DE112005000529B4 - Verbindungshalbleiter-Vorrichtung, Herstellungsverfahren der Verbindungshalbleiter-Vorrichtung und Diode - Google Patents

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Abstract

Verbindungshalbleiter-Vorrichtung, umfassend:
ein hexagonales Siliciumcarbidkristallsubstrat; und
eine auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat gebildete Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, wobei
das Siliciumcarbidkristallsubstrat eine Oberfläche aufweist, die eine {0001}-Kristallebene annimmt, und
die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111}-Kristall gebildet ist, welcher auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats und parallel dazu geschichtet ist,
wenn die Anzahl der Schichten, die in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthalten ist, n ist, eine n-schichtige Schichtstruktur, die in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats aufweist, und
die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kein reines Borphosphid umfasst.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit einem Substrat aus hexagonalem Siliciumcarbidkristall und einer Borphosphidmaterialschicht, die auf dem Substrat vorgesehen ist, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und eine die Halbleiter-Vorrichtung enthaltende Diode.
  • HINTERGRUNDTECHNIK
  • Es ist bekannt, dass Siliciumcarbid (SiC) eine Vielzahl von Kristallstrukturtypen aufweist, wie z. B. kubisch (sogenannter β-Typ) und hexagonal (sogenannter α-Typ), und eine breite Bandlücke aufweist (Nicht-Patentdokument 1).
  • Z. B. weist ein aus Siliciumcarbid des kubischen β-Typs aufgebautes Kristallsubstrat eine breite Bandlücke auf und ist transparent bezüglich Licht, welches von einer UV-Halbleiterschicht emittiert wird. Daher wird das Substrat als transparentes Kristallsubstrat verwendet (siehe Patentdokument 1).
  • Ein UV-Halbleiterlaser mit einem aus Siliciumcarbid des kubischen β-Typs aufgebauten Kristallsubstrat und Komponentenschichten, wie z. B. einer auf dem Substrat gebildeten, Licht-emittierenden Schicht, kann Licht durch die obere Oberfläche sowie durch eine seitliche Oberfläche oder eine rückseitige Oberfläche emittieren, was zu einer hervorragenden Lichtgewinnungseffizienz führt.
  • Hexagonales α-Typ-Siliciumcarbid (SiC), welches durch ein Ramsdell-Symbol von 2H (Wurtzit), 4H oder 6H dargestellt wird, wird als Substratmaterial zur Bildung einer Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, wie z. B. einer Galliumnitrid(GaN)-Leuchtdiode (kann im folgenden als LED bezeichnet werden), verwendet.
  • Z. B. ist eine blaues Licht emittierende Vorrichtung mit einem α-Typ-Siliciumkristallsubstrat mit einer {0001}-Kristallebene als einer Oberfläche und einer auf der Oberfläche abgeschiedenen Licht-emittierenden Schicht, die aus Galliumindiumnitrid (GaYInzN:0 ≤ Y, Z ≤ 1, Y + Z = 1) gebildet ist, offenbart (siehe Patentdokument 2).
  • Siliciumcarbid (SiC) wird auch als Substratmaterial eingesetzt. Z. B. ist eine Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit einer aufgewachsenen Schicht, die auf einem Siliciumcarbid(SiC)-Einkristall-Substrat abgeschieden ist, offenbart (siehe Patentdokument 3).
  • Derweil hat hexagonales Siliciumcarbid (SiC) eine a-Achsen-Gitterkonstante (a) von 0,308 nm, die fast äquivalent zur a-Achsen-Gitterkonstante (a) von Galliumnitrid (GaN) ist (0,319 nm). Daher können hexagonales Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) miteinander mit wenigen Fehlanpassungsversetzungen verbunden werden.
  • Eine Leuchtdiode mit pn-Übergang, die auf der Gitterübereinstimmungseigenschaft beruht, ist offenbart, wobei die Diode eine Hetero-Übergangsstruktur aufweist, die eine p-Typ-Siliciumcarbid(SiC)-Schicht und eine n-Typ-Schicht aus hexagonalem Aluminiumgalliumnitrid (Zusammensetzungsformel: AlXGaYN: 0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1) enthält (siehe Patentdokument 4).
  • Eine blaues Licht emittierende Vorrichtung mit einer Übergangsstruktur zwischen einem p-Typ-Siliciumcarbid(SiC)-Einkristall und einem n-Typ-Siliciumcarbid(SiC)-Einkristall ist ebenfalls offenbart (siehe Patentdokument 5).
  • Wie oben beschrieben ist, sind einige Fälle offenbart, wo eine Licht-emittierende Schicht verwendet wird, die aus Siliciumcarbid (SiC) gebildet ist. Im allgemeinen dient Siliciumcarbid (SiC) jedoch als Substratmaterial, und eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit aufgewachsenen/gezüchteten Schichten, die auf einem Siliciumcarbid(SiC)-Kristallsubstrat abgeschieden sind, wie in den Patentdokumenten 1 bis 3 offenbart, wird in einer Vielzahl von Gebieten eingesetzt.
  • Wenn ein Siliciumcarbid(SiC)-Kristallsubstrat verwendet wird, sind Komponentenschichten, welche eine Licht-emittierende Schicht beinhalten, nicht direkt in dem Kristallsubstrat gebildet. Es sind Verfahren zur Bildung einer Licht-emittierenden Vorrichtung beschrieben, beinhaltend das Bilden einer Borphosphid(BP)-Pufferschicht auf einem Siliciumcarbid(SiC)-Kristallsubstrat, gefolgt von einer Bildung von Komponentenschichten, einschließlich einer Licht-emittierenden Schicht (siehe Patentdokumente 6 und 7).
  • Eine andere Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung ist offenbart, in welcher eine Übergitterschicht, welche eine Borphosphid(BP)-Pufferschicht beinhaltet, auf einem Siliciumcarbid(SiC)-Kristallsubstrat gebildet ist (siehe Patentdokument 8).

    [Nicht-Patentdokument 1]
    Y. Kumashiro, Electric Refractory Materials, (USA), Marcel Dekker Inc., (2000), S. 409–411.

    [Patentdokument 1]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 4-84486 .

    [Patentdokument 2]
    Japanische Patentveröffentlichung (kokoku) Nr. 55-3834 .

    [Patentdokument 3]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 60-207332 .

    [Patentdokument 4]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2-177577 .

    [Patentdokument 5]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2-46779 .

    [Patentdokument 6]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2-275682 .

    [Patentdokument 7]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2-288388 .

    [Patentdokument 8]
    Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2-288371 .
    Chu et al., in Journal of Applied Physics, Vol. 42, Nr. 1, 1971, S. 420–424, offenbaren die Abscheidung von Borphosphid-Schichten auf einem hexagonalen Siliciumcarbid-Substrat.
  • US 2003/0173573 A1 offenbart eine Halbleiteranordnung mit einer Borphosphid-Schicht auf einem Substrat, welches SiC sein kann.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Im Gegensatz zu einem hexagonalen Gruppe III-Nitridverbindungshalbleiter, wie z. B. einer Verbindung der Zusammensetzungsformel AlXGaYN: 0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1), weist Borphosphid (BP) vom Sphalerit-Kristallstrukturtyp ein entartetes Valenzband auf (siehe Patentdokument 6, Seite 2, untere rechte Spalte der Beschreibung, sowie 7).
  • Daher wird eine p-Typ-Leitschicht leicht aus Borphosphid (BP) gebildet. Wie in Patentdokument 6 offenbart ist, wird herkömmlicherweise eine Magnesium(Mg)-dotierte Borphosphid(BP)-Schicht vom p-Typ mit einer Bandlücke von 2,0 eV als Kontaktschicht einer Laserdiode (LD) eingesetzt.
  • Derweil nimmt Borphosphid (BP) eine Sphalerittyp-Kristallstruktur mit einer Gitterkonstante von 0,454 nm an (Iwao Teramoto, ”Introduction of Semiconductor Device”, 30. März (1995) Baihukan, S. 28).
  • Das Ausmaß der Gitterfehlanpassung zwischen Borphosphid (BP) und von (hexagonalem) Siliciumcarbid vom 6H-Typ (a-Achsen-Gitterkonstante (a) = 0,308 nm) beträgt daher bis zu 47,3% (bezogen auf Siliciumcarbid vom 6H-Typ (hexagonal)).
  • Wenn daher ein hexagonales Siliciumcarbid(SiC)-Kristallsubstrat verwendet wird, kann eine Borphosphid(BP)-Schicht mit einer hervorragenden Kristallinität nicht zuverlässig gebildet werden. Mit anderen Worten sind Verbindungshalbleiter-Vorrichtungen mit hervorragenden Durchschlagspannungseigenschaften bisher nicht zuverlässig bereitgestellt worden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in einem Versuch konzipiert, die vorgenannten Probleme, die mit herkömmlichen Techniken einhergehen, zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit einem hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrat und einer auf dem Substrat abgeschiedenen Halbleiterkristallschicht auf Borphosphid-Basis bereitzustellen, wobei die Vorrichtung hervorragende Durchschlagspannungseigenschaften aufweist. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung bereitzustellen, wobei das Verfahren die Bildung einer Halbleiterkristallschicht auf Borphosphid-Basis auf einem Siliciumcarbidkristallsubstrat mit hohem Gitterübereinstimmungsgrad ermöglicht, was zu hervorragenden Durchschlagspannungseigenschaften führt. Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine pn-Übergangsdiode mit hervorragenden Durchschlagspannungseigenschaften bereitzustellen.
  • Die vorgenannten Ziele können durch Folgendes erreicht werden:
    • (1) Verbindungshalbleiter-Vorrichtung, umfassend: ein hexagonales Siliciumcarbidkristallsubstrat; und eine auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat gebildete Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, worin das Siliciumcarbidkristallsubstrat eine Oberfläche aufweist, die eine {0001}-Kristallebene annimmt, und die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem Kristall mit einer Oberfläche, welche eine {111}-Kristallebene annimmt (im folgenden als {111}-Kristall bezeichnet), gebildet ist, wobei der Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats und parallel dazu geschichtet ist, wenn die Anzahl der Schichten, die in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthalten ist, n ist, eine n-schichtige Schichtstruktur, die in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats aufweist, und die Halbleiterstruktur auf Borphosphid-Basis kein reines Borphosphid umfasst.
    • (2) Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach (1), worin der die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildende {111}-Kristall auf dem Siliciumcarbidsubstrat liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet ist.
    • (3) Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach (1) oder (2), worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem undotierten Halbleiter auf Borphosphid-Basis gebildet ist, dem ein Verunreinigungselement zur Regulierung des Ladungstyps nicht absichtlich zugegeben worden ist.
    • (4) Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem von (1) bis (3), worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis Zwillingskristalle enthält, die jeweils eine als Zwillingsebene fungierende {111}-Kristallebene aufweisen.
    • (5) Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit einem hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrat und einer Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat ausgebildet ist, umfassend: Zuführen mindestens einer borhaltigen Verbindung und einer phosphorhaltigen Verbindung in eine Dampfphasenzüchtungszone, um so eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf einer Oberfläche eines Siliciumcarbidkristallsubstrats, welches eine als Basisschicht dienende {0001}-Kristallebene annimmt, zu bilden, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111}-Kristall gebildet ist, wobei der Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, und, wenn die Anzahl der in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthaltenen Schichten n ist, eine in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthaltene n-schichtige Schichtstruktur eine Schichthöhe aufweist, die gleich der c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist, das Zuführen bei einer Bildungstemperatur von 700°C bis 1200°C, einem V/III-Verhältnis von 10 bis 50 oder 200 und mehr und 2000 oder weniger und einer Bildungsgeschwindigkeit von 2 nm/min. bis 30 nm/min. durchgeführt wird, und die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kein reines Borphosphid umfasst.
    • (6) Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach (5), worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bei 750°C bis 1200°C gebildet wird.
    • (7) Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem von (5) bis (6), worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis in einer anfänglichen Phase der Bildung der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bei einer Züchtungsrate von 20 nm/min bis 30 nm/min gebildet wird.
    • (8) Diode, umfassend eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem von (1) bis (4), umfassend: eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, die als p-Typ-Schicht oder n-Typ-Schicht dient, welche auf einer {0001}-Kristallebene eines hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111]-Kristall aufgebaut ist, wobei der Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, und, wenn die Anzahl der in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthaltenen Schichten n ist, eine in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthaltene n-schichtige Schichtstruktur eine Schichthöhe aufweist, die gleich der c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist.
  • In der Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist eine n-schichtige Schichtstruktur, welche in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats auf. Somit kann eine hervorragende Gitterübereinstimmung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis sowohl in der planaren Richtung als auch in der Schichtungs- bzw. Stapelrichtung realisiert werden. So können z. B. hervorragende Gleichrichteigenschaften und Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden.
  • Da der die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildende {111}-Kristall auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet ist, kann eine noch überragendere Gitterübereinstimmung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis erzielt werden. Somit kann eine hervorragende Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit wenigen Fehlanpassungsversetzungen erzeugt werden, und es können hervorragende Gleichrichteigenschaften und Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden.
  • Da die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem undotierten Halbleiter auf Borphosphid-Basis gebildet ist, dem ein Verunreinigungselement zur Regulierung des Leitungstyps nicht absichtlich zugegeben worden ist, ist der Leckstrom vermindert, und es können hervorragende Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden.
  • Da die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis Zwillingskristalle mit jeweils einer als Zwillingsebene dienenden {111}-Kristallebene enthält, ist eine Gitterfehl(an)passung abgemildert, wodurch ein Leckstrom vermindert ist und hervorragende Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden können.
  • Bevorzugt sind die Zwillingskristalle in großen Mengen in einem Bereich in der Nähe der Heteroübergangsgrenzfläche zwischen dem Siliciumcarbidkristall und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis enthalten, wodurch eine Gitterfehlanpassung effektiv abgemildert wird.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis erzeugt werden, die bezüglich des Gitters mit dem Siliciumcarbidkristallsubstrat sowohl in der planaren als auch in der Schichtungsrichtung bzw. Stapelrichtung hochgradig übereinstimmt. Dadurch kann eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit sowohl hervorragenden Gleichrichteigenschaften als auch Durchschlagspannungseigenschaften hergestellt werden.
  • In der pn-Übergangsdiode der vorliegenden Erfindung kann eine hervorragende Gitterübereinstimmung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis erzielt werden. Weiterhin können durch Ausnutzung von durch einen hexagonalen Siliciumcarbid-Einkristall bereitgestellten hervorragenden Durchschlagspannungseigenschaften hervorragende Gleichrichteigenschaften und Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Draufsicht, welche eine Kristallanordnung zeigt, die eine {0001}-Kristallebene eines Siliciumcarbidkristallsubstrats und eine auf dem Substrat gebildete Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis beinhaltet.
  • 2 ist eine Draufsicht, die in Schichtungsrichtung schematisch die Kristallanordnungsmerkmale der {0001}-Kristallebene eines 6H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrats und einer Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis zeigt.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer pn-Übergangs-Diode, die aus einer in Beispiel 1 beschriebenen Schichtstruktur gebildet ist.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • [Verbindungshalbleiter-Vorrichtung]
  • Die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ein hexagonales Siliciumcarbidkristallsubstrat und eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat gebildet ist, auf.
  • Das eine Basisschicht für das Züchten der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildende hexagonale Siliciumcarbid wird gemäß den Ramsdell-Symbolen (siehe vorgenanntes Nicht-Patentdokument 1, ”Electric Refractory Materials”, S. 409–411) durch ”n·H-Typ” dargestellt.
  • In dem obigen Symbol stellt ”n” die Anzahl von Schichten dar, die in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in dem Kristall in der Schicht- bzw. Stapelrichtung enthalten sind, und ist allgemein eine positive, gerade Zahl (z. B. 2, 4, 6, 8 oder 10). Der Buchstabe ”H” stellt dar, dass das Kristallsystem hexagonal ist. Beispiele des Typs des hexagonalen Siliciumcarbids sind der 2H-Typ, 4H-Typ und 6H-Typ.
  • Die Oberfläche des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats ist bevorzugt eine {0001}-Kristallebene oder eine Kristallebene, welche in der [11–20]-Kristallorientierung um ≤ 10° mit bzw. bezüglich der {0001}-Kristallebene geneigt ist. Z. B. ist eine Kristallebene, welche zur [11–20]-Kristallorientierung um 3,5 oder 8,0° mit der {0001}-Kristallebene geneigt ist, als die geneigte Kristallebene bevorzugt.
  • Wenn die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung eine Lichtemittierende Vorrichtung ist, ist das Siliciumcarbidkristallsubstrat bevorzugt aus einem leitfähigen n-Typ- oder p-Typ-Siliciumcarbid-Einkristall gebildet. Durch Einsatz des bevorzugten Substrats kann eine Ohm'sche Elektrode für das Fließen eines Vorrichtungsarbeitsstroms auf einem Siliciumcarbidkristallsubstrat gebildet werden.
  • Wenn die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung ein Schottky-Übergangs-Feldeffekttransistor (MESFET), wie z. B. ein Modulation-Doped-Feldeffekttransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (abgekürzt als MODFET) ist, wird das Siliciumcarbidkristallsubstrat bevorzugt aus einem halbleitenden Siliciumcarbid-Einkristall gebildet.
  • Der Halbleiter auf Borphosphid-Basis (BP), welcher die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildet, die auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat vorgesehen ist, ist ein Typ eines Verbindungshalbleiters, welcher als wesentliche Elemente Bor (B) und Phosphor (P) enthält.
  • Beispiele des Verbindungshalbleiters sind Verbindungen, die durch eine Zusammensetzungsformel: BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δAsδ (0 < α ≤ 1, 0 ≤ β < 1, 0 ≤ γ < 1, 0 < α + β + γ ≤ 1, 0 ≤ δ < 1) dargestellt werden; und Verbindungen, welche durch eine Zusammensetzungsformel BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-εNε (0 < α ≤ 1, 0 ≤ β < 1, 0 ≤ γ < 1, 0 < α + β + γ ≤ 1, 0 ≤ ε < 1) dargestellt werden.
  • Der Halbleiter auf Borphosphid(BP)-Basis enthält bevorzugt drei Komponentenelemente, wodurch eine hevorragende Mischkristallschicht mit konsistenten Zusammensetzungsanteilen einfach gebildet werden kann. Beispiele sind z. B. Borarsenidphosphid (Zusammensetzungsformel: BαP1-δAsδ, 0 < δ < 1) und Bornitridphosphid (Zusammensetzungsformel: BP1-εNε, 0 < ε < 1), welche drei Komponentenelemente enthalten, und eine Vielzahl von Elementen der Gruppe V.
  • Bevorzugt weist der Halbleiter auf Borphosphid(BP)-Basis, welcher drei Komponentenelemente enthält, eine Kristallebene mit einer Gitterkonstante oder einem Gitterabstand auf, welche(r) weitgehend äquivalent zur a-Achsen-Gitterkonstante von hexagonalem Siliciumcarbid ist. Wenn eine Halbleiterschicht auf Borphosphid(BP)-Basis auf einem hexagonalen Siliciumcarbidsubstrat unter den obigen Bedingungen gebildet wird, kann auf einfache Weise eine hervorragende Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit wenigen Gitterfehl(an)passungen und wenigen Fehl(an)passungsversetzungen hergestellt werden.
  • Beispiele eines derartigen Halbleiters auf Borphosphid(BP)-Basis sind z. B. Bornitridphosphid (BP0,8N0,2) mit einer Stickstoff(N)-Zusammensetzung (ε) von 0,2 (= 20%). Das Bornitridphosphid (BP0,8N0,2) weist eine Kristallstruktur vom Wurtzit-Typ auf und einen Gitterabstand der {110}-Kristallebene von etwa 0,308 nm, der äquivalent zur a-Achsen-Gitterkonstante von 6H-Typ-Siliciumcarbid (SiC) ist (= 0,308 nm).
  • Die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis ist bevorzugt aus einem sogenannten undotierten Halbleiter auf Borphosphid-Basis gebildet, dem ein Verunreinigungselement zur Steuerung des Leitungstyps nicht absichtlich zugegeben wurde.
  • Die undotierte Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kann dreidimensional mit dem hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrat in einer planaren Richtung (a-Achsen-Richtung) und einer vertikalen Richtung (c-Achsen-Richtung) in Bezug auf die Kristallgitterdimensionen übereinstimmen. Wenn eine andere Komponentenschicht, wie z. B. eine Lichtemittierende Schicht, auf der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet ist, kann die Diffusion eines Verunreinigungselements in die Komponentenschicht vermindert sein.
  • Kristallstrukturen des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche den Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung darstellen, werden nachfolgend ausführlich beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Kristallanordnung zeigt, welche eine {0001}-Kristallebene eines Siliciumcarbidkristallsubstrats und eine auf dem Substrat gebildete Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis beinhaltet.
  • In der {0001}-Kristallebene eines hexagonalen Siliciumcarbid-Einkristalls ist eine Vielzahl von in der Draufsicht hexagonalen Einheitszellen (planare Kristallgittereinheiten) in hoher Dichte angeordnet. Auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist ein die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildender {111}-Kristall derart vorgesehen, dass die {111}-Ebene parallel mit der {0001}-Kristallebene ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist die {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis vom Sphalerit-Typ in der Draufsicht dreieckig. Jede der drei Seiten der dreieckigen {111}-Kristallebene ist in der [110]-Kristallorientierung der {111}-Kristallebene angeordnet.
  • Wenn daher jede Seite der dreieckigen {111}-Kristallebene parallel mit einer a-Achse des bodenseitigen Gitters in der hexagonalen Draufsicht (Einheitszelle) der Siliciumcarbidkristallsubstrat-{0001}-Kristallebene verläuft, befindet sich der {111}-Kristall der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und ist derart geschichtet, dass die {111}-Kristallebene zur planaren Form des bodenseitigen Gitters der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats passt. Mit anderen Worten verläuft die [110]-Kristallorientierung der {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis parallel mit der a-Achse des bodenseitigen Gitters des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats, d. h. die {111}-Kristallebene ist reflektionssymmetrisch (liniensymmetrisch) bezüglich der a-Achse des Siliciumcarbidkristallsubstrats angeordnet. Unter den obigen Bedingungen kann eine Gitteranpassung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis am weitesten gehend erreicht werden.
  • Die Kristallorientierung der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche auf der {0001}-Kristallebene des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats ausgebildet ist, kann z. B. mittels Röntgenbeugungs- oder Elektronenbeugungsverfahren bestimmt werden.
  • Z. B. wird ein einfallender Elektronenstrahl in der zur [110]-Kristallorientierung der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis identischen Richtung aufgebracht, und ein Transmissionselektronenbeugungs(TED)-Muster der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis wird aufgenommen. Wenn in dem Elektronenbeugungsmuster sowohl die der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats zugeordneten Beugungspunkte als auch diejenigen, welche der {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis zugeschrieben werden, in der c-Achsen-Richtung des Siliciumcarbidkristallsubstrats erscheinen, und ein reziprokes Gitter (Engl.: reverse lattice) der {110}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis liniensymmetrisch bezüglich einer Ebenenachse (z. B. a-Achse) des Siliciumcarbidkristallsubstrats beobachtet wird, weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass die {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats liniensymmetrisch bezüglich einer Ebenenachse (z. B. a-Achse) des Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist. Kurz gesagt, wird der {111}-Kristall, welcher die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildet, auf der {0001}-Kristallebene liniensymmetrisch bezüglich einer Ebenenachse (z. B. a-Achse) des Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet.
  • 2 ist eine Draufsicht, welche schematisch die Kristallanordnungsmerkmale in Schichtungsrichtung bzw. Stapelrichtung der {0001}-Kristallebene eines 6H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrats und einer auf dem Substrat gebildeten Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis zeigt.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes Siliciumcarbidkristallsubstrat, das aus einem 6H-Typ-Siliciumcarbid-Einkristall gebildet ist. In 2 stellt P die erste Atomanordnungsschicht in der [0001]-Kristallorientierung (c-Achsen-Richtung) senkrecht zur {0001}-Kristallebene dar, und ähnlich stellen Q und R die jeweils zweite und dritte Atomanordnungsschicht dar. In der in 2 gezeigten Stapelrichtung ist die Anzahl (n) von in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung enthaltenen Schichten 6.
  • In der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche auf der {0001}-Kristallebene des 6H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, weist eine n-schichtige Schichtstruktur, die in der {1ll}-Kristallebene enthalten ist, welche den {111}-Kristall bildet, eine Stapelhöhe auf, die äquivalent zur c-Achsen-Gitterkonstante (c) des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist. In 2 ist als Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis eine Borphosphid-Schicht vorgesehen, und die Struktur A1 bis A6 (6 Schichten, n = 6), die in der {111}-Kristallebene enthalten ist, weist eine Höhe (h) auf, die gerade mit der c-Achsen-Gitterkonstante (c) des als Siliciumcarbidkristallsubstrat dienenden 6H-Typ-Siliciumcarbids zusammenfällt.
  • Die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis ist daher auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat derartig gebildet, dass eine n-schichtige Schichtstruktur, welche in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine Stapelhöhe (H) aufweist, die äquivalent zur c-Achsen-Gitterkonstante (c) eines hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats vom n·H-Typ ist.
  • Bevorzugt enthält die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis Zwillingskristalle, die jeweils eine als Zwillingsebene fungierende {111}-Kristallebene aufweisen.
  • Bevorzugter sind die Zwillingskristalle in großen Mengen in einem Bereich in der Nähe der Hetero-Übergangs-Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis enthalten.
  • Aufgrund der in einem Bereich in der Umgebung der Übergangs-Grenzfläche (Hetero-Übergangs-Grenzfläche) zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis enthaltenen Zwillingskristalle, insbesondere der Zwillingskristalle, die jeweils eine {111}-Kristallebene als Zwillingskristallebene aufweisen, kann eine Fehlpassung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis abgeschwächt werden, wodurch eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit hoher Kristallinität und wenig Fehlpassungsversetzungen gebildet werden kann.
  • Die Gegenwart von Zwillingskristallen innerhalb der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kann beispielsweise auf Grundlage anomaler Beugungspunkte bestimmt werden, die in einem Elektronenstrahlbeugungs(TED)-Muster beobachtet werden und Zwillingskristallen zugeschrieben werden (siehe P. Hirsch et al., ”ELECTRON MICROSCOPY OF THIN CRYSTAL”, (USA), Krieger Pub. Com. (1977), S. 141–148). Die Dichte der Zwillingskristalle kann durch Zählen der Zwillingskristallkorngrenzen erhalten werden, welche in einem vorbestimmten Bereich vorliegen, beobachtet mittels eines Querschnittsbilds der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welches mittels eines Querschnitts-Transmissions-Elektronenmikroskops aufgenommen wurde.
  • Wie oben beschrieben wurde, weist erfindungsgemäß eine in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthaltene n-schichtige Schichtstruktur eine Schichthöhe (H) auf, die praktisch bzw. weitgehend gleich der c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist.
  • Dadurch kann eine hervorragende Gitterübereinstimmung zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis sowohl in der planaren Richtung als auch in der Stapelrichtung realisiert werden. Daher können z. B. hervorragende Gleichrichteigenschaften und Durchschlagspannungseigenschaften erzielt werden.
  • Die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung findet eine Vielzahl von Anwendungen wie folgt.
  • Wenn die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einer undotierten Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet ist, kann die Schicht als n-Typ-Schicht oder p-Typ-Schicht mit niedrigem Widerstand in einer Vielzahl von Halbleitervorrichtungen dienen, was auf der undotierten Natur dieser beruht.
  • Wie oben erwähnt, kann, da die undotierte Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kein Verunreinigungselement enthält, welches der Schicht absichtlich zugegeben wurde (dotiert wurde), wenn die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für eine Licht-emittierende Vorrichtung verwendet wird, die Diffusion eines Verunreinigungselements zu einer Licht-emittierenden Schicht verhindert werden. So kann eine undotierte Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit einer breiten Bandlücke effektiv als Mantelschicht eingesetzt werden, welche die Eigenschaften der Licht-emittierenden Schicht nicht beeinträchtigt, wobei eine derartige Beeinträchtigung andernfalls durch Diffusion eines Verunreinigungselements verursacht würde.
  • Spezifisch kann eine Gruppe III-Nitridhalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung aus einer Mantelschicht hergestellt werden, die aus einer undotierten Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis und anderen Schichten gebildet ist, einschließlich einer Licht-emittierenden Schicht, die aus einem Gruppe III-Nitridhalbleiter aufgebaut ist, die auf der undotierten Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet ist.
  • In diesem Fall kann, da die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einer undotierten Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis versehen ist, anstelle einer Mantelschicht, die aus herkömmlichem Magnesium(Mg)-dotiertem AlxGaYInZN (0 ≤ X, Y, Z ≤ 1, X + Y + Z = 1) aufgebaut ist, eine Variation der Trägerkonzentration der Licht-emittierenden Schicht und eine Verschlechterung der Kristallinität der Licht-emittierenden Schicht, was herkömmlicherweise durch Diffusion von Mg verursacht wurde, vermieden werden. Somit kann Licht einer vorbestimmten Wellenlänge zuverlässig emittiert werden, ohne dass im wesentlichen eine Variation der Durchlassspannung (Vf) und der Emissionswellenlänge verursacht wird.
  • Insbesondere wenn eine Licht-emittierende Vorrichtung aus einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung hergestellt wird, welche eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit einer Bandlücke bei Raumtemperatur von 2,8 eV bis 5,0 eV aufweist, kann die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis effektiv als Fensterschicht verwendet werden, durch welche UV-Licht oder sichtbares Licht mit kurzer Wellenlänge, welches von der Licht-emittierenden Schicht emittiert wird, nach außen durchgelassen wird. Alternativ kann die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis als Mantelschicht für eine Licht-emittierende Schicht verwendet werden, die aus einem Gruppe III-Nitridhalbleiter gebildet wird, wie z. B. Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlXGaYInZN: 0 ≤ X, Y, Z ≤ 1, X + Y + Z = 1) oder Galliumnitridphosphid (Zusammensetzungsformel: GaP1-εNε, 0 ≤ ε ≤ 1).
  • Wenn jedoch eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit einer Bandlücke oberhalb von 5,0 eV verwendet wird, nimmt eine Differenz der Barriere zwischen der Halbleiterschicht und der Licht-emittierenden Schicht übermäßig zu. Ein derartiges Merkmal ist zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit geringer Durchlassspannung oder Schwellspannung nachteilig.
  • Aufgrund einer breiten Bandlücke kann die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aufweist, in einem zweidimensionalen Elektronengas-Feldeffekttransistor (TEGFET) verwendet werden.
  • Z. B. kann die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis als eine Elektronen-liefernde Schicht zum Zuführen von Ladungsträgern (Elektronen) zur Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases (TEG) in einer Kanalschicht, die aus Galliumindiumnitrid (GaYInZN = 0 ≤ Y, Z ≤ 1, Y + Z = 1) gebildet ist, dienen.
  • Erfindungsgemäß ist der die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildende {111}-Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats derart geschichtet, dass die {0001}-Kristallebene parallel zur {111}-Kristallebene ist. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Elektronen-liefernden Schicht, die aus einem hexagonalen Gruppe III-Nitridhalbleiter gebildet ist, wie z. B. AlXGaYN (0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1), kann daher die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis als eine Elektronen-lieferende Schicht verwendet werden, die einen geringeren piezoelektrischen Effekt aufweist, welcher die Anhäufung des zweidimensionalen Elektronengases nachteilig beeinflusst.
  • Eine n-Typ-Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit niedrigem Widerstand kann als Kontaktschicht zur Bildung einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer auf der Elektronen-liefernden Schicht vorgesehenen Ohm'schen Elektrode eingesetzt werden.
  • [Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung]
  • Zunächst wird ein Kristallsubstrat vorgesehen, welches aus einem hexagonalen Siliciumcarbid-Einkristall gebildet ist, welcher eine Oberfläche aufweist, die eine {0001}-Kristallebene annimmt.
  • Auf der {0001}-Kristallebene des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats wird eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mittels Dampfphasenzüchtungsmaßnahmen gebildet, wie z. B. dem Halogenverfahren, dem Halogenidverfahren oder durch MOCVD (metallorganische chemische Dampfphasenabscheidung), indem zumindest eine Bor enthaltende Verbindung und eine Phosphor enthaltende Verbindung in eine Dampfphasenzüchtungszone zugeführt werden.
  • Alternativ kann auch die Molekularstrahlepitaxie eingesetzt werden (siehe J. Solid State Chem., 133 (1997), S. 269–272).
  • Z. B. kann eine p-Typ- oder n-Typ-Bormonophosphid(BP)-Schicht (reines BP nicht erfindungsgemäß) mittels MOCVD bei Atmosphärendruck (nahe Atmosphärendruck) oder vermindertem Druck unter Verwendung von Triethylboran (Molekülformel: (C2H5)3B) und Phosphin (Molekülformel: PH3) als Quellen gebildet werden. Die p-Typ-Bormonophosphid(BP)-Schicht wird bevorzugt bei einer Bildungstemperatur (Züchtungstemperatur) von 1000°C bis 1200°C gebildet. Das Quellzufuhrverhältnis (V/III)-Verhältnis; z. B. PH3/(C2H5)3B) während der Bildung der Schicht beträgt bevorzugt 10 bis 50 und bevorzugter 20 bis 40.
  • In der Verwendung hier bezieht sich der Begriff ”V/III-Verhältnis” auf ein Verhältnis der Atomkonzentration von Elementen der Gruppe V, einschließlich Phosphor, zur Atomkonzentration von Elementen der Gruppe III, einschließlich Bor, wobei diese Quellen der Dampfphasenwachstumszone zuführt werden.
  • Die n-Typ-Borphosphid(BP)-Schicht wird bevorzugt bei einer Bildungstemperatur von 700°C bis 1000°C gebildet. Das Quellzufuhrverhältnis (V/III-Verhältnis) zur Bildung der n-Typ-Borphosphid(BP)-Schicht beträgt bevorzugt 200 oder höher und 2000 oder weniger, bevorzugter 400 oder höher und 1000 oder weniger.
  • Durch genaue Steuerung der Bildungsrate zusätzlich zur Bildungstemperatur und dem V/III-Verhältnis kann ein Halbleiter auf Borphosphid-Basis mit einer breiten Bandlücke gebildet werden.
  • Z. B. kann während der Bildung der vorgenannten Bormonophosphidschicht mittels MOCVD eine Borphosphidschicht mit einer Bandlücke bei Raumtemperatur von 2,8 eV oder mehr durch Steuerung der Bildungsrate (Züchtungsrate) derart, dass diese in einen Bereich von 2 nm/min bis 30 nm/min fällt, hergestellt werden (siehe die Beschreibung von WO 02/097861 ).
  • Die Bandlücke kann auf Basis der Photonenenergie(= h·ν)-Abhängigkeit der Absorption oder auf Basis der Photonenenergieabhängigkeit eines Produkts (= 2n·k) des Brechungsindex (n) und des Extinktionskoeffizienten (k) bestimmt werden.
  • Die Bildung einer Bormonophosphidschicht ist als Beispiel beschrieben worden. Spezifisch kann durch Regulierung der Bildungstemperatur (Züchtungstemperatur), des V/III-Verhältnis und der Bildungsgeschwindigkeit (Züchtungsrate) in die vorgenannten Bereiche (700°C bis 1200°C, 10 bis 50 oder 200 und mehr und 2000 oder weniger und 2 nm/min bis 30 nm/min) eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, die einen {111}-Kristall aufweist, auf der {0001}-Kristallebene des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats derart gebildet werden, dass die a-Achse des hexagonalen Siliciumcarbids parallel mit der [110]-Kristallorientierung verläuft.
  • Kurz kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, die einen {111}-Kristall aufweist, auf der {0001}-Kristallebene des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats derart gebildet werden, dass der {111}-Kristall liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet ist.
  • Alternativ kann durch Steuerung der Bildungsgeschwindigkeit, des V/III-Verhältnis und der Bildungsrate in die vorgenannten Bereiche eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis derart gebildet werden, dass der {111}-Kristall unter Übereinstimmung mit der c-Achse des hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet wird.
  • Wenn z. B. ein 4H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrat als das Siliciumcarbidkristallsubstrat verwendet wird, kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis derart gebildet werden, dass die Stapelhöhe einer 4-schichtigen Schichtstruktur, welche in der {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis enthalten ist, praktisch mit der c-Achsen-Gitterkonstante (= 1,005 nm) des Siliciumcarbidkristallsubstrats übereinstimmt.
  • Wenn ein 6H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrat als Siliciumcarbidkristallsubstrat verwendet wird, kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis derart gebildet werden, dass die Stapelhöhe einer 6-schichtigen Schichtstruktur, welche in der {111}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis enthalten ist, mit der c-Achsen-Gitterkonstante (c = 1,512 nm) des Siliciumcarbidkristallsubstrats übereinstimmt.
  • Kurz kann durch Einsatz eines n·H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrats mit einer Oberfläche, welche eine {0001}-Kristallebene annimmt, und durch Regulierung der Bildungstemperatur, des V/III-Verhältnis und der Bildungsrate in die vorgenannten Bereiche, eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche einen {111}-Kristall enthält, auf hochgeordnete Weise derart gebildet werden, dass eine n-schichtige Schichtstruktur, welche in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall des Halbleiters auf Borphosphid-Basis bildet, enthalten ist, eine Schichthöhe aufweist, die äquivalent zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist. Somit kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet werden, die bezüglich des Gitters hochgradig mit einem Siliciumcarbidkristallsubstrat auch in der vertikalen Richtung (Richtung senkrecht zur Oberfläche des Siliciumcarbidkristallsubstrats) übereinstimmt.
  • Als ein Fall, bei dem eine der Bedingungen der Bildungstemperatur, des V/III-Verhältnis und der Bildungsrate außerhalb des oben bevorzugten Bereichs fällt, wird nachfolgend ein Fall beschrieben, bei dem eine hohe Bildungstemperatur (> 1200°C) verwendet wird.
  • Wenn die Bildungstemperatur mehr als 1200°C beträgt, tritt eine beträchtliche Verdampfung von Bor (B) und Phosphor (P) auf, die als wesentliche Komponentenelemente der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis dienen. Somit wird eine große Menge von Stapelfehlern in der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis erzeugt, wodurch eine ungeordnete Schichtstruktur der Schicht bewirkt wird. Weiterhin kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche bei hoher Temperatur gezüchtet wurde, eine polykristalline Schicht annehmen, die eine {110}-Kristallebene oder eine ähnliche andere Kristallebene als die {111}-Kristallebene aufweist.
  • Daher ist eine derartig hohe Temperatur nicht bevorzugt, da eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, in welcher die {111}-Kristallebene hochgradig geordnet auf einem hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrat mit hervorragender Gitterübereinstimmung angeordnet ist, schwierig zuverlässig zu bilden ist. Die in der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis vorliegenden genannten Stapelfehler können durch Analyse eines Elektronenbeugungsmusters bestätigt werden.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf der {0001}-Kristallebene eines n·H-Typ (hexagonalen) Siliciumcarbidkristallsubstrats durch Züchtung aus der Dampfphase bei einer relativ großen Züchtungsrate, die in den vorgenannten bevorzugten Bereich fällt, gebildet.
  • Durch Einsatz einer derartig hohen Züchtungsrate bzw. Wachstumsrate kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, welche Zwillingskristalle enthält, die jeweils eine als Zwillingsebene dienende {111}-Kristallebene aufweisen, gebildet werden.
  • Wenn z. B. eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mittels Züchtung aus der Dampfphase auf der {0001}-Kristallebene eine 6H-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrats unter Bildung eines Hetero-Übergangs bei einer Züchtungsgeschwindigkeit von 20 nm/min bis 30 nm/min gebildet wird, kann eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet werden, die Zwillingskristalle enthält, die jeweils eine {111}-Kristallebene als Zwillingsebene enthalten. Wenn eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis insbesondere in einer Anfangsphase zum Heterozüchten einer Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf einem Siliciumcarbidkristallsubstrat bei der vorgenannten schnellen Züchtungsrate gezüchtet wird, können Zwillingskristalle in großen Mengen in einem Bereich in der Umgebung der Hetero-Übergangs-Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis erzeugt werden.
  • [Diode]
  • Die Diode der vorliegenden Erfindung enthält als p-Typ- oder n-Typ-Schicht eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis der vorgenannten Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • In einer beispielhaften Diode wird auf einer in der Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthaltenen Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis des p-Typs oder n-Typs eine Schicht mit einem entgegengesetzten Leitungstyp zu dem der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildet.
  • Die Diode kann ein p-Typ- oder ein n-Typ-Siliciumcarbidkristallsubstrat der Verbindungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung und eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis mit einem entgegengesetzten Ladungstyp zu dem des Siliciumcarbidkristallsubstrats aufweisen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund der hervorragenden Durchschlagspannungseigenschaften eines hexagonalen Siliciumcarbid-Einkristalls eine Diode mit hoher Durchschlagspannung bereitgestellt werden.
  • Die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis ist insbesondere bevorzugt eine undotierte Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis des p-Typs oder n-Typs, welcher ein n-Typ- oder p-Typ-Verunreinigungselement zur Festlegung des Leitungstyps nicht absichtlich zugefügt wurde. Durch Einsatz einer derartigen Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kann eine Migration und Diffusion des zugegebenen Verunreinigungselements (Dotierungsmittels), die andernfalls während des Anlegens einer hohen Spannung an die Vorrichtung auftreten würden, vermieden werden, wodurch eine Diode bereitgestellt werden kann, die konsistent eine hohe Durchschlagspannung aufweist.
  • [Beispiele]
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ausführlich beschrieben, wobei eine Diode als ein Beispiel der Verbindungshalbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, welche ein 4H-Typ(hexagonal)-Siliciumcarbidkristallsubstrat und eine als Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gebildete Bornitridschicht auf dem Substrat beinhaltet.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer pn-Übergangs-Diode 10, die aus einer in dem Beispiel beschriebenen Schichtstruktur 11 aufgebaut ist.
  • Die Schichtstruktur 11 wurde mittels des folgenden Verfahrens gebildet.
  • Als ein Siliciumcarbidkristallsubstrat 100 wurde ein Substrat vorgesehen, das aus einem p-Typ-Bor(B)-dotierten Siliciumcarbid-Einkristall des 4H-Typs gebildet war. Die Oberfläche des Siliciumcarbidkristallsubstrats 100 nahm eine Kristallebene an, die gegen die [11–20]-Kristallorientierung um 8° von der {0001}-Kristallebene geneigt war.
  • Auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats 100 wurde eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis 101 abgeschieden, die aus einem undotierten n-Typ-Bornitridphosphid (BP1-εNε: 0 < ε < 1) mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1018 cm–3 gebildet war. Das Bornitridphosphid wies eine Kristallstruktur vom Sphalerit-Typ auf.
  • Die Schicht wurde mittels MOCVD bei Atmosphärendruck (nahe Atmosphärendruck) unter Verwendung von Triethylboran (Molekülformel: (C2H5)3B) als Bor(B)-Quelle, Ammoniak (Molekülformel: NH3) als Stickstoffquelle und Phosphin (Molekülformel: PH3) als Phosphorquelle gebildet.
  • Die Züchtungstemperatur wurde auf 950°C eingestellt. Das Stickstoff(N)-Zusammensetzungsverhältnis (ε) in BP1-εNε, welches die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis 101 bildet, wurde auf 0,2 eingestellt, so dass die Schicht 101 eine Gitterkonstante aufwies, welche mit der a-Achsen-Gitterkonstante (a = 0,307 nm) des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 übereinstimmte.
  • Während des Züchtens (Bildung) der Schicht wurde das V/III-Verhältnis (= (NH3 + PH3)/(C2H5)3B-Konzentration) auf 600 reguliert, so dass die Halbleiterschicht (BP0,8N0,2)auf Borphosphid-Basis 101 bei Raumtemperatur eine Bandlücke von etwa 4,8 eV aufwies.
  • Durch Modifizieren der Konzentration an (C2H5)3B, welches dem MOCVD-Züchtungssystem zugeführt wurde, wurde die Züchtungsrate in einer anfänglichen Züchtungsphase auf 30 nm/min eingestellt. Durch Halten bei dieser Züchtungsrate wurde die Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 auf eine Dicke von 20 nm gezüchtet.
  • Anschließend wurde die Konzentration von dem MOCVD-Züchtungssystem zugeführten (C2H5)3B vermindert, so dass die Wachstumsrate auf 15 nm/min vermindert wurde. Das Züchten wurde bei dieser Züchtungsrate fortgeführt, um so die Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 in einer Dicke von 1500 nm zu bilden.
  • Die Bandlücke der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101, bestimmt bei Raumtemperatur auf Basis des Absorptionskoeffizienten, betrug 4,8 eV.
  • Durch Beobachtung eines Elektronenstrahl-Beugungsmusters eines ausgewählten Bereichs der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 wurde die Gegenwart von Zwillingskristallen auf Grundlage der Positionen, an denen anomale Beugungspunkte erschienen, bestätigt. Als ein Ergebnis waren in der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 Zwillingskristalle mit einer als Zwillingsebene dienenden {111}-Kristallebene insbesondere in einem Bereich in der Umgebung der Hetero-Übergangs-Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat vom 4H-Typ 100 und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis gegenwärtig. Eine derartige Gegenwart der Zwillingskristalle kann der Kristallzüchtung bei einer hohen Züchtungsrate in einer anfänglichen Züchtungsphase zugeschrieben werden.
  • Eine transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahme im Querschnitt eines Bereichs in der Umgebung der Hetero-Übergangs-Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbidkristallsubstrat 100 und der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 wurde aufgenommen. Die Dichte von Zwillingskristallen mit einer als Zwillingsebene dienenden {111}-Kristallebene in dem Bereich wurde aus der Anzahl von Korngrenzen von Zwillingskristallen in dem TEM-Bild mit einer als Zwillingsebene dienenden {111}-Kristallebene berechnet, und die Dichte wurde zu etwa 5 × 106 cm–2 ermittelt.
  • Durch Elementaranalyse mittels einer Elektronenmikrosondenanalyse-Vorrichtung (EPMA) wurde keine besondere Abscheidung eines metallischen Verunreinigungselements in der Hetero-Übergangs-Grenzfläche beobachtet. Die Abwesenheit eines metallischen Verunreinigungselements kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass die Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 undotiert war.
  • In einem Elektronenbeugungsmuster eines ausgewählten Bereichs der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis 101 erschienen Beugungspunkte, die von der {111}-Kristallebene erhalten wurden, in der gleichen Linie, die durch die Beugungspunkte verlief, welche von der {000m}-Kristallebene (m ist eine ganze Zahl; z. B. –1, 1, –2, 2, –3, 3,... –m, m) des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 erhalten wurden, und praktisch in den gleichen Positionen der Beugungspunkte, die von der {0004}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 erhalten wurden.
  • Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis (BP0,8N0,2) 101 derart gezüchtet war, dass der {111}-Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 gebildet wurde, und eine 4-schichtige Schichtstruktur, die in der {111}-Kristallebene enthalten war, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristalls 100 aufwies.
  • In dem Elektronenbeugungsmuster eines ausgewählten Bereichs wurde ein reziprokes Gitter der {110}-Kristallebene der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis (BP0,8N0,2) 101 liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 beobachtet.
  • Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis (BP0,8N0,2) 101 auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat vom 4H-Typ 100 derart gebildet wurde, dass die [110]-Kristallorientierung der Schicht parallel mit der a-Achsenrichtung des Substrats war, und einen auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat vom 4H-Typ geschichteten {111}-Kristall liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse des Substrats enthielt.
  • Die undotierte Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis (BP0,8N0,2) vom n-Typ 101 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2·1018 cm–3 wurde mittels einer herkömmlichen Plasmatrockenätzeinrichtung, bei der ein Halogen enthaltendes Gas eingesetzt wurde, prozessiert, um so einen Mesa zu bilden. Das Trockenätzen zur Ausbildung der Halbleiterschicht (BP0,8N0,2) auf Borphosphid-Basis vom n-Typ 101 in einer Mesa-Form wurde durchgeführt, bis die Oberfläche des Siliciumcarbidkristallsubstrats vom 4H-Typ 100 um den Mesa herum exponiert war.
  • Anschließend wurden auf der Oberfläche des Mesa ein Gold(Au)/Germanium(Ge)-Legierungsfilm, ein Nickel(Ni)-Film und Gold(Au)-Film nacheinander mittels einer herkömmlichen Vakuumverdampfungseinrichtung abgeschieden, wodurch eine Ohm'sche Elektrode vom n-Typ 102 gebildet wurde, die auch als Pad-Elektrode für die Verdrahtung diente.
  • Auf praktisch der gesamten Rückseite des Siliciumcarbidkristalls 100 wurde eine Ohm'sche Elektrode vom p-Typ 103, die aus Nickel (Ni) gebildet war, vorgesehen. So wurde eine pn-Übergangs-Verbindungshalbleiter-Vorrichtung 10 hergestellt.
  • Die so hergestellte pn-Übergangs-Verbindungshalbleiter-Vorrichtung 10 wies hervorragende Gleichrichteigenschaften mit einer Durchgangsschwellspannung von etwa 3,3 V und einem reversen Leckstrom von ≤ 10 μA bei 15 V auf, was darauf hinwies, dass eine pn-Übergangs-Diode 10 mit einer hohen Durchschlagspannung bereitgestellt worden war.
  • Aufgrund der in einem Bereich der Umgebung der Hetero-Übergangs-Grenzfläche zwischen dem hexagonalen Siliciumcarbidkristall 100 und der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis 101 enthaltenen Zwillingskristalle, wobei die Zwillingskristalle jeweils eine {111}-Kristallebene als Zwillingsebene aufwiesen, wurde die Bildung von Fehl(an)passungsversetzungen verhindert. Somit wurde kein lokaler Durchschlag in der pn-Übergangs-Diode 10 beobachtet.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die Verbindungshalbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann als eine Licht-emittierende Vorrichtung eingesetzt werden, wie z. B. einer Leuchtdiode oder einem Halbleiterlaser oder als zweidimensionaler Elektronengas-Feldeffekttransistor. Die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kann als n-Typ- oder p-Typ-Schicht mit niedrigem Widerstand oder als eine Kontaktschicht zur Bildung einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer auf einer Elektronen-zuführenden Schicht vorgesehenen Ohm'schen Elektrode eingesetzt werden.
  • Da die Diode der vorliegenden Erfindung hohe Durchschlagspannungseigenschaften mit hervorragenden Gleichrichteigenschaften aufweist, kann die Vorrichtung als Leuchtdiode (LED) sowie als eine Vielzahl von pn-Übergangs-Dioden verwendet werden, wie z. B. als eine Kleinsignaldiode, Gleichrichtdiode, Schaltdiode, Spannungsregulierdiode (Zener-Diode) und als eine Diode mit variabler Kapazität (Varicap).

Claims (8)

  1. Verbindungshalbleiter-Vorrichtung, umfassend: ein hexagonales Siliciumcarbidkristallsubstrat; und eine auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat gebildete Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, wobei das Siliciumcarbidkristallsubstrat eine Oberfläche aufweist, die eine {0001}-Kristallebene annimmt, und die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111}-Kristall gebildet ist, welcher auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats und parallel dazu geschichtet ist, wenn die Anzahl der Schichten, die in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthalten ist, n ist, eine n-schichtige Schichtstruktur, die in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats aufweist, und die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kein reines Borphosphid umfasst.
  2. Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bildende {111}-Kristall auf dem Siliciumcarbidsubstrat liniensymmetrisch bezüglich der a-Achse der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet ist.
  3. Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem undotierten Halbleiter auf Borphosphid-Basis gebildet ist, dem ein Verunreinigungselement zur Regulierung des Leitungstyps nicht absichtlich zugegeben worden ist.
  4. Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis Zwillingskristalle enthält, die jeweils eine als Zwillingsebene fungierende {111}-Kristallebene aufweisen.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung mit einem hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrat und einer Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, die auf dem Siliciumcarbidkristallsubstrat ausgebildet ist, umfassend: Zuführen mindestens einer borhaltigen Verbindung und einer phosphorhaltigen Verbindung in eine Dampfphasenzüchtungszone, um so eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis auf einer Oberfläche eines Siliciumcarbidkristallsubstrats, welches eine als Basisschicht dienende {0001}-Kristallebene annimmt, zu bilden, wobei die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111}-Kristall gebildet ist, wobei der Kristall auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, und, wenn die Anzahl der in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthaltenen Schichten n ist, eine in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthaltene n-schichtige Schichtstruktur eine Schichthöhe aufweist, die äquivalent zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats ist, das Zuführen bei einer Bildungstemperatur von 700°C bis 1200°C, einem V/III-Verhältnis von 10 bis 50 oder 200 und mehr und 2000 oder weniger und einer Bildungsgeschwindigkeit von 2 nm/min. bis 30 nm/min. durchgeführt wird, und die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis kein reines Borphosphid umfasst.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bei 750°C bis 1200°C gebildet wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis in einer anfänglichen Phase der Bildung der Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis bei einer Züchtungsrate von 20 nm/min bis 30 nm/min gebildet wird.
  8. Diode, umfassend eine Verbindungshalbleiter-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: eine Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis, die als p-Typ-Schicht oder n-Typ-Schicht fungiert, welche auf einer {0001}-Kristallebene eines hexagonalen Siliciumcarbidkristallsubstrats gebildet ist, worin die Halbleiterschicht auf Borphosphid-Basis aus einem {111}-Kristall gebildet ist, welcher auf der {0001}-Kristallebene des Siliciumcarbidkristallsubstrats geschichtet ist und parallel dazu ist, und, wenn die Anzahl der Schichten, die in einer periodischen Einheit einer Atomanordnung in der [0001]-Kristallorientierung des Siliciumcarbidkristallsubstrats enthalten ist, n ist, eine n-schichtige Schichtstruktur, die in der {111}-Kristallebene, welche den {111}-Kristall bildet, enthalten ist, eine gleiche Schichthöhe zur c-Achsen-Gitterkonstante des Siliciumcarbidkristallsubstrats aufweist.
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