DE112005002838T5

DE112005002838T5 - Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, Verfahren zu dessen Herstellung, Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid und Lampe unter Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE112005002838T5
Application number: DE112005002838T
Authority: DE
Inventors: Takashi Chichibu Udagawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-11-15
Also published as: JP2006173590A; US7781866B2; US20080135852A1; KR20070086386A; KR100906164B1; TW200633266A; TWI294189B; WO2006054737A1

Abstract

Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, welche umfaßt:
ein Einkristallsubstrat;
eine Niedertemperaturpufferschicht, die bei einer niedrigen Temperatur in einer zu dem Einkristallsubstrat benachbarten Region gebildet wurde; und
eine auf der Niedertemperaturpufferschicht liegende Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid;
wobei die Niedertemperaturpufferschicht eine Einkristallschicht, gebildet aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, das mehr Gallium als Aluminium enthält, worin 0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1, aufweist und wobei die Einkristallschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer geringeren Dichte als auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine unter 35 U.S.C. §111(a) eingereichte Patentanmeldung, welche gemäß 35 U.S.C §119(e)(1) die Priorität der am 1. Dezember 2004 eingereichten provisorischen Anmeldung Nr. 60/631,987 und die Priorität der am 18. November 2004 eingereichten japanischen Anmeldung Nr. 2004-334517 nach 35 U.S.C §111(e)(1) beansprucht.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, die eine Niedertemperaturpufferschicht, gebildet auf einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter, ein Verfahren zu dessen Herstellung, eine Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid und eine Lampe unter Verwendung der Vorrichtung bereitstellt.
Stand der Technik
Die Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) der kubischen Zinkblendenkristalle oder der hexagonalen Wurtzitkristalle sind bislang zur Herstellung von Vorrichtungen eingesetzt worden, die sichtbares Licht kürzerer Wellenlänge emittieren (vgl. beispielsweise JP-A HEI 2-288388). Die für die Herstellung der Halbleitervorrichtungen auf Basis von Galliumnitrid eingesetzten Stapelstrukturen sind unter Verwendung von Einkristallen von Aluminiumoxiden mit hoher thermischer Resistenz, beispielsweise eines festen Einkristalls eines Saphirs (α-Al₂O₃-Einkristall) oder Granats, als Substrat hergestellt worden (vgl. beispielsweise JP-A HEI 7-288231).
Die aus Aluminiumoxiden, wie Saphir, gebildeten Einkristallsubstrate und die Halbleitermaterialien auf Basis von Galliumnitrid (GaN) haben jedoch deutlich unterschiedliche Gitterkonstanten. Der Gitterfehlanpassungsfaktor zwischen Saphir hexagonalem GaN ist beispielsweise 13,8 % (vgl. beispielsweise Kazumasa HIRAMATSU et al., "Journal of Japanese Association for Crystal Growth", Vol. 20, Nr. 4, 1993 (Japan), S. 28-36). Somit werden die Stapelstrukturen, die für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen auf Basis von Galliumnitrid verwendet werden, im allgemeinen auf ihren Substraten durch eine darauf aufgetragene Pufferschicht gebildet. Die Pufferschichten, welche die Gitterfehlanpassungen abschwächen sollen, sind bislang bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur gebildet worden, und sie werden deshalb Niedertemperaturpufferschichten genannt (beispielsweise Isamu AKASAKI, "Group III-V Compound Semiconductors", herausgegeben am 20. Mai 1995 von Baifukan K.K., erste Ausgabe, Kapitel 13).
Die Niedertemperaturpufferschichten werden beispielsweise aus Galliumnitrid gebildet (vgl. beispielsweise JP-A HEI 8-255926). Diese Niedertemperaturpufferschichten werden vorzugsweise aus einem amorphen oder polykristallinen Material in dem gewachsenen Zustand gebildet, um die Gitterfehlanpassungen mit den Kristallen des Substrats abzuschwächen (vgl. beispielsweise JP-A HEI 8-255926). Tatsächlich ist eine blaue LED vom p-n-Übergangstyp, die mit einer lichtemittierenden Schicht aus Galliumnitrid versehen ist und eine Niedertemperaturpufferschicht aus Aluminiumnitrid (AIN) verwendet und eine solche Struktur aufweist, in die Praxis umgesetzt worden (vgl. beispielsweise "Electronics", Ausgabe März 1991, S. 63-66). Außerdem ist der Umstand, daß Niedertemperaturpufferschichten dieser Struktur in Kurzwellen-LED-Produkten, die blaues Licht und ultraviolettes Licht emittieren, eingesetzt werden, in frühen Veröffentlichungen offenbart, beispielsweise von Hiroshi AMANO und Isamu AKASAKI, "Solid Physics", Vol. 25, Nr. 6, 1990 (Japan), S. 35-41 und H. AMANO et al., Institute of Physics Conference Series, Vol. 106, Kapitel 10, 1990 (England), S. 725-730. Dieser Umstand, der blaue LED-Produkte vom MIS-Typ betrifft, ist in früheren Veröffentlichungen of fenbart worden, beispielsweise von Masahide MABE, "TOYODA GOSEI TECHNICAL REVIEW", Vol. 31, Nr. 2, 1989 (Japan), S. 85-93 (insbesondere 1 in der linken Spalte auf S. 87 und in den Zeilen 5-6 der linken Spalte).
Wenn die Niedertemperaturpufferschicht als Unterschicht ausgeführt wird, wird sie dahingehend als überlegen angesehen, daß darauf eine Halbleiterschicht eines Gruppe-III-Nitrids, wie GaN, gebildet werden kann, welche sich durch Kontinuität bei einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur, die für das Züchten der Niedertemperaturpufferschicht eingesetzt wird, auszeichnet. Man geht davon aus, daß diese Überlegenheit durch die Anwesenheit der Niedertemperaturpufferschicht verursacht wird, welche das Wachstum in der lateralen (horizontalen) Richtung der Einkristallkörnchen des Gruppe-III-Nitridhalbleiters, die auf der Oberfläche auftreten, fördert und deshalb ein glattes Voranschreiten der Anhaftung der sich hauptsächlich in horizontaler Richtung entwickelnden Gruppe-III-Nitridhalbleitereinkristallkörnchen erlaubt (vgl. beispielsweise Isamu AKASAKI, Hiroshi AMANO, Yasou KOIDE, Kazumasa HIRAMATSU und Nobuhiko SAWAKI, Journal of Crystal Growth, Vol. 98, 1989 (Niederlande), S. 209-219). Die gegenseitige Anhaftung der Gruppe-III-Nitridhalbleitereinkristallkörnchen, welche die Kontinuität induziert, wenn die Einkristallkörnchen hexagonal sind, kann in der (1.0.-1.0)-Fläche im Miller-Bravais-Index und dem flächenkristallographischen Äquivalent davon auftreten.
Beispielsweise wurde gezeigt, daß in der Niedertemperaturpufferschicht, gebildet auf einem Gruppe-III-Halbleiter auf einem Saphir mit einer (0. 0. 0. 1)-Fläche (eine sogenannte C-Oberfläche) unter Verwendung eines Substrats die Gruppe-III-Halbleiter-Niedertemperaturpufferschicht mit einer Einkristallschicht, gebildet aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter, wie Al₂Ga_γN, in der Übergangsregion mit dem Substrat, eine Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, die in einer spezifischen Kristallrichtung gleichförmig orientiert ist, wirksam induzieren kann (vgl. beispielsweise JP-A HEI 10-2224).
Neben der gleichförmigen Orientierung sind die strukturellen Erfordernisse, welche die aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter gebildete Niedertemperaturpufferschicht erfüllen sollte, um als die obere Schicht eine Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, die an Kristalldefekten leidet, beispielsweise an Stapelfehlern, nur bei einer geringen Dichte zu induzieren, und sich durch Einkristallinität auszuzeichnen, bislang nicht ausreichend ermittelt worden. Deshalb stellen die herkömmlichen Niedertemperaturpufferschichten trotz ihrer gleichförmigen Orientierung immer noch untere Schichten dar, die eine Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid, die nur in einer ausreichend geringen Dichte mit Kristalldefekten behaftet ist und sich in einer Kristallinität als obere Schicht auszeichnen, nicht vollständig stabil induzieren können.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick darauf angestoßen, die Aufgaben zu lösen, die sich wie vorstehend beschrieben im Stand der Technik stellen, und die vorliegende Erfindung zielt darauf, eine Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid bereitzustellen, die mit einer Pufferschicht als untere Schicht (Substratum) versehen ist, welche eine Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid vollständig stabil induzieren kann, wobei eine gleichförmige Orientierung erzielt wird, Kristalldefekte in einer völlig verringerten Dichte vorhanden sind, und Kristallinität erzielt wird. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung derselben und eine Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid und eine Lampe bereitgestellt werden.
Offenbarung der Erfindung
Im Hinblick darauf, den vorstehend beschriebenen Gegenstand der Erfindung zu erzielen, ist ein erster Aspekt dieser Erfindung auf eine Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid gerichtet, welche ein Einkristallsubstrat, eine Niedertemperaturpufferschicht, gezüchtet bei einer niedrigen Temperatur in einer zu dem Einkristallsubstrat benachbarten Region, und eine Halbleiterschicht auf Basis von Gallium nitrid (GaN) umfaßt, welche die Niedertemperaturpufferschicht überdeckt, wobei die Niedertemperaturpufferschicht eine Einkristallschicht aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1), enthaltend Gallium (Ga) in höherer Menge als Aluminium (Al), aufweist, und wobei die Einkristallschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer geringeren Dichte als auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche hat.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Stapelstruktur des ersten Aspekts, wobei das Einkristallsubstrat ein Saphir (α-Aluminiumoxideinkristall)-Substrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Fläche)-Oberfläche ist.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Stapelstruktur des ersten Aspekts, wobei das Einkristallsubstrat ein Siliciumcarbidsubstrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Fläche)-Oberfläche ist.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Stapelstruktur nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid eine [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu einer [1.0.-1.0.]-Richtung der Einkristallschicht der Niedertemperaturpufferschicht aufweist.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Stapelstruktur nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei die Einkristallschicht der Niedertemperaturpufferschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer Dichte von 1/5 oder weniger einer Dichte von Kristalldefekten auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, welches die Stufen umfaßt, bei denen auf einem Einkristallsubstrat eine Niedertemperaturpufferschicht, gezüchtet bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von 250 bis 500°C, gebildet wird, eine Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid auf der Niedertemperaturpufferschicht gebildet wird und in der Niedertemperaturpufferschicht eine Einkristallschicht aus einem Gruppe-III- Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1), enthaltend mehr Gallium als Aluminium, gebildet wird, indem ein Galliumausgangsmaterial vor dem Aluminiumausgangsmaterial eine erste Oberfläche des Substrats erreicht, wobei die Einkristallschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer niedrigeren Dichte als auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.
Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem sechsten Aspekt, wobei das Einkristallsubstrat ein Saphir (α-Aluminiumoxideinkristall)-Substrat mit der {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren nach dem sechsten Aspekt, wobei das Einkristallsubstrat ein Siliciumkohlenstoffsubstrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Ein neunter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren nach einem der Aspekte 6 bis 8, wobei die Niedertemperaturpufferschicht bei einer Wachstumsrate im Bereich von 1 bis 3 nm/min. gezüchtet wird.
Ein zehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid unter Verwendung der Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach einem der Aspekte 1 bis 5.
Ein elfter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Lampe, bei der die Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid nach dem zehnten Aspekt eingesetzt wird. Da die Niedertemperaturpufferschicht im Inneren eine Einkristallschicht aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, enthaltend mehr Gallium als Aluminium, aufweist und die Einkristallschicht Kristalldefekte auf der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer niedrigeren Dichte als die Dichte der Kristalldefekte auf den anderen Kristallflächen aufweist, insbesondere auf der (1.0.-2.0.)-Kristallfläche und den dazu äquivalenten Kristallflächen, kann erfindungsgemäß die als eine Überstruktur gebildete Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid Kontinuität und ausreichende Stabilität aufweisen, indem Kristalldefekte, insbesondere in der [1.0.-1.0.]-Richtung, unterdrückt werden.
Da die Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid die [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu der [1.0.-1.0.]-Richtung der Niedertemperaturpufferschicht aufweist, wird außerdem ermöglicht, die Kristalldefekte auf der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einem hohen Ausmaß zu verringern und eine Halbleiterlichtemissionsvorrichtung auf Basis von Galliumnitrid bereitzustellen, die charakteristische Eigenschaften aufweist.
Da die Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid gebildet wird, indem die erfindungsgemäße Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid eingesetzt wird, ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid bereitzustellen, beispielsweise als lichtemittierende Diode, die in der Umkehrrichtung kaum einer nachteiligen Durchbruchspannung unterliegt und sich durch Durchschlagseigenschaften auszeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein Diagramm, welches das Elektronenstrahlbeugungsmuster einer Einkristallschicht in einer Niedertemperaturpufferschicht, aufgenommen in [1.0.-1.0.]-Richtung, zeigt.
2 ist ein Diagram eines Elektronenstrahlbeugungsmusters einer Einkristallschicht in einer Niedertemperaturpufferschicht, aufgenommen in [1.0.-2.0.]-Richtung.
3 ist ein schematischer Querschnitt, der das Profil einer in Beispiel 1 beschriebenen Stapelstruktur veranschaulicht.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine in Beispiel 2 beschriebene LED veranschaulicht.
5 ist ein schematischer Querschnitt, der das Profil veranschaulicht, das entlang der Linie V-V durch die in 4 gezeigte LED erhalten wird.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Die erfindungsgemäße Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid umfaßt mindestens ein Substrat, eine Niedertemperaturpufferschicht auf dem Substrat und eine Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid auf der Niedertemperaturpufferschicht.
Die Niedertemperaturpufferschicht besitzt im Inneren eine Einkristallschicht, gebildet aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1), enthaltend mehr Gallium (Ga) als Aluminium (Al), und wird mittels metallorganischer Dampfabscheidung (MOCVD) auf die (0.0.0.1)-Kristallfläche (die sogenannte C-Ebene) eines das Substrat bildenden Saphirs gebildet. Um diese Bildung mittels MOCVD zu bewirken, wird Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga) oder Triethylgallium ((C₂H₅)₃Ga) als Galliumquelle und eine metallorganische (MO)-Verbindung, wie Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al) oder Triisobutylaluminium ((i-C₄H₉)₃Al), als Aluminiumquelle eingesetzt. Als Stickstoffquelle sind Ammoniak (NH₃) und Hydrazin (N₂H₄) verfügbar. Dimethylhydrazine ((CH₃)₂H₂N₂) mit einer asymmetrischen Molekülstruktur mit niedrigeren Zersetzungstemperaturen sind als Ausgangsmaterial für Stickstoff, der für das Bilden einer Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht eingesetzt wird, ebenfalls einsetzbar.
Um die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche, insbesondere der (0.0.0.1.)-Fläche (C-Ebene), des Saphirsubtrats in der Region bereitgestellt wird, die dem Substrat mit der hexagonalen Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht benachbart ist, ist die Wachstumstemperatur vorzugsweise 250°C oder höher und 500°C oder niedriger. Wenn die Temperatur unter 250°C fällt, führt eine niedrigere Temperatur dazu, daß verhindert wird, daß ein Einkristall aus Al_XGa_γN vollständig stabil im Inneren der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht in dem Teil gebildet wird, das dem Saphirsubstrat benachbart ist, weil die thermische Zersetzung des Ausgangsmaterials für das Wachstum unzureichend ist. Wenn die Temperatur 500°C übersteigt, führt der Überschuß dazu, daß säulenförmige Kristalle von Al_XGa_γN willkürlich entstehen und, noch schlimmer, isoliert voneinan der auftreten, so daß die (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats nicht gleichförmig gebildet und nicht ausreichend überzogen werden kann. Somit wird verhindert, daß die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht, die mit einer Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht versehen ist, die durch kontinuierliches Verbinden von Al_XGa_γN-Einkristallen gebildet worden ist, stabil erhalten werden kann. Die Wachstumstemperatur der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht mit erfindungsgemäß gewünschter Kontinuität ist vorzugsweise 350°C oder mehr und 450°C oder weniger.
Wenn die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht bei einer Temperatur in dem vorstehend genannten bevorzugten Bereich gebildet wird, während Galliumausgangsmaterial die (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats zeitlich gesehen vor dem Aluminiumausgangsmaterial erreichen kann, kann die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht mit der [1.0.-1.0.]-Richtung, die gleichförmig parallel zu der [2.1.-1.0.]-Richtung von Saphir ausgerichtet ist, stabil an die C-Ebene des Saphirsubstrats gebunden erhalten werden. Wenn der Zufluß des Al-Ausgangsmaterials, wie Trimethylaluminium, 5 Sekunden bis 5 Minuten nach der Zugabe des Ga-Ausgangsmaterials, wie Trimethylgallium, zu der ersten Oberfläche des Saphirsubstrats bewirkt wird, führt dieses Verfahren dazu, daß eine Niedertemperaturpufferschicht stabil gebildet wird, die eine Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, enthaltend mehr Ga als Al, aufweist. Wenn die Temperatur des Wachstums der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht bei einer so hohen Temperatur wie möglich innerhalb des vorstehend beschriebenen bevorzugten Temperaturbereichs festgelegt wird, ist der zeitliche Abstand zwischen dem Zeitpunkt der Zugabe des Ga-Ausgangsmaterials und dem Zeitpunkt der Zugabe des Al-Ausgangsmaterials vorzugsweise kürzer. Dies soll verhindern, daß das Ga-Ausgangsmaterial, welches an die erste Oberfläche des Saphirsubstrats anhaftet, verflüchtigt wird, und somit wird ermöglicht, daß die hergestellte Al_XGa_γN-Einkristallschicht auf die erste Oberfläche des Substrats homogen aufgetragen wird. Wenn die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpuffer schicht beispielsweise bei 450°C gezüchtet wird, wird die Zugabe des Al-Ausgangsmaterials vorzugsweise innerhalb 2 Minuten nach Zugabe des Ga-Ausgangsmaterials gestartet.
Wenn umgekehrt das Aluminiumausgangsmaterial die erste Oberfläche des Saphirsubstrats vor dem Galliumausgangsmaterial erreichen kann, kann die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht mit der [1.0.-1.0.]-Richtung, die zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung von Saphir parallel ist, nicht stabil erhalten werden, obwohl mehr Gallium als Aluminium vorhanden ist. Dieses Verfahren führt möglicherweise dazu, daß eine polykristalline Schicht mit ungleichförmiger Orientierung gebildet wird, die, obwohl sie die (0001)-Fläche aufweist, ein hexagonales Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1) mit der [2.-1.-1.0.]-Richtung, die parallel zu der [2.-1.-1.0]-Richtung von Saphir ist, enthält. Die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht, die mit der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht versehen ist, in der die [2.-1.-1.0.]-Richtung parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung des Saphirsubstrats orientiert ist, ist nicht ausreichend wirksam, die Überstruktur mit Kristalldefekten, die nur in geringer Dichte auftreten, und mit Kristallinität stabil zu induzieren.
Wenn die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht bei einer Wachstumsrate im Bereich von 1 Nanometer (nm) oder mehr pro Minute bis 3 nm oder weniger pro Minute unter den Bedingungen gebildet wird, welche den bevorzugten Temperaturbereich und das vorstehend beschriebene Mittel zum Bereitstellen der Gruppe-III-Komponente erfüllt, ist es möglich, eine Niedertemperaturpufferschicht zu bilden, die in den Regionen, die dem Saphirsubstrat benachbart sind, mit Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht mit Kristalldefekten in einer geringen Dichte auf der (1.0.-1.0.)-Fläche und der dazu äquivalenten Kristallfläche bereitzustellen.
Die Dichte der Kristalldefekte auf der (1.0.-1.0.)-Fläche und der dazu äquivalenten Kristallfläche der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die durch die vorliegende Erfindung gebildet wird, ist 1/5 oder weniger der Dichte der Kristalldefekte, beispielsweise Kristallzwillinge und Stapelfehler, auf einer anderen Kristallfläche, wie der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche. Insbesondere ist die Dichte der Stapelfehler weniger als etwa 1 × 10⁵ cm^–2. Anders ausgedrückt hat die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die hergestellt werden kann, Kristalldefekte in der [1.0.-1.0.]-Richtung in einer geringeren Dichte als in der [1.1.-2.0.]-Richtung.
Die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Schicht, die in der zu dem Saphirsubstrat benachbarten Region enthalten ist, kann aufgrund des Elektronenstrahlbeugungsmusters beurteilt werden. Die Schicht ist amorph, wenn das Beugungsmuster ein Halo ist. Sie ist polykristallin, wenn die Beugung in der Form eines Rings erscheint. Sie ist ein Einkristall, wenn das Elektronenstrahlbeugungsmuster weder ein Halo noch einen Beugungsring zeigt, sondern Beugungspunkte aufweist, die Flecken ähneln. In dieser Erfindung wird eine Probe, die lineare Streifen neben den Beugungsflecken aufweist (vgl. "Physics Dictionary, Reduced-Size Edition", zusammengestellt und geschrieben von dem Physics Dictionary Edition Committee, (veröffentlicht am 20. Oktober 1986 von Baifukan K.K., erste Ausgabe), S. 776-777), als Kristalldefekte, wie Stapelfehler, aufweisende Einkristallschicht angesehen.
Die Orientierung der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die in der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht enthalten ist, kann unter Einsatz des Elektronenstrahlbeugungverfahrens untersucht werden. Es wird angenommen, daß ein Elektronenstrahlbeugungsmuster der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht durch einen Elektronenstrahl gebildet wird, der zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung des Saphirsubstrats parallel ist. Wenn das Elektronenstrahlbeugungsmuster ein umgekehrtes Gitterbild des Al_XGa_γN-Einkristalls in der Vogelperspektive von der [1.0.-1.0.]-Richtung zeigt, kann die Al_XGa_γN-Einkristallschicht als eine Schicht beurteilt werden, in der die [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung des Saphirs orientiert ist.
Die Anwesenheit von Kristalldefekten, beispielsweise Stapelfehlern und Kristallzwillingen, die in der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht enthalten sind, können in dem Elektronenstrahlbeugungsmuster als lineare Streifen und abnormale Beugungsflecken identifiziert werden. Die Anwesenheit von Stapelfehlern in der Niedertemperaturpufferschicht ist durch das Auftreten von Streifen bekannt. Beispielsweise zeigt 1 das Elektronenstrahlbeugungsmuster einer Al_XGa_γN-Einkristallschicht in einer erfindungsgemäßen Niedertemperaturpufferschicht, wobei das Muster mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der parallel zu der [1.0.-1.0.]-Richtung angelegt wurde, erhalten wurde. 1 ist ein Elektronenstrahlbeugungsmuster, das von der (1.0.-1.0.)-Fläche erhalten wurde. Das Muster zeigt nur Beugungen, die wie Flecken geformt sind, beispielsweise (0002) und (0004), es zeigt jedoch keine Streifen. Somit ergibt sich, daß die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht der vorliegenden Erfindung Kristalldefekte, wie Stapelfehler, in einer geringen Dichte auf der (1.0.-1.0.)-Fläche aufweist.
Das Elektronenstrahlbeugungsmuster derselben Al_XGa_γN-Einkristallschicht, das durch Ändern der Elektronenstrahlrichtung in die [1.1.-2.0.]-Richtung erhalten wurde, ist in 2 gezeigt. Dieses Elektronenstrahlbeugungsmuster zeigt lineare Streifen, welche auf die Anwesenheit von Stapelfehlern hinweisen. Wenn Stapelfehler in hoher Dichte vorhanden sind, wird angenommen, daß die Intensität der Streifen verstärkt wird (vgl. das vorstehend erwähnte "Physics Dictionary, Reduced-Size Edition", S. 776-777). Das Elektronenstrahlbeugungsmuster der 2, das von der (1.1.-2.0.)-Fläche aufgenommen wurde, zeigt Streifen, die so erscheinen, als ob sie verbundene Beugungsflecken wären. Dieses Muster zeigt deutlich, daß die (1.1-2.0.)-Fläche der Al_XGa_γN-Einkristallschicht Kristalldefekte, wie Stapelfehler, in größerer Menge als die (1.0.-1.0.)-Fläche im Inneren der Schicht aufweist. Mit anderen Worten zeigt das Muster, daß die [1.1.-2.0.]-Richtung der Al_XGa_γN-Einkristallschicht der vorliegenden Erfindung Kristalldefekte in größerer Menge als die [1.0.-1.0.]-Richtung enthält.
Die Dicke der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht wird mit der Erhöhung der Wachstumstemperatur der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht verstärkt. Wenn die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht einer geringen Dicke bei einer hohen Temperatur gebildet wird, wird deshalb die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht möglicherweise nicht nur die Region, die dem Saphirsubstrat benachbart ist, sondern auch die gesamte Niedertemperaturpufferschicht besetzen. In diesem Fall stellt die Dicke der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht die Gesamtdicke der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht dar. Wenn umgekehrt die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht einer großen Dicke bei einer niedrigen Temperatur gezüchtet wird, wird sie möglicherweise aus einer Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die dem Saphirsubstrat benachbart ist, und einem amorphen Körper, der auf die Einkristallschicht abgeschieden wurde, zusammengesetzt sein. Dies kann dadurch erklärt werden, daß der Einfluß aufgrund der regulären Atomanordnung auf die erste Oberfläche des Saphirsubstrats mit zunehmender Dicke der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht erhöht wird und folglich die erste Oberfläche nicht zu einem Einkristall wachsen kann. In diesem Fall ergeben die Dicke der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht und die Dicke des amorphen Körpers die Gesamtdicke der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht. In jedem der vorstehend beschriebenen Fälle ist die Gesamtdicke der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht vorzugsweise 1 nm oder mehr und 50 nm oder weniger.
Die Dicke der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die in der zu dem Saphirsubstrat benachbarten Region gebildet wird, ist ausreichend, solange sie 1 nm oder mehr ist. In dem Einkristall von Al_XGa_γN sind die Aluminium-, Gallium- und Stickstoffatome stark aneinander gebunden. Die erfindungsgemäße Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht hält deshalb die beschichtete erste Oberfläche des Saphirsubstrats fortdauernd intakt, selbst wenn sie einer erhöhten Temperatur von beispielsweise mehr als 800 oder 1000°C ausgesetzt wird, um eine Halbleiterschicht auf Basis von GaN auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht zu bilden. Somit kann vermieden werden, daß das Saphirsubstrat die Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die im allgemeinen mit Saphir massive Gitterfehlanpassungen aufweist, direkt kontaktiert. Deshalb funktioniert das Saphirsubstrat effektiv als Pufferschicht zum Abschwächen der Gitterfehlanpassungen zwischen Saphir und der Halbleiterschicht auf Basis von GaN und zum Bilden der Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die Kristallinität als Überstruktur aufweist.
Der amorphe Körper tritt möglicherweise wie vorstehend beschrieben in gewachsenen Zustand auf der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht auf. Ein Teil des amorphen Körpers kristallisiert auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht während des Verfahrens zum Bilden der Halbleiterschicht auf Basis von GaN bei einer hohen Temperatur. Dabei führt die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht als Unterschicht zu der Wirkung, daß der amorphe Körper in einen Kristall mit perfekter Orientierung überführt wird. Wenn die amorphe Schicht auf der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht eine übermäßig große Dicke hat, kann, während der amorphe Körper, der in der Nachbarschaft der ersten Oberfläche der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht vorhanden ist, kristallisiert wird, es vorkommen, daß der amorphe Körper, der weiter weg vorhanden ist, möglicherweise nicht kristallisiert. Somit wird es schwierig, daß die amorphe Schicht über den gesamten Bereich stabil kristallisiert. Somit ist die Dicke des amorphen Körpers der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht angemessen, wenn sie weniger als 15 nm ist. Die Tatsache, daß die Dicke des amorphen Körpers 0 ist, bedeutet, daß kein amorpher Körper auf der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht vorhanden ist und daß die Oberfläche der Einkristallschicht der Umgebung ausgesetzt wird. Der Umstand, daß die Oberfläche der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht über die gesamte Fläche exponiert wird, ist vorteilhaft, damit die Halbleiterschicht auf Basis von GaN aus einem Einkristall darauf gebildet werden kann.
Wenn die erfindungsgemäße Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht eine Unterschicht darstellt, wird ermöglicht, daß die darauf gebildete Halbleiterschicht auf Basis von GaN das Auftreten von Kristalldefekten, wie Stapelfehlern, unterdrücken kann. Es wird insbesondere ermöglicht, daß die Halbleiterschicht auf Basis von GaN mit einer hohen Qualität in einer hexagonalen Struktur gebildet wird, die als ein kontinuierlicher Film in der Art einer wiederholten Anhaftung an die (1.0.-1.0.)-Fläche entwickelt wird. Das Material des Substrats ist nicht notwendigerweise auf Saphir beschränkt. Selbst die Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die durch wiederholte Anhaftung auf die (0.0.0.1.)-Fläche eines Substrats aus einem hexagonalen Kristall mit einer (0001)-Oberfläche, d.h. beispielsweise ein Siliciumcarbid (SiC) Kristall, gebildet worden ist, kann eine hervorragende Kristallinität annehmen, wenn die Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht der vorliegenden Erfindung als eine Unterschicht verwendet wird. Dieser Umstand deutet darauf hin, daß durch Ausgleichen der Kristallfläche der Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht mit Kristalldefekten in einer geringeren Dichte als die anderen Kristallflächen mit der anhaftenden Fläche, die während der Entwicklung der Halbleiterschicht auf Basis von GaN auftritt, ermöglicht wird, daß die Halbleiterschicht auf Basis von GaN die Bildung von Kristalldefekten unterdrückt.
Die erfindungsgemäße Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht ist während des Wachstums der Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht mit Hilfe des Anhaftungsverfahrens potentiell in der Lage, zu verhindern, daß die Kristalldefekte auf der (1.0.-1.0.)-Fläche, d.h. auf der Anhaftungsfläche, zunehmen, und sie kann deshalb auf hervorragende Weise eine n-Typ oder p-Typ leitende Halbleiterschicht auf Basis von GaN bilden. Da die erfindungsgemäße Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht außerdem Kristalldefekte nur in einer kleinen Menge aufweist, kann die zu bildende Halbleiterschicht auf Basis von GaN einen ausreichend hohen Widerstand annehmen, um das Auftreten eines unnötigen Leckstroms durch Kristalldefekte zu ver hindern. Durch die Verwendung der Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die Kristallinität aufweist, ist es möglich, eine gestapelte Struktur auf der Grundlage von Galliumnitrid herzustellen, die elektrische Eigenschaften aufweist und für lichtemittierende Vorrichtungen eingesetzt werden kann.
Die Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht aufgetragen werden kann, kann durch das Halogenverfahren, das Hydridverfahren und das Dampfphasenwachstumsverfahren, beispielsweise durch das MOCVD-Verfahren, gebildet werden. Sie kann auch durch das Molekularstrahlepitaxieverfahren gebildet werden. Durch Bilden einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einer Doppelhetero(DH)struktur vom p-n-Übergangstyp, hergestellt aus einem Halbleitermaterial auf Basis von GaN auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht, ist es beispielsweise möglich, eine Halbleiterstapelstruktur auf der Grundlage von Galliumnitrid zu erhalten, die für die Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, beispielsweise einer Laserdiode (LD), die kurzwelliges sichtbares Licht emittiert, eingesetzt wird.
Bei der Bildung einer gestapelten Struktur für die Verwendung in einer lichtemittierenden Vorrichtung, beispielsweise einer LED oder LD, hat die Konfiguration mit einer Halbleiterdünnschicht auf Basis von GaN, enthaltend Indium (In) oder Aluminium (Al), oder mit einer Supergitterstrukturschicht, welche die Dünnschicht zwischen die erfindungsgemäße Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht und eine lichtemittierende Schicht (aktive Schicht) eingeführt enthält, die Wirkung, daß eine lichtemittierende Schicht, die vereinzelte Fehlordnungen nur kaum aufweist und Kristallinität zeigt, zu produzieren.
Beispielsweise wird auf der GaN-Schicht, die auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht gebildet ist, die lichtemittierende Schicht durch eine Dünnschicht aus Al_QGa_1-QN (0 < Q ≤ 1) abgeschieden. Alternativ dazu wird eine Übergitterstrukturschicht, die ein Galliumindiumnitrid vom n-Typ enthält (Ga_QIn_1-QN; 0 < Q ≤ 1) zwischen eine Niedertemperaturpufferschicht und eine lichtemittierende Schicht vom n-Typ eingeführt, und eine lichtemittierende Schicht wird darauf gebildet. Die Verwendung einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, die mit einer lichtemittierenden Schicht ausgestattet ist, welche die Emission mit einer hohen Intensität induziert, ist hervorragend bei der Konfiguration und Herstellung einer LED mit einer hohen Leuchtkraft. Da die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid wie vorstehend beschrieben eine hohe Leuchtkraft aufweist, wird durch die Kombination mit einem spezifischen Fluoreszenzmaterial ermöglicht, eine weiße Lampe bereitzustellen, die beispielsweise für Leuchtapparate geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid wird hergestellt, indem eine wie vorstehend beschriebene Stapelstruktur einer Musterbildung oder einem Ätzen unterworfen wird und sie mit Schottky-Elektroden oder Ohm'schen Elektroden ausgestattet wird. Beispielsweise können die obersten Schichten, beispielsweise die Kontaktschicht, die Stromausbreitungsschicht oder die Fensterschicht in der Stapelstruktur für die Verwendung in lichtemittierenden Vorrichtungen mit einer Ohm'schen Elektrode beliebiger Polarität ausgestattet werden. Die LED wird dadurch hergestellt, daß außerdem eine Ohm'sche Elektrode der anderen Polarität an die Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiterschicht auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die folgenden Funktionen auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Konfiguration. Im speziellen erfüllt in der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht, die auf einem Saphirsubstrat mit einer (0001)-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche gebildet ist, die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die in der zu dem Saphirsubstrat benachbarten Region gebildet ist, welche die [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung von Saphir aufweist und die Dichte der Kristalldefekte auf der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche unterdrückt, die Funktion, daß auf der Niedertemperaturpufferschicht eine Halbleiterschicht auf Basis von GaN hergestellt wird, welche eine gleichförmige Orientierung aufweist und Kristalldefekte in der [1.0.-1.0.]-Richtung nur kaum zeigt.
Die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die in einer spezifischen Kristallrichtung des Saphirsubstrats orientiert ist und die die Dichte der Kristalldefekte auf einer spezifischen Kristallfläche unterdrücken kann, behält ihre Einkristalleigenschaft selbst während der Ablagerung einer Überstruktur bei einer hohen Temperatur auf der Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht, bleibt auf der Oberfläche des Saphirsubstrats und erfüllt die Funktion, daß Fehlanpassungen zwischen dem Saphirsubstrat und der als obere Schicht gebildeten Halbleiterschicht auf Basis von GaN abgeschwächt werden.
Die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht, die für die Niedertemperaturpufferschicht vorgesehen ist, die in der vorstehend beschriebenen spezifischen Kristallrichtung orientiert ist, und die Dichte von Kristalldefekten auf der spezifischen Kristallfläche im Hinblick auf das Saphirsubstrat unterdrücken kann, wenn ein amorpher Körper darauf vorhanden ist, erfüllt die Funktion, diesen amorphen Körper in einen Einkristall mit derselben Orientierung wie die Al_XGa_γN (0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1)-Einkristallschicht zu überführen.
Beispiel 1:
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid mit einer Halbleiterschicht auf Basis von GaN, die durch eine Al_XGa_γN-Niedertemperaturpufferschicht auf einem Saphirsubstrat gebildte wurde, eingehend beschrieben.
Das Querschnittprofil einer Stapelstruktur 10, die in Beispiel 1 erwähnt wird, ist in 3 schematisch veranschaulicht.
Gruppe-III-Nitridhalbleiterschichten 102 bis 110, die für die Stapelstruktur 10 vorgesehen sind, wurden auf der (0.0.0.1.)-Fläche eines Saphirsubstrats 100 durch eine Aluminiumgalliumnitridmischkristall-(Al_0,10Ga_0,90N)-Niedertempera turpufferschicht 101 auf einem Saphirsubstrat gebildet. Die Niedertemperaturpufferschicht 101 wurde bei 400°C mit einem Normaldruck-(etwa Atmosphärendruck)-MOCVD-Verfahren unter Verwendung von Triethylgallium ((C₂H₅)₃Ga) als Gallium (Ga)-Quelle, Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al) als Aluminium (Al)-Quelle und Ammoniak (NH₃) als Stickstoff (N)-Quelle gezüchtet. Die Niedertemperaturpufferschicht 101 wurde dadurch gezüchtet, daß die Galliumquelle die (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats 100 zeitlich vor der Aluminiumquelle erreichte. Die Wachstumsrate wurde auf 3 nm pro Minute festgelegt, indem die Summe der Konzentrationen (C₂H₅)₃Ga und (CH₃)₃Al, die pro Zeiteinheit zu dem MOCVD-Reaktionssystem gegeben wurden, eingestellt wurde. Die Dicke der Niedertemperaturpufferschicht wurde auf 18 nm festgelegt.
Die Kristallstruktur in der Niedertemperaturpufferschicht 101 in dem gewachsenem Zustand wurde durch Elektronenstrahlbeugungsverfahren analysiert. Da das Beugungsmuster in der Form von Flecken aus einer Region einer Dicke von etwa 8 nm von der (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats 100 erhalten wurde, wurde gefolgert, daß eine Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a in der Region der Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht, die dem Saphirsubstrat 100 benachbart ist, vorhanden war. Aus dem Elektronenstrahlbeugungsmuster wurde gefolgert, daß die Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a aus einem hexagonalen Kristall mit (0.0.0.1.)-Flächen gebildet worden war, die auf der (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirs angehäuft waren. Aus der Beziehung mit der Richtung des Elektronenstrahls wurde gefolgert, daß die Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a die [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung des Saphirsubstrats 100 aufwies. Die Dicke der Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht war etwa 2 nm. Auf der Oberfläche der Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a wurde ein amorpher Körper in einer Dicke von etwa 10 nm verstreut, somit war die Gesamtdicke der Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 in gewachsenem Zustand etwa 12 nm.
Auf der Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 wurden die Gruppe-III-Nitridhalbleiterschichten auf Basis von GaN 102 bis 108, die in den folgenden Punkten (a) bis (g) identifiziert werden, durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet, um die erfindungsgemäße Stapelstruktur 20 zu vervollständigen.

(a) Eine mit Si dotierte GaN-Schicht vom n-Typ 102 (Trägerkonzentration (n) = 1 × 10¹⁸ cm^–3, Schichtdicke (t) = 5500 nm)
(b) Eine Supergitterstrukturschicht 103, gebildet aus einer 12-lagigen, mit Si dotierten n-Typ Galliumindiumnitridmischkristall (Ga_0,98In_0,02N)-Schicht (t = 1,5 nm) und einer 11-lagigen, mit Si dotierten n-Typ Galliumindiumnitridmischkristall (Ga_0,99In_0,01N)-Schicht (t = 1,5 nm)
(c) Eine Quantenlochstrukturschicht 104, gebildet aus einer 8-lagigen n-Typ GaN (t = 15 nm)-Schicht, und einer 7-lagigen n-Typ Ga_0,95In_0,05N-Schicht (t = 2,0 nm)
(d) Eine Hochwiderstandsschicht 105, gebildet aus Al_0,25Ga_0,75N (t = 1,5 nm)
(e) Eine Supergitterstrukturschicht 106, gebildet aus einer 3-lagigen Al_0,10Ga_0,90N-Mischkristallschicht (t = 1,5 nm) und einer 4-lagigen Al_0,10Ga_0,88In_0,02N-Mischkristallschicht (t = 1,5 nm)
(f) Eine p-Typ Al_0,10Ga_0,90N-Schicht (Trägerkonzentration (p) = 6 × 10¹⁷ cm^–3, t = 2,0 nm)
(g) Eine p-Typ Al_0,05Ga_0,95N-Schicht 108 (Trägerkonzentration (p) = 9 × 10¹⁷ cm^–3, t = 350 nm)

Die in den vorstehenden Punkten (a) bis (g) aufgezählten Gruppe-III-Nitridhalbleiterschichten wurden aufeinanderfolgend gestapelt und auf der Niedertemperaturpufferschicht 101, die mit der Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101 als eine untere Schicht ausgestattet war, gebildet, so dass sie gleichbleibend in Einkristallschichten umgewandelt wurden. Die Beobachtung durch TREM ergab praktisch kein Anzeichen der Anwesenheit eines amorphen Körpers in der Übergangsphase zwischen der Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 und der N-Typ GaN-Schicht 102, die bei einer höheren Temperatur von 1080°C gezüchtet wurden. Daraus wird abgeleitet, dass der amorphe Körper, der auf erste Oberfläche der Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a, welche die Niedertemperaturpufferschicht 101 im Zustand wie gewachsen bildet, verstreut war, kristallisiert wurde, wenn die N-Typ GaN-Schicht 102 bei der hohen Temperatur (1080°C) abgeschieden wurde. Da die Gruppe-III-Nitridhalbleiterschichten 102 bis 108 auf die Niedertemperaturpufferschicht 101, enthaltend die gleichförmig orientierte Al_0,10Ga_0,90N-Einkristallschicht 101a, gestapelt wurden, wurden sie gleichbleibend in hexagonale Einkristallschichten umgewandelt, deren[1.0.-1.0.]-Richtungen parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung des Saphirsubstrats 100 orientiert waren. Somit wurde die so hergestellte Stapelstruktur 10 mit Gruppe-III-Nitridhalbleiter-Einkristallschichten auf Basis von GaN 102 bis 108 bereitgestellt, die einheitlich Orientierung und Einkristalleigenschaften zeigten.
Beispiel 2:
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Herstellung einer LED aus der erfindungsgemäßen Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid erklärt.
Die Ansicht einer LED 1a des Beispiels 2, hergestellt durch Einsatz der in Beispiel 1 beschriebenen Stapelstruktur 10, ist in 4 schematisch gezeigt. 5 veranschaulicht das Profil der LED 1A. In 4 und in 5 sind dieselben Komponenten wie in 3 mit denselben Referenzzahlen bezeichnet.
Die in Beispiel 1 beschriebene Stapelstruktur 10 wurde mit den üblichen Plasmaätzverfahren bearbeitet, um die Oberfläche der N-Typ GaN-Schicht 102 zu exponieren, die durch die Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 ausschließlich in der Region vorhanden war, die eine Ohm'sche Elektrode vom N-Typ 201 bilden sollte. Dann wurde ein Wolfram (W)-Film auf der exponierten Oberfläche der GaN-Schicht vom N-Typ 102 gebildet, und die Ohm'sche Elektrode vom NB-Typ 201, die eine Struktur mit einer darauf gestapelten Aluminium (Al)-Folie enthielt, wurde auf dem Wolfram (W)-Film abgeschieden. Auf der Oberfläche der p-Typ Al_0,05Ga_0,95N-Schicht 108, die selbst die Oberfläche der Stapelstruktur 10 bildete, wurde eine p- Typ Ohm'sche Elektrode 202, hergestellt durch Auftragen einer durch Stapeln einer Gold (Au)-Gallium (Ga)-Nickel (Ni)-Legierungsfolie und einer Nickeloxidfolie erhaltenen Folie nach Art einer Gitterbearbeitung gebildet. In einem Teil der Ohm'schen Elektrode vom p-Typ 202 wurde eine Kontakfleckelektrode 203 mit einem aus Nickel (Ni) gebildeten unteren Teil und einem aus einer Gold (Au)-Titan (Ti)-Legierungsfolie gebildeten oberen Teil als elektrisch verbundener Teil mit der Ohm'schen Elektrode vom p-Typ 202 angebracht.
Folglich wurden die LED 1A der Doppelhetero (DH)-Struktur vom p-N-Übergangstyp mit der n-Typ GaN-Schicht 102, die in Beispiel 1 beschrieben wurde, als n-Typ-Plattierungsschicht, die Quantenlochstrukturschicht 104, gebildet aus der GaN-Schicht/n-Typ Ga_0,95In_0,05N-Schicht als lichtemittierende Schicht, und die oberste p-Typ Al_0,05Ga_0,95N-Schicht 108 als die p-Typ-Kontaktschicht hergestellt.
Wenn ein Gerätebetriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen der Ohm'schen Elektrode vom n-Typ 201 und der Ohm'schen Elektrode vom p-Typ 202 geleitet wurde, emittierte die LED 1a ein blaues Licht mit einer Zentralwellenlänge von 450 nm. Die Emissionsintensität, die im Flockenzustand vor dem Formen mit einem Harz unter Verwendung eines üblichen Kugelphotometers gemessen wurde, erreichte etwa 5 Milliwatt (mW). Die Spannung in Vorwärtsrichtung (Vf) erreichte einen Wert von 3,3 V. Die Ohm'sche Elektrode vom n-Typ 201 und die Ohm'sche Elektrode vom p-Typ 202 wurden beide durch eine Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 gebildet, die im gewachsenen Zustand mit einer Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht 101 mit gleichförmiger Orientierung bereitgestellt wurde. Da sie so konstruiert waren, dass sie auf der Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, die Kristallinität zeigte, aufgetragen wurden, waren sie in der Lage, die lokale Durchbruchspannung zu unterdrücken. Somit erreichte die Umkehrspannung, die erhalten wurde, wenn der Umkehrstrom auf 10 μA festgelegt wurde, einen Wert von über 15 V.
Beispiel 3:
Die vorliegende Erfindung wird anhand der erfindungsgemäßen Herstellung einer LED aus einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid genauer beschrieben.
Eine Stapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid wurde gebildet, indem das Verfahren des Beispiels 1 genau befolgt wurde, während eine Niedertemperaturpufferschicht von Galliumnitrid (GaN), welche eine Substanz ist, die sich von ihrem Gegenstück in Beispiel 1 unterscheidet, gebildet wurde. Die GaN-Niedertemperaturpufferschicht wurde durch das Normaldruck (etwas Atmosphärendruck) MOCVD-Verfahren bei 350°C unter Verwendung von (CH₃)₃Ga und NH₃ als Ausgangsmaterialien gebildet. Die Gesamtdicke der GaN-Schicht, welche die Niedertemperaturpufferschicht bildet, wurde auf 15 nm festgelegt.
Als Ergebnis der Untersuchungen, die mit dem üblichen Elektronenstrahl-Beugungsverfahren durchgeführt wurden, wurde die Anwesenheit einer Einkristallschicht aus hexagonalem GaN mit der [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu der [2.-1.-1.0.]-Richtung von Saphir bereits im gewachsenen Zustand in der Region bestätigt, die dem Saphirsubstrat der Niedertemperaturpufferschicht benachbart ist. Diese GaN-Einkristallschicht war in einer solchen Weise vorhanden, dass sie im wesentlichen die gesamte erste (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats überdeckte. Das Elektronenstrahlbeugungsmuster zeigte, dass die vorstehend beschriebene Orientierung trotz des Unterschieds in der Region gleichförmig beibehalten wurde. Es wurde außerdem gefunden, dass ein amorpher Körper etwa in der Form von Kugeln mit einem zirkularen Querschnitt auf der (0.0.0.1.)-Fläche der GaN-Einkristallschicht verstreut wurde. Es wurde praktisch kein amorpher Körper auf der GaN-Niedertemperaturpufferschicht nachgewiesen, nachdem die einzelnen Schichten der Stapelstruktur gebildet worden waren. Dieser Umstand unterstützt die Folgerung, dass der amorphe Körper während der Bildung der einzelnen Schichten auf der GaN-Niedertemperaturpufferschicht bei einer hohen Temperatur kristallisiert wurde.
Die vorstehend beschriebene Stapelstruktur wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 beschrieben geätzt und dann mit Ohm'schen Elektroden vom n-Typ und vom p-Typ versehen und auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 gebildet. Eine LED, die auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt wurde, emittierte ein Licht mit einer zentralen Wellenlänge von 450 nm und zeigte eine blaue Färbung, wenn der Strom in Vorwärtsrichtung auf 20 mA festgelegt wurde. Die Emissionsintensität, die mit einem üblichen Kugelphotometer im Flockenzustand vor dem Formen mit einem Harz gemessen wurde, erreichte etwa 5 Milliwatt (mW). Die Spannung in Vorwärtsrichtung (Vf) erreichte 3,3 V. Da die Ohm'schen Elektroden vom n-Typ und vom p-Typ auf der Einkristallschicht auf Basis von GaN, die durch die GaN-Niedertemperaturpufferschicht ermöglicht wurde, die aus der erfindungsgemäßen Kristallstruktur gebildet wurde, aufgetragen waren, wobei eine gleichförmige Orientierung erhalten wurde, war die so erhaltene LED in der Lage, eine lokale nachteilige Durchbruchspannung zu unterdrücken.
Eine Al_0,10Ga_0,90N-Niedertemperaturpufferschicht, die dadurch gebildet wurde, dass mehr Gallium als Aluminium enthalten war, und dadurch, dass Trimethylaluminium als Aluminiumquelle die (0.0.0.1.)-Fläche des Saphirsubstrats vor Triethylgallium als Galliumquelle erreichte, wurde durch das MOCVD-Verfahren gebildet. Eine polykristalline Schicht, die einen hexagonalen Kristall mit der [2.-1.1.0.]-Richtung parallel zu der [2.1.-1.0.]-Richtung von Saphir enthielt, war in der Übergangsregion der Niedertemperaturpufferschicht und des Saphirsubstrats vorhanden. Eine LED wurde durch Stapeln derselben Halbleiterschichten 102 bis 108, die in Beispiel 1 verwendet wurden, auf die Niedertemperaturpufferschicht und durch Ausführen des Verfahrens nach Beispiel 2 hergestellt. Während diese LED blaues Licht mit einer in Beispiel 2 beschriebenen Wellenlänge emittierte, war die Emissionsintensität etwa 1 mW, was etwa 1/5 der Emissionsintensität der in Beispiel 2 beschriebenen LED ist. Wenn der Umkehrstrom geleitet wurde, führte die LED häufig zu einem lokalen Durchbruch und erlitt einen elektrischen Durchbruch, der einen Wert von etwa 5 V (bei 10 μA) erreichte und zeigte somit die Abwesenheit einer Durchbruchspannungseigenschaft.
Industrielle Anwendbarkeit:
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid umfaßt eine Halbleiterschicht auf Grund von Galliumnitrid als obere Schicht, die eine spezifische Orientierung aufweist, die Kristalldefekte nur in geringer Dichte aufweist und Kristallinität zeigt, und eine Pufferschicht als untere Schicht. Mit der Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid ist es somit möglich, eine lichtemittierende Diode bereitzustellen, die in Umkehrrichtung kaum eine nachteilige Durchbruchspannung aufweist und hervorragende Durchbruchspannungseigenschaften zeigt.
Zusammenfassung
Eine Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid enthält ein Einkristallsubstrat, eine Niedertemperaturpufferschicht, die bei einer niedrigen Temperatur in einer zu dem Einkristallsubstrat benachbarten Region gebildet wurde, und eine auf der Niedertemperaturpufferschicht liegende Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid. Die Niedertemperaturpufferschicht besitzt eine Einkristallschicht, gebildet aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, das mehr Gallium als Aluminium enthält, worin 0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1. Die Einkristallschicht weist Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer geringeren Dichte als auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche auf. Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid umfasst das Bilden einer Niedertemperaturpufferschicht, gebildet bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von 250 bis 500°C, auf einem Einkristallsubstrat, das Bilden einer Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid auf der Niedertemperaturpufferschicht und das Bilden einer Einkristallschicht aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, enthaltend mehr Gallium als Aluminium, worin 0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1, in einer Niedertemperaturpufferschicht durch Veranlassen, daß Galliumausgangsmaterial vor Aluminiumausgangsmaterial eine Oberfläche des Substrats erreicht.

Claims

Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, welche umfaßt: ein Einkristallsubstrat; eine Niedertemperaturpufferschicht, die bei einer niedrigen Temperatur in einer zu dem Einkristallsubstrat benachbarten Region gebildet wurde; und eine auf der Niedertemperaturpufferschicht liegende Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid; wobei die Niedertemperaturpufferschicht eine Einkristallschicht, gebildet aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, das mehr Gallium als Aluminium enthält, worin 0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1, aufweist und wobei die Einkristallschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer geringeren Dichte als auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.
Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach Anspruch 1, wobei das Einkristallsubstrat ein Saphir (α-Aluminiumoxideinkristall)-Substrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach Anspruch 1, wobei das Einkristallsubstrat ein Siliciumcarbidsubstrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterschicht auf Grundlage von Galliumnitrid eine [1.0.-1.0.]-Richtung parallel zu einer [1.0.-1.0.]-Richtung der Einkristallschicht der Niedertemperaturpufferschicht aufweist.
Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einkristall schicht der Niedertemperaturpufferschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer Dichte von 1/5 oder weniger einer Dichte von Kristalldefekten auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid, welches die folgenden Stufen umfaßt: Bilden einer Niedertemperaturpufferschicht, gebildet bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von 250 bis 500°C, auf einem Einkristallsubstrat; Bilden einer Halbleiterschicht auf Basis von Galliumnitrid auf der Niedertemperaturpufferschicht; und Bilden einer Einkristallschicht aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial auf Basis von hexagonalem Al_XGa_γN, enthaltend mehr Gallium als Aluminium, worin 0,5 < γ ≤ 1, X + γ = 1, in einer Niedertemperaturpufferschicht durch Veranlassen, daß Galliumausgangsmaterial vor Aluminiumausgangsmaterial eine Oberfläche des Substrats erreicht; wobei die Einkristallschicht Kristalldefekte auf einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche in einer geringeren Dichte als eine (1.1.-1.0.)-Kristallfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einkristallsubstrat ein Saphir (α-Aluminiumoxideinkristall)-Substrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einkristallsubstrat ein Siliciumkohlenstoffsubstrat mit einer {0001}-Flächen-(C-Ebene)-Oberfläche ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Wachstumsrate der Niedertemperaturpufferschicht in einem Bereich von 1 bis 3 nm/min ist.
Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid unter Verwendung einer Halbleiterstapelstruktur auf Basis von Galliumnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Lampe, welche die Halbleitervorrichtung auf Basis von Galliumnitrid nach Anspruch 10 einsetzt.