstemperatur aufwachsen, die niedriger als diejenige für die ZnO-Schicht vom n-Typ 13 ist.
  • Eine ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht 15 wird auf der Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom n-Typ 14 bei einer Wachstumstemperatur von 500°C bis 900°C gebildet. Störatome sind nicht dotiert. Die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht 15 wird später genauer beschrieben.
  • Eine ZnMgO-Schicht vom p-Typ 16, die mit Stickstoff dotiert ist, wird auf der Oberfläche der ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht 15 bis zu einer Dicke von 1000 × 10-10 m bis 3000 × 10-10 m bei einer Wachstumstemperatur von 500°C bis 1000°C gebildet. Eine Stickstoffkonzentration wird auf 1 × 1018 cm-3 oder höher festgesetzt.
  • Als Letztes wird eine ZnO-Schicht vom p-Typ 17, die mit Stickstoff bei einer Konzentration von 1 × 1019 cm-3 oder höher dotiert ist, auf der Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom p-Typ 16 bis zu einer Dicke von 1000 × 10-10 m bis 2000 × 10-10 m bei einer Wachstumstemperatur von 500°C bis 1000°C aufgewachsen.
  • Nun wird sich auf 6B bezogen. Die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht 15 weist eine Schichtstruktur einer Sperrschicht 15b von ZnMgO auf, die auf einer Topfschicht 15w von ZnO aufgestapelt ist.
  • Nun wird sich auf 6C bezogen. Die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht 15 kann eine Mehrfach-Quantentopfschicht mit einer Vielzahl der Schichtstrukturen der Topfschicht 15w und Sperrschicht 15b sein.
  • Nun wird sich auf 6D bezogen. Nach den Schicht (Film)-bildenden Abläufen, die oben beschrieben sind, werden Elektroden gebildet. Das ZnO-Substrat 11 mit einer Schichtung von Schichten aus der ZnO-Pufferschicht vom n-Typ 12 mit der ZnO-Schicht vom p-Typ 17 wird dem ZnO-basierten Verbundhalbleiterkristall-Herstellungssystem entnommen, und eine Abdecklackschicht, eine Schutzschicht oder dergleichen wird gebildet, um eine Ätzmaske mit einem Aussparungsfenster (n-Typ-Elektrodenbildungsteil) eines vorbestimmten Musters zu bilden. Danach werden die oberhalb des ZnO-Substrats gebildeten Schichten durch das Aussparungsfenster durch Nassätzen oder reaktives lonenätzen geätzt, bis die Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ 13 freiliegt. Eine Elektrode vom n-Typ 19 wird auf der Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ 13 gebildet, und zwar mit einer Schichtstruktur aus einer Aluminiumschicht von 3000 × 10-10 m bis 5000 × 10-10 m Dicke, die auf einer Titanschicht von 20 × 10-10 m bis 100 × 10-10 m Dicke gebildet wird.
  • Als Nächstes wird die Ätzmaske, die zum Bilden der Elektrode vom n-Typ 19 verwendet wurde, entfernt. Eine durchsichtige Elektrode vom p-Typ 18 wird auf der Oberfläche der ZnO-Schicht vom p-Typ 17 gebildet, und zwar mit einer Schichtstruktur einer Nickelschicht von 5 × 10-10 m bis 10 × 10-10 m Dicke und einer Goldschicht von 100 x 10↑-10↑ m Dicke, die auf die Nickelschicht gestapelt wird.
  • Eine Verbindungs- bzw. Bonding-Elektrode 20 aus Gold mit einer Dicke von z.B. 5000 × 10-10 m wird auf der durchsichtigen Elektrode vom p-Typ 18 gebildet. Danach wird ein Elektrodenlegierungsprozess in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von z.B. 700°C bis 800°C ausgeführt. Eine Zeit des Legierungsablaufs beträgt 3 Minuten bis 10 Minuten. Eine ZnO-Leuchtvorrichtung wird daher auf die oben beschriebene Art hergestellt.
  • Die Leuchtvorrichtung mag als eine Leuchtdiode (LED) kurzer Wellenlänge (Wellenlänge vom ultravioletten bis zum blauen) verwendet werden, als eine Laserdiode (LD) einer kurzen Wellenlänge, als Anwendungsprodukte dieser Dioden (z.B. Anzeigen, LED-Bildschirme und dergleichen), als eine weiße Farb-LED und ihre Anwendungsprodukte (z.B. Beleuchtungsinstrumente, Anzeiger, Bildschirme, Rückbeleuchtung jeder Displayvorrichtung und dergleichen).

Claims (4)

  1. Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: (a) Bilden einer ZnO-Pufferschicht vom n-Typ auf einer Zn-Polaritätsebene eines ZnO-Substrats; (b) Bilden einer ZnO-Schicht vom n-Typ auf einer Oberfläche der ZnO-Pufferschicht vom n-Typ; (c) Bilden einer ZnMgO-Schicht vom n-Typ auf einer Oberfläche der ZnO-Schicht vom n-Typ; (d) Bilden einer ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom n-Typ, wobei die ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht durch wechselweises Aufschichten einer ZnO-Schicht und einer ZnMgO-Schicht gebildet wird; (e) Bilden einer ZnMgO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnO/ZnMgO-Quantentopfschicht; (f) Bilden einer ZnO-Schicht vom p-Typ auf einer Oberfläche der ZnMgO-Schicht vom p-Typ; und (g) Bilden einer Elektrode auf der ZnO-Schicht vom n-Typ und der ZnO-Schicht vom p-Typ, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ bei Schritt (b) unter einer Zn-reichen Bedingung gebildet wird; und wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ unter der Zn-reichen Bedingung und bei einem Flussverhältnis von 0,35 oder kleiner bei Schritt (b) gebildet wird.
  2. Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ gebildet wird durch Festsetzen einer Temperatur des ZnO-Substrats bei Schritt (b) auf 740°C oder höher und 900°C oder niedriger.
  3. Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ bei Schritt (b) gebildet wird durch Dotieren von Fremdatomen von Gallium (Ga), Aluminium (AI) oder Indium (In) bei einer Konzentration von 5,0 × 1017 cm-3 oder höher und 7.0 × 1019 cm-3 oder niedriger.
  4. Herstellungsverfahren für eine ZnO-basierte Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ZnO-Schicht vom n-Typ mittels Molekularstrahlepitaxie gebildet wird.
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