DE112006002403T5

DE112006002403T5 - Verbindungshalbleiter-Bauelement

Info

Publication number: DE112006002403T5
Application number: DE112006002403T
Authority: DE
Inventors: Takashi Chichibu Udagawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-07-10
Also published as: KR100981077B1; TWI310247B; KR20080042932A; TW200805704A

Abstract

Verbindungshalbleiter-Bauelement, umfassend:
einen Verbindungshalbleiter mit einer Stapelstruktur aus einer hexagonalen Einkristallschicht, einer auf einer Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer Verbindungshalbleiterschicht, die auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordnet ist; und
Elektroden, die auf der Stapelstruktur angeordnet sind;
wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall gebildet ist, der auf einer aus einer (1.1.-2.0)-Kristallfläche der hexagonalen Einkristallschicht gebildeten Oberfläche angeordnet ist.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung wurde gemäß 35 U. S. C. § 111(a) eingereicht und beansprucht gemäß 35 U. S. C. § 119 (e) (1) die Anmeldedaten der Provisional Applications 60/717,759 vom 19. September 2005, 60/718,331 vom 20. September 2005, 60/720,482 vom 27. September 2005, 60/721,592 vom 29. September 2005, 60/722,423 vom 3. Oktober 2005, 60/725,323 vom 12. Oktober 2005 und 60/734,316 vom 08. November 2005 und der japanischen Patentanmeldungen 2005-259042 vom 07. September 2005, 2005-261946 vom 09. September 2005, 2005-266418 vom 14. September 2005, 2005-269516 vom 16. September 2005, 2005-277536 vom 26. September 2005, 2005-286495 vom 30. September 2005 und 2005-312758 vom 27. Oktober 2005 gemäß 35 U. S. C. § 111(b).
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verbindungshalbleiter-Bauelement, das so gestaltet ist, dass Elektroden auf einer gestapelten Struktur angeordnet sind, wobei die Struktur mit einem hexagonalen Einkristall, einer auf der Oberfläche des Einkristalls gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer Verbindungshalbleiterschicht, die aus einem Verbindungshalbleiter gebildet ist, auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid versehen ist, wobei das Verbindungshalbleiter-Bauelement auf der Oberfläche, die aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der vorgenannten Einkristallschicht gebildet ist, mit der vorerwähnten Halbleiterschicht eines hexagonalen Kristalls auf der Basis von Borphosphid versehen ist.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, wie sie beispielsweise in JP-A-HEI-2-288388 beschrieben wird, auf einem Substrat ausgebildet, das aus einem kubischem Zinkblendenkristall-Galliumphosphid (GaP)- oder Siliciumcarbid (SiC)-Einkristall gefertigt ist.
In JP-A-HEI-2-288371 und JP-A-HEI-2-275682 wird ausgeführt, dass die lichtemittierende Diode (LED) eines Verbindungshalbleiter-Bauelements aus einem derartigen Substrat, einer darauf ausgebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer damit verbundenen Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III zusammengesetzt ist. Im US-Patent 6 194 744-B1 wird beschrieben, dass eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, wie monomerem Borphosphid (BP), auf einem Silicium-Einkristall (Silicium) als Substrat ausgebildet ist. Im US-Patent 6 069 021 wird eine Technik zur Bildung einer LED aus einer gestapelten Struktur, die mit einem Silicium-Substrat, einer monomeren BP-Schicht und einer darauf angeordneten Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III versehen ist, beschrieben.
Gemäß JP-A-HEI-2-275682 wurden beim Aufbau der LED unter Verwendung einer auf einem Einkristall-Substrat gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid die Ohmschen Elektroden vorher auf einer kubischen Zinkblendenkristall-Borphosphid-Schicht angeordnet. Gemäß JP-A-HEI-4-84486 werden auch bei der herkömmlichen Laserdiode (LD) die Ohmschen Elektroden in Kontakt mit einer kubischen Borphosphid-Schicht angeordnet.
Ferner werden gemäß JP-B-SHO-55-3834 blaue und grüne LEDs gebildet, indem man sich einer Stapelstruktur bedient, die mit einer aus Galliumnitrid (GaN) gebildeten Halbleiterschicht eines Nitrids der Gruppe III versehen ist und auf einem Einkristall-Substrat angeordnet ist. In JP-A-HEI-4-213878 wird beispielsweise der lichtemittierende Teil einer LED im kurzwelligen sichtbaren Bereich, im nahen UV-Bereich oder im UV-Bereich beschrieben, die durch den Heteroübergang einer Plattierungsschicht, die aus einem Halbleitermaterial eines Nitrids der Gruppe III gebildet ist, und einer lichtemittierenden Schicht aufgebaut ist.
In JP-A-HEI-10-287497 wird ausgeführt, dass ein Feldeffekttransistor (FET), der bei hoher Frequenz betrieben wird, gebildet wird, indem man sich einer Stapelstruktur bedient, die mit einer Halbleiterschicht eines Nitrids der Gruppe III, wie Aluminium-galliumnitrid (Al_xGa_1-xN: 0 ≤ X ≤ 1), die auf einem Siliciumsubstrat angeordnet ist, versehen ist.
Aus JP-A-2004-186291 ist ein Beispiel für die Technik der Konfiguration des lichtemittierenden Teils einer Doppelhetero-Struktur (DH-Struktur) unter Verwendung einer Halbleiterschicht auf der Basis von kubischem Zinkblendenkristall-Borphosphid als Plattierungsschicht beschrieben.
Die lichtemittierende Schicht, die den lichtemittierenden Teil darstellt, und die Halbleiterschicht auf der Basis von kubischem Borphosphid, die eine als Sperrschicht für die lichtemittierende Schicht wirkende Plattierungsschicht darstellt, lassen sich gemäß JP-A-HEI-3-87019 herstellen, indem man ein kubisches Zinkblendenkristall-Galliumarsenid (GaAs) für eine untere Schicht verwendet.
Wenn ein Substrat aus Silicium gebildet wird und eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphospid auf der Oberfläche einer (111)-Kristallfläche des Substrats gezüchtet wird, enthält die auf diese Weise gezüchtete Schicht schließlich Kristalldefekte, wie Stapelfehler und Zwillinge, in großen Mengen (T. Udagawa und G. Shimaoka, J. Ceramic Processing Res. (Republik Korea), Bd. 4, Nr. 2 (2003), S. 80–83). Wenn ein Substrat aus hexagonalem 6H-Typ-SiC gebildet ist und eine monomere BP-Schicht auf einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche davon gezüchtet wird, enthält die gezüchtete Schicht schließlich Kristalldefekte, wie Zwillinge, in großen Mengen (T. Udagawa et al., Appl. Surf. Sci. (USA), Bd. 244 (2004), S. 285–288). Auch bei Anwendung der Stapelstruktur, die mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit einem Gehalt an derartigen Kristalldefekten in großen Mengen versehen ist, ergibt sich beispielsweise das Problem, dass sich eine LED, die eine hohe Spannung in umgekehrter Richtung besitzt und bei der photoelektrischen Umwandlung einen hohen Wirkungsgrad zeigt, nicht in stabiler Weise herstellen lässt.
Die GaN-Schicht, die beispielsweise auf einem Substrat aus Saphir (α-Al₂O₃-Einkristall) gezüchtet wird, enthält Kristalldefekte, wie Dislokationen (Fehlordnungen), in großen Mengen. Auch bei Verwendung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte, wie Dislokationen, in großen Mengen enthält, für eine funktionelle Schicht, wie eine lichtemittierende Schicht, besteht das Problem, dass die hergestellte LED nicht dazu in der Lage ist, die Spannung in der entgegengesetzten Richtung zu erhöhen oder den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung zu verstärken. Ferner bringt beispielsweise die Konfiguration des FET unter Verwendung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III als Elektronentransportschicht (Kanalschicht), die Kristalldefekte in großen Mengen enthält, das Problem mit sich, dass die Hochfrequenzeigenschaften, wie die abgegebene Leistung, nicht in zufriedenstellendem Maße verstärkt werden, und zwar aufgrund der Tatsache, dass es nicht gelingt, eine hohe Elektronenbeweglichkeit zu erreichen.
Dünnschichten, die aus dem herkömmlichen Halbleitermaterial auf der Basis von Borphosphid und Halbleitermaterialien aus einem Nitrid der Gruppe III hergestellt worden sind, enthalten Antiphasen-Grenzflächen (Crystal Electron Microscopy, Hiroyasu Saka, Herausgeber Uchida Rokakuho Co., Ltd., 25. November 1997, erste Auflage, S. 64–65) (Y. Abe et al., Journal of Crystal Growth (Holland), Bd. 283 (2005), S. 41–47). Daher werden Verbindungshalbleiter-Bauelemente nicht immer unter Verwendung von Halbleiterschichten von hochwertiger Qualität in bezug auf die Kristallinität hergestellt. Die hier verwendeten Ausdrücke "Antiphasen-Domäne" (APD) oder "Antiphasen-Grenzfläche" (APB) beziehen sich auf eine Grenzfläche, bei der die Phase bezüglich der Anordnungen von Atomen im Kristall um 180° (halber Zyklus) abweicht. Diese Grenzfläche tritt häufig in der geordneten Phase einer binären Legierung auf.
Die Kristallschicht auf der Basis von Borphosphid und die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die Antiphasen-Grenzflächen in großen Mengen enthalten und eine beeinträchtigte Kristallinität aufweisen, behindern die Anstrengungen zur Herstellung von LEDs mit hervorragendem Wirkungsgrad der Lichtemission und von FETs mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften unter Erzielung einer ausreichenden Stabilität.
Wenn die Ohmschen Elektroden an einer Halbleiterschicht auf der Basis von kubischem Borphosphid, die Kristalldefekte in großen Mengen enthält, nahe aneinander angeordnet werden, entsteht das Problem, dass sich eine LED mit hoher Spannung in entgegengesetzter Richtung unter einem hohen Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung nicht in stabiler Weise herstellen lässt, da der Strom zum Betreiben des Bauelements (Bauelement-Betriebsstrom) über Kristalldefekte, wie Zwillinge, in unerwünschter Weise entweicht. Auch wenn ein Schottky-Kontakt an der Oberfläche einer Halbleiterschicht auf der Basis von kubischem Borphosphid, die reichlich Kristalldefekte aufweist, angeordnet ist, entsteht das Problem, dass sich ein FET mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften nicht in stabiler Weise erzeugen lässt, da die Gate-Elektrode an einem starken Leckstrom leidet und schließlich eine fehlerhafte Durchschlagspannung entsteht und der Drain-Strom beeinträchtigte Abschnüreigenschaften zeigt.
Obgleich es, wie vorstehend ausgeführt, bekannt ist, dass der lichtemittierende Teil einer LED im kurzwelligen sichtbaren Bereich oder im nahen UV-Bereich oder im UV-Bereich durch den Heteroübergang einer Plattierungsschicht aus einem Halbleitermaterial aus einem Nitrid der Gruppe III und einer lichtemittierenden Schicht konfiguriert werden kann, wird die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die auf der unteren Schicht aus dem herkömmlichen kubischen Kristall gebildet worden ist, schließlich zu einer Kristallschicht, die Kristalldefekte in großen Mengen enthält, was auf die unzureichende Gitterübereinstimmung mit der unteren Schicht zurückzuführen ist. Die in Frage stehende Schicht bringt beispielsweise das Problem mit sich, dass aufgrund der fehlerhaften Übereinstimmung mit dem Gitter der unteren Schicht schließlich eine Kristallschicht entsteht, die Defekte der Ebene, wie Zwillinge und Stapelfehler, in reichem Maße enthält. Wenn der lichtemittierende Teil der LED beispielsweise unter Verwendung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid als Plattierungsschicht, die Kristalldefekte in reichlichem Maße enthält, hergestellt werden, gelang es bisher nicht, LEDs mit hoher Leuchtdichte in stabiler Weise herzustellen, was darauf zurückzuführen ist, dass das Auftreten eines Kurzschlussstroms beim Betreiben der LED zur lichtemittierenden Schicht verhindert, dass sich die Oberfläche für die Lichtemission erweitert.
Die Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend geschilderten Situation im Stand der Technik gemacht und strebt die folgenden Ziele an.

(1) Die Erfindung strebt die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements an, bei dem es möglich ist, dass eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringer Dichte enthält und die Schicht sich durch ihre Kristallinität auszeichnet und dazu befähigt ist, die verschiedenen Eigenschaften des Bauelements unter Verwendung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid zu verstärken.
(2) Die Erfindung strebt ferner die Bereitstellung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements an, das die Bildung einer Stapelstruktur ermöglicht, die mit einer Halbleiterschicht mit hervorragender Kristallinität versehen wird, und zwar auch bei Anordnung auf einem Substrat mit einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte in großen Mengen enthält und zur Verstärkung der charakteristischen Eigenschaften des Bauelements befähigt ist.
(3) Die Erfindung strebt ferner die Bereitstellung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements an, das hervorragende optische und elektrische Eigenschaften aufweist, indem man eine Dünnschicht verwendet, die aus einem Halbleitermaterial auf der Basis von Borphosphid mit hochwertiger Qualität und mit einem Gehalt an Antiphasen-Grenzflächen nur in geringen Mengen oder einem Halbleitermaterial aus einem Nitrid der Gruppe III hergestellt ist.
(4) Die Erfindung strebt ferner die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements an, das mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid versehen ist, die dazu befähigt ist, den Leckstrom beim Betrieb des Bauelements zu verringern, den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung eines lichtemittierenden Bauelements zu erhöhen, die Spannung in entgegengesetzter Richtung zu erhöhen, der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors eine hohe Durchschlagspannung zu verleihen und die Abschnüreigenschaften des Drain-Stroms zu verbessern.
(5) Die Erfindung strebt ferner die Bereitstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements an, mit dem eine Plattierungsschicht, die den lichtemittierenden Teil einer DH-Struktur darstellt, mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid von hochwertiger Qualität, die Kristalldefekte nur in geringen Mengen enthält und die lichtemittierenden Eigenschaften verstärkt, konfiguriert werden kann.

Beschreibung der Erfindung
Der erste Aspekt der Erfindung ist im Hinblick auf die Lösung der vorerwähnten Aufgaben auf ein Verbindungshalbleiter-Bauelement abgestellt, bei dem Elektroden auf einer Stapelstruktur angeordnet sind, die einen hexagonalen Einkristall, eine auf der Oberfläche des Einkristalls gebildete Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und eine auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordnete Verbindungshalbleiterschicht aus einem Verbindungshalbleiter aufweist, wobei das Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall gebildet ist und auf der Oberfläche, die aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der Einkristallschicht gebildet ist, angeordnet ist.
Der zweite Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einkristallschicht gemäß dem vorerwähnten ersten Aspekt der Erfindung aus Saphir (α-Aluminium-Einkristall) gebildet ist.
Der dritte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einkristallschicht in der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III gebildet ist.
Der vierte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einem Kristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist.
Der fünfte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einem Kristall mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist.
Der sechste Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass (0.0.0.1.)-Kristallflächen im Innern der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung im wesentlichen parallel zur Richtung der Dicke der Schicht angeordnet sind und der Abstand von n (n bedeutet eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr) kontinuierlichen (0.0.0.2.)-Kristallflächen der Schicht im wesentlichen der Länge der c-Achse des Einkristalls entspricht.
Der siebte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl n der vorerwähnten (0.0.0.2.)-Kristallflächen bei der Konfiguration des sechsten Aspekts der Erfindung 6 oder weniger beträgt.
Der achte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einem hexagonalen Halbleitermaterial gebildet ist.
Der neunte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung entlang einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind.
Der zehnte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung entlang einer (1.1.-1.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind.
Der elfte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht bildet, und die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bildet, bei der Konfiguration des neunten oder zehnten Aspekts der Erfindung parallel zur Stapelrichtung des vorerwähnten Verbindungshalbleiters angeordnet sind.
Der zwölfte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche gebildet ist.
Der dreizehnte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnten Elektroden bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung so angeordnet sind, dass der Betriebsstrom des Bauelements in einer Richtung fließt, die im wesentlichen parallel sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zur (0.0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht darstellt, fließt.
Der vierzehnte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnten Elektroden bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung so angeordnet sind, dass der Betriebsstrom des Bauelements in einer Richtung fließt, die im wesentlichen senkrecht sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die vorerwähnte Verbindungshalbleiterschicht darstellt, verläuft.
Der fünfzehnte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bei der Konfiguration des ersten Aspekts der Erfindung aus einem hexagonalen monomeren Borphosphid gebildet ist.
Der sechzehnte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der c-Achse des vorerwähnten hexagonalen, monomeren Borphosphids bei der Konfiguration des vierzehnten Aspekts der Erfindung in den Bereich zwischen 0,52 nm oder mehr und 0,53 nm oder weniger fällt.
Da gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung das Verbindungshalbleiter-Bauelement, das so konfiguriert ist, dass Elektroden auf einer Stapelstruktur angeordnet sind, die mit einem hexagonalen Einkristall, einer auf der Oberfläche des Einkristalls gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordneten und aus einem Verbindungshalbleiter gebildeten Verbindungshalbleiterschicht versehen ist, auf der Oberfläche, die aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der vorerwähnten Einkristallschicht gebildet ist, vorgesehen ist, wobei die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall gebildet ist, lässt sich eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid bilden, die Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringer Dichte enthält und eine hervorragende Kristallinität aufweist. Infolgedessen lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit hervorragender Kristallinität zur Bereitstellung eines Halbleiterbauelements von hoher Leistungsfähigkeit verwenden.
Da gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die hexagonale Einkristallschicht aus Saphir (α-Al₂O₃-Einkristall) gebildet ist und die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid auf der Oberfläche des Saphirs mit einer (1.1.-2.0)-Kristallfläche angeordnet ist, lässt sich in stabiler Weise die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bilden, deren <1.-1.0.0.>-Richtung parallel zur <1.-1.0.0.>-Richtung des Saphirs ausgerichtet ist und als Oberfläche eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist.
Da gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung die hexagonale Einkristallschicht aus einem Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet ist und mit einem ersten Stapelbauteil aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche zusammengesetzt ist und eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die mit der Oberfläche der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III verbunden ist, angeordnet ist, kann die Dislokation im Halbleiter aus dem Nitrid der Gruppe III so unterdrückt werden, dass eine weitere Wanderung durch die Grenzfläche des Stapelbauteils und eine Ausbreitung in Richtung zur Halbleiterschichtseite auf der Basis von Borphosphid verhindert wird. Ferner kann gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die den vorerwähnten ersten Stapelbauteil darstellt, auf ihrer oberen Oberfläche mit einem zweiten Stapelbauteil versehen werden, indem man einen Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit der oberen Oberfläche verbindet. Durch zusätzliches Bereitstellen des zweiten Stapelbauteils ist es möglich, einen Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III herzustellen, bei dem die Dichte an Kristalldefekten in Form von eindringenden Dislokationen weiter verringert ist. Der dritte Aspekt der Erfindung ermöglicht somit die Herstellung einer Stapelstruktur, die mit einer Halbleiterschicht mit hervorragender Kristallinität versehen ist. Somit lässt sich ein Verbindungshalbleiter-Bauelement mit hervorragenden Eigenschaften herstellen.
Da gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen Einkristallschicht angeordnet ist und aus einem Kristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist, lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die als eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche die Oberfläche mit der <1.-1.0.0.>-Richtung in paralleler Orientierung zur <1.-1.0.0.>-Richtung der hexagonalen Einkristallschicht aufweist, in stabiler Weise erhalten. Die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid enthält Kristalldefekte, wie Zwillinge, nur in geringer Dichte und zeigt eine hervorragende Kristallinität. Infolgedessen lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit hervorragender Kristallinität dazu verwenden, in stabiler Weise ein Halbleiterbauelement von hohem Leistungsvermögen bereitzustellen. Ferner ist es gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung möglich, auf der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche, die die Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht darstellt, die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zu bilden, die eine mit der Oberfläche verbundene (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist, eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als ihre Oberfläche aufweist und eine darin in senkrechter Richtung angeordnete (0.0.0.1.)-Kristallfläche aufweist. Ferner ist es möglich, auf einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche, die die Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, die Verbindungshalbleiterschicht zu bilden, die aus dem Halbleiter aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III zusammengesetzt ist, der eine mit seiner Oberfläche verbundene (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist, eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist und eine in senkrechter Richtung darin angeordnete (0.0.0.1.)-Kristallfläche aufweist. Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist es daher möglich, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht jeweils zu einer Schicht werden, die praktisch keine erkennbaren Anzeichen von Kristalldefekten, wie Antiphasen-Grenzflächen, Stapelfehler oder Zwillinge, zeigt, eine hervorragende Kristallinität besitzt und die Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements, das Licht von hoher Intensität emittiert, ermöglicht.
Da gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonanlen Einkristallschicht angeordnet ist und aus einem Kristall mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist, lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche, deren Oberfläche mit der <1.-1.0.0.>-Richtung parallel zur <1.-1.0.0.>-Richtung der hexagonalen Einkristallschicht orientiert ist, in stabiler Weise erhalten. Die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid enthält Kristalldefekte, wie Zwillinge, nur in geringer Dichte und zeichnet sich durch ihre Kristallinität aus. Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ist es daher möglich, in stabiler Weise ein Halbleiterbauelement von hohem Leistungsvermögen bereitzustellen, indem man die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid verwendet, wodurch sich eine hervorragende Kristallinität ergibt. Ferner ist es gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung möglich, auf der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche, die die Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht darstellt, eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zu bilden, die die mit der Oberfläche verbundene (1.0.-1.0.)-Kristallfläche aufweist, die (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist und eine darin in senkrechter Richtung angeordnete (0.0.0.1.)-Kristallfläche aufweist. Ferner ist es möglich, auf der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche, die die Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, die Verbindungshalbleiterschicht aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III zu bilden, der die mit seiner Oberfläche verbundene (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist, die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist und eine in senkrechter Richtung angeordnete (0.0.0.1.)-Kristallfläche aufweist. Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ist es daher möglich, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht jeweils zu einer Schicht werden, die praktisch keine erkennbaren Anzeichen von Kristalldefekten, wie Antiphasen-Grenzflächen, Stapelfehler oder Zwillinge, zeigen, von hervorragender Kristallinität sind und die Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements, das Licht von hoher Intensität emittiert, ermöglichen.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung weist die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid die (0.0.0.1)-Kristallfläche in einer im Wesentlichen parallen Anordnung zur Richtung der Dicke der Schicht auf und der Abstand n (n bedeutet eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr) kontinuierlicher (0.0.0.2.)-Kristallflächen entspricht im Wesentlichen der Länge der c-Achse des vorerwähnten Einkristalls. Da der Halbleiter auf der Basis von hexagonalem Borphosphid sich durch eine lange Periode der Übereinstimmung mit dem hexagonalen Einkristall auszeichnet, enthält dieser Halbleiter auf der Basis von hexagonalem Borphosphid schließlich Kristalldefekte nur in geringen Mengen und zeichnet sich durch seine Kristallinität aus. Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung ist es daher möglich, ein Verbindungshalbleiter-Bauelement mit einem Halbleiter auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zu bilden, der Kristalldefekte nur in einer geringen Menge enthält und sich durch seine Kristallinität auszeichnet. Somit lassen sich die charakteristischen Eigenschaften des Verbindungshalbleiter-Bauelements verstärken.
Da gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid so gebildet ist, dass die Anzahl n der (0.0.0.2.)-Kristallebenen 6 oder weniger beträgt, enthält die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid fehlerhafte Dislokationen nur in einer sehr geringen Menge und zeichnet sich durch eine hochwertige Qualität aus. Aufgrund dieser Konfiguration lässt sich gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung eine LED mit hervorragender elektrischer Durchschlagspannung herstellen.
Da gemäß dem achten Aspekt der Erfindung die Verbindungshalbleiterschicht aus einem hexagonalen Halbleitermaterial gebildet ist, bewirkt die Verwendung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die Antiphasen-Grenzflächen nur in sehr geringer Dichte enthält und die sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, dass die Herstellung einer LED im kurzwelligen sichtbaren Bereich mit starker Intensität der Lichtemission ermöglicht wird.
Da gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht so gebildet sind, dass sie entlang der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind, lässt sich in stabiler Weise eine Stapelstruktur bilden, die aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche und einer hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzschicht besteht. Aufgrund der Stapelstruktur bewirkt daher der neunte Aspekt der Erfindung, dass eine stabile Herstellung eines Halbleiterbauelements, z. B. einer LED im kurzwelligen sichtbaren Wellenlängenbereich mit hervorragenden optischen und elektrischen Eigenschaften ermöglicht wird.
Da gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht so gebildet sind, dass sie entlang der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind, lässt sich in stabiler Weise eine Stapelstruktur herstellen, die aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid ohne einen Gehalt an Antiphasen-Grenzflächen und einer hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht ohne einen Gehalt an Antiphasen-Grenzflächen besteht. Gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung wird somit in stabiler Weise beispielsweise die Bildung einer LED im kurzwelligen sichtbaren Bereich ermöglicht, die aufgrund ihrer Stapelstruktur hervorragende optische und elektrische Eigenschaften aufweist.
Da gemäß dem elften Aspekt der Erfindung die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, und die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, parallel zur Stapelrichtung des Verbindungshalbleiters angeordnet sind, lässt sich der Widerstand gegen den Fluss des Betriebsstroms verringern. Somit wird es gemäß dem elften Aspekt der Erfindung ermöglicht, eine LED mit einem hohen Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung und einen Hochfrequenz-Feldeffekt-Transistor (FET), bei dem ein unbedeutender Verlust an elektrischer Leistung auftritt, herzustellen.
Da gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung der Halbleiter auf der Basis von Borphosphid beispielsweise aus einem keine Antiphasen-Grenzfläche aufweisenden Halbleiter auf der Basis von hexagonalem Borphosphid gebildet wird, kann das Produkt, das durch Verbinden dieses Halbleiters auf der Basis von Borphosphid mit einer Verbindungshalbleiterschicht aus einem Verbindungshalbleiter entsteht, in wirksamer Weise als eine Materialschicht zur Bereitstellung einer hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche verwendet werden. Ferner ermöglicht es der zwölfte Aspekt der Erfindung eine hexagonale Verbindungshalbleiterschicht ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche beispielsweise als eine lichtemittierende Schicht zu verwenden, so dass die Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements, das Licht von hoher Intensität emittiert, ermöglicht wird.
Da gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung die Elektroden so angeordnet sind, dass der das Bauelement betreibende Strom in einer Richtung fließen kann, die im Wesentlichen parallel sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, kann erreicht werden, dass der das Bauelement betreibende Strom in glatterer Weise fließt. Gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung wird es somit ermöglicht, beispielsweise eine LED mit einem kleinen Strom in Vorwärtsrichtung herzustellen.
Da gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung die Elektroden so angeordnet sind, dass der das Bauelement betreibende Strom in einer Richtung fließt, die im Wesentlichen senkrecht sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, kann der das Bauelement betreibende Strom unter nur geringem Widerstand fließen. Somit wird es gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung ermöglicht, einen Hochfrequenz-FET herzustellen, bei dem nur ein geringer Verlust an Ausgangsleistung aufgrund von Wärmeerzeugung auftritt.
Da gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen, monomeren Borphosphid gebildet ist, können die Ohmschen Elektroden oder der Schottky-Kontakt, die nur einen geringen Leckstrom aufweisen, in zweckmäßiger Weise gebildet werden, indem man die Elektrode auf der Oberfläche einer Schicht aus hexagonalem, monomerem Borphosphid, die Kristalldefekte in einer besonders geringen Dichte aufweist, anordnet. Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung ist es möglich, in zweckmäßiger Weise ein lichtemittierendes Bauelement mit einem hohen Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung oder einen FET, der mit einer Steuerelektrode von hoher Durchschlagsspannung oder mit einer verstärkten Drain-Strom-Abschnüreigenschaft ausgestattet ist, herzustellen.
Da gemäß dem sechzehnten Aspekt der Erfindung die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen, monomeren Borphosphid so gebildet ist, dass die Länge der c-Achse des Borphosphids in den Bereich zwischen 0,52 nm oder mehr und 0,53 nm oder weniger fallen kann, lässt sich die Schicht (Borphosphidschicht), die aus einem hexagonalen monomeren Borphosphidkristall, der Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringer Menge enthält, herstellen. Ferner lässt sich eine Verbindungshalbleiterschicht von hochwertiger Qualität erhalten, indem man die Borphosphidschicht mit hervorragender Kristallinität verwendet. Gemäß dem sechzehnten Aspekt der Erfindung ist es möglich, ein Verbindungshalbleiter-Bauelement mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit hervorragender Kristallinität zu bilden. Somit lassen sich die charakteristischen Eigenschaften des Verbindungshalbleiter-Bauelements verstärken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 1 beschriebenen LED.
2 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED, entlang der gestrichelten Linie II-II von 1.
3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung von Atomen einer hexagonalen BP-Kristallschicht, betrachtet aus einer senkrechten Richtung zur c-Achse.
4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung von Atomen einer hexagonalen BP-Kristallschicht, betrachtet aus einer parallelen Richtung zur c-Achse.
5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Querschnittstruktur eines Bauelements, das einen Stromfluss in einer Richtung parallel zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche einer hexagonalen Einkristallschicht ermöglicht.
6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Querschnittstruktur eines Bauelements, das einen Stromfluss in einer Richtung senkrecht zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche einer hexagonalen Einkristallschicht ermöglicht.
7 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Querschnittstruktur eines MESFET, der einen Stromfluss in einer Richtung senkrecht zu einer (0.0.0.1)-Kristallfläche einer hexagonalen Kristallschicht ermöglicht.
8 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 2 beschriebenen LED.
9 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie IX-IX von 8.
10 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 3 beschriebenen LED.
11 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der Linie XI-XI von 10.
12 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung des in Beispiel 4 beschriebenen FET.
13 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung von Atomen in einer verbundenen Region.
14 ist ein Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 5 beschriebenen LED.
15 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XV-XV von 14.
16 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 6 beschriebenen LED.
17 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XVII-XVII von 16.
18 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Langperiodenanpassungs-Übergangssystems.
19 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 7 beschriebenen LED.
20 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XX-XX von 19.
21 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 8 beschriebenen LED.
22 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XXII-XXII von 21.
23 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 9 beschriebenen LED.
24 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XXIV-XXIV von 23.
25 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung des in Beispiel 10 beschriebenen FET der LED.
26 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in Beispiel 11 beschriebenen LED.
27 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED entlang der gestrichelten Linie XXVII-XXVII von 26.
28 ist ein schematischer Querschnitt der in Beispiel 12 beschriebenen LED.
Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verbindungshalbleiter-Bauelement das so konfiguriert ist, dass Elektroden auf einer Stapelstruktur angeordnet sind, die mit einem hexagonalen Einkristall, einer auf der Oberfläche des Einkristalls gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordneten Verbindungshalbleiterschicht, die aus einem Verbindungshalbleiter gebildet ist, versehen ist, wobei das Verbindungshalbleiter-Bauelement auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der Einkristallschicht gebildet ist und wobei die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid auf einem hexagonalen Kristall gebildet ist.
Bei der vorerwähnten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid handelt es sich um eine Kristallschicht, die aus einem Verbindungshalbleitermaterial der Gruppen III-V mit einem Gehalt an Bor (B) und Phosphor (P) als wesentlichen Elementbestandteilen gebildet ist. Beispielsweise handelt es sich um eine Halbleiterschicht, die aus monomerem Borphosphid (BP) oder polymerem B₆P (B₁₂P₂) oder aus derartigen Multieinheiten-Mischkristallen aus Boraluminiumphosphid (B_1-XAl_XP, wobei 0 < X < 1), Borgalliumphosphid (B_1-XGa_XP, wobei 0 < X < 1) und Borindiumphosphid (B_1-XIn_XP, wobei 0 < X < 1) gebildet ist, die Bor (B) und andere Elemente der Gruppe III, die von Bor abweichen, als Elementbestandteile enthalten. Ansonsten ist die Halbleiterschicht aus Mischkristallen gebildet, z. B. aus Bornitridphosphid (BN_YP_1-Y wobei 0 < Y < 1) und Borarsenidphosphid (BP_1-YAs_Y, wobei 0 < Y < 1), die weitere Elemente der Gruppe V, die von Phosphor (P) abweichen, als Elementbestandteile enthalten. Im Mischkristall, der andere Elemente der Gruppe III, die von Bor (B) abweichen, enthält, beträgt das bevorzugte Zusammensetzungsverhältnis der von Bor (B) abweichenden Elemente der Gruppe III (das Element X in der vorstehenden Zusammensetzungsformel) 0,40 oder weniger. Der Grund hierfür ist, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem nicht-hexagonalen, sondern kubischen Kristall sich plötzlich leicht bildet, wenn das Zusammensetzungsverhältnis (= X) den Wert von 0,40 übersteigt.
Der Ausdruck "aus einem hexagonalen Kristall gebildete Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid", der vorstehend verwendet wird, bezieht sich auf eine hexagonale Kristallschicht mit einem Gehalt an Bor (B) und Phosphor (P) als wesentlichen Elementbestandteilen. In Anbetracht von Faktoren, wie leichte Kristallzüchtung und komplizierte Steuerung der Zusammensetzung, wird die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid vorzugsweise aus einem monomeren Borphosphid (BP) gebildet. Als konkrete Beispiele für die hexagonale Einkristallschicht lassen sich erwähnen: Halbleitereinkristalle aus einem Nitrid der Gruppe III, wie Saphir (α-Al₂O₃-Einkristall) und Wurtzit-AlN sowie Masse-Einkristalle, wie Zinkoxid (ZnO)-Einkristalle, Einkristalle vom 2H-Typ (Wurtzit-Typ) oder vom 4H-Typ oder vom 6H-Typ aus Siliciumcarbid (SiC) oder Einkristallschichten, die daraus bestehen. Ferner lassen sich als Beispiele Halbleiterschichten aus einem Nitrid der Gruppe III mit einer nicht-polaren Kristallfläche als Oberfläche, die auf einem kubischen Kristall, wie LiAlO₂, angeordnet sind, erwähnen. Insbesondere zur Bildung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die erfindungsgemäß in Betracht kommt, kann ein Saphir-Substrat (α-Aluminiumoxid-Einkristall) in besonders vorteilhafter Weise verwendet werden.
Der vorstehend verwendete Ausdruck "Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid" bezieht sich auf ein Halbleitermaterial auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einem hexagonalen Bravais-Gitter als Einheitsgitter ("Crystal Electron Microscopy", Hiroyasu Saka Hrsg. Uchida Rokakuho, 25. November 1997, 1. Auflg., S. 3–7). Von den Halbleiterschichten auf der Basis von hexagonalem Borphosphid wird vorzugsweise eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die keine Antiphasen-Grenzfläche enthält, gebildet, indem man einen hexagonalen Einkristall für eine untere Schicht verwendet.
Die Oberfläche, auf der die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordnet ist, wird vorzugsweise von einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildet. Insbesondere ist diese Schicht auf der Oberfläche mit der Bezeichnung (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir, nämlich der A-Ebene, angeordnet. Durch Verwendung der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (A-Ebene) von Saphir, lässt sich in stabiler Weise nicht die übliche Zinkblendenschicht, sondern die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid erhalten. Dies lässt sich durch die Annahme erklären, dass die Atome, die das Kristall in der nicht-polaren Kristallfläche, wie der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir, darstellen, in zweckmäßiger Weise mit dem Ziel angeordnet sind, eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die starke kovalente Bindungseigenschaften besitzt, zu erzeugen.
Bei der vorerwähnten (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir kann es sich um die A-Ebene des Masse-Einkristalls handeln, der durch das CZ-Verfahren (Czochralski-Verfahren), das Vernouil-Verfahren oder das EFG-Verfahren ("edge-defined film-fed growth"-Verfahren) (vergl. beispielsweise R. Braian PAMPLIN Hrsg., "CRYSTAL GROWTH", 1975, Pergamon Press Ltd.) gezüchtet worden ist, oder es kann sich um die A-Ebene eines Aluminiumoxid-Einkristallfilms handeln, der durch das chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) oder durch physikalische Verfahren, wie das Sputtering-Verfahren, gezüchtet worden ist.
Die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid kann durch Dampfphasen-Züchtungsmaßnahmen, wie das Halogenverfahren, das Hydridverfahren oder das metallorganische chemische Dampfabscheidungsverfahren (MOCVD) gebildet werden. Sie kann beispielsweise durch das MOCVD-Verfahren gebildet werden, bei dem Triethylbor ((C₂H₅)₃B) als Quelle für Bor (B) und Triethylphosphor ((C₂H₅)₃P) als Quelle für Phosphor (P) verwendet werden. Sie kann durch das Halogen-CVD-Verfahren hergestellt werden, bei der Bortrichlorid (BCl₃) als Borquelle und Phosphortrichlorid (PCl₃) als Phosphorquelle verwendet werden. Unabhängig von der Kombination aus einer Borquelle und einer Phosphorquelle beträgt die Züchtungstemperatur für die Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid vorzugsweise 700°C oder mehr und 1200°C oder weniger. Durch diese Züchtungsverfahren lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche auf der Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht, die aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildet ist, bilden.
Wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid beispielsweise auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir gebildet wird, kann die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid in besonderer Weise in einer spezifischen Kristallorientierung gebildet werden, indem man zunächst mit der Zufuhr einer Phosphorquelle zur Oberfläche beginnt und anschließend das Ausgangsmaterial für ein Element der Gruppe III, wie Bor, zuführt. Wenn die Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit dem MOCVD-Verfahren begonnen wird, indem man zeitweilig Phosphin (PH₃) vor Triethylbor ((C₂H₅)₃B) der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir zuführt, lässt sich beispielsweise eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, bei der sich eine <1.-1.0.0.>-Richtung parallel zur <1.-1.0.0.>-Richtung des Saphirs erstreckt, erhalten. Die Untersuchung der Frage, ob es sich bei der gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid um eine hexagonale Kristallschicht handelt oder nicht und die Untersuchung der Orientierung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid relativ zur Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht kann durch analytische Verfahren, wie Elektronenbeugung oder Röntgenbeugung, durchgeführt werden.
Wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid eine Oberfläche aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche aufweist und sich ihre <1.-1.0.0.>-Richtung parallel zur einer <1.-1.0.0.>-Richtung einer hexagonalen Einkristallschicht erstreckt, ist diese Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid dadurch gekennzeichnet, dass sie Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringen Mengen enthält, da sie beispielsweise an der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir angeordnet ist und in einer Richtung orientiert ist, die sich durch ihre Gitterübereinstimmung auszeichnet. Insbesondere wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid aus einer monomeren Borphosphid (BP)-Schicht gebildet ist, die die vorerwähnte Beziehung der Orientierung zu der Oberfläche aufweist, lässt sich eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid erhalten, die in einer Region, die die Grenzfläche mit der hexagonalen Einkristallschicht mit einem Abstand von etwa 50 nm bis 100 nm übertrifft, praktisch keine Zwillinge enthält. Die Situation, bei der die Dichte von Grenzflächen aufgrund einer Abnahme der Dichte von Zwillingen verringert ist, lässt sich durch eine übliche Querschnitt-TEM-Technik beobachten.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, z. B. die Halbleiterschicht aus einer hexagonalen monomeren BP-Schicht, kann als eine untere Schicht verwendet werden, um darauf die Einkristallschicht zu bilden, die sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, z. B. die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III. Als konkrete Beispiele für die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die in vorteilhafter Weise in Verbindung mit der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid angeordnet wird, lassen sich erwähnen: Wurtzit- GaN, AlN, Indiumnitrid (InN) und Mischkristalle davon, nämlich Aluminium-gallium-indium-nitrid (Al_XGa_YIn_ZN, wobei 0 ≤ X, Y, Z ≤ 1 und X + Y + Z = 1). Ferner lässt sich das Wurtzit-Gallium-nitrid-phosphid (GaN_1-YP_Y, wobei 0 ≤ Y < 1), das Stickstoff (N) und Elemente der Gruppe V, wie Phosphor (P) und Arsen (As), die von Stickstoff abweichen, enthält, erwähnen.
Die hexagonale BP-Schicht, die Kristalldefekte, wie Zwillinge, aufgrund der hervorragenden Kristallinität nur in geringen Mengen enthält, kann in wirksamer Weise als untere Schicht verwendet werden, um darauf die hexagonale Verbindungshalbleiterschicht von hochwertiger Qualität zu bilden. Als konkrete Beispiele für die hexagonale Verbindungshalbleiterschicht lassen sich erwähnen: 2H-Typ-(Wurtzit-Typ), 4H-Typ- oder 6H-Typ-SiC, ZnO (Zinkoxid), Wurtzit-GaN, AlN, Indiumnitrid (InN) und Mischkristalle davon, nämlich Aluminium-Gallium-indium-nitrid (Al_XGa_YIn₂N: 0 ≤ X, Y, Z ≤ 1, X + Y + Z = 1). Ferner lässt sich hexagonales Wurtzit-Gallium-nitrid-phosphid (GaN_1-YP_Y: 0 ≤ Y < 1), das Stickstoff (N) und Elemente der Gruppe V, wie Phosphor (P) und Arsen (As), die von Stickstoff abweichen, enthält, erwähnen.
Der Schottky-Sperrschicht-FET, der nicht auf das lichtemittierende Verbindungshalbleiter-Bauelement begrenzt ist, lässt sich unter Verwendung der Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte in verringerter Dichte enthält und eine hervorragende Kristallinität besitzt, als Elektronentransportschicht (Kanalschicht) verwenden. Die Kanalschicht lässt sich aus einer undotierten n-Typ-GaN-Schicht bilden, d. h. der Schicht, die sich ergibt, bei der die absichtliche Zugabe einer Verunreinigung unterbleibt. Die Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte in verringerter Dichte enthält, erweist sich bei der Herstellung des FET mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften als vorteilhaft, da sie dazu befähigt ist, eine hohe Elektronenbeweglichkeit zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die vorerwähnte Konfiguration so zu realisieren, dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche der Verbindungshalbleiterschicht und die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, parallel zur Stapelrichtung des Verbindungshalbleiters angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die vorerwähnte Konfiguration so zu realisieren, dass die vorerwähnten Elektroden es ermöglichen, dass der Betriebsstrom des Bauelements in einer im Wesentlichen sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch der (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, parallelen Richtung fließt.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, die vorerwähnte Konfiguration so zu realisieren, dass die vorerwähnten Elektroden es ermöglichen, dass der Betriebsstrom des Bauelements in einer Richtung fließt, die im Wesentlichen senkrecht sowohl zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht des Verbindungshalbleiters darstellt, verläuft.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, die vorerwähnte Konfiguration so zu realisieren, dass die Länge der c-Achse des hexagonalen, monomeren Borphosphids in den Bereich zwischen 0,52 nm oder mehr und 0,53 nm oder weniger fällt.
Während der Bildung der hexagonalen BP-Schicht auf der nicht-polaren Oberfläche des hexagonalen Einkristalls, wie der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche, betragen (A) die Temperatur zur Züchtung der BP-Schicht 750°C oder mehr und 900°C oder weniger und (B) das Konzentrationsverhältnis der Phosphorquelle zur Borquelle, die dem Züchtungsreaktionssystem zuzuführen sind, (das sogenannte V/III-Verhältnis) 250 oder mehr bis 550 oder weniger. Wenn ferner (C) die Züchtungsgeschwindigkeit der BP-Schicht so gestaltet wird, dass sie in den Bereich zwischen 20 nm oder mehr pro Minute und 50 nm oder weniger pro Minute fällt, lassen sich daraus in stabiler Weise eine hexagonale BP-Schicht mit (0.0.0.1.)-Kristallflächen bilden, die regelmäßig parallel zur Richtung der Zunahme der Schichtdicke angeordnet sind (die senkrechte Richtung und Stapelrichtung relativ zur Oberfläche des vorerwähnten Einkristalls).
Die Züchtungsgeschwindigkeit der hexagonalen BP-Schicht kann dann, wenn die Konzentration der Borquelle, die pro Zeiteinheit dem Züchtungsreaktionssystem zugeführt wird, gesteigert wird, im Wesentlichen proportional zur Konzentration innerhalb des vorerwähnten Bereichs der Züchtungstemperatur erhöht werden. Wenn die Konzentration der Borquelle, die pro Zeiteinheit dem Züchtungsreaktionssystem zugeführt wird, festgelegt ist, nimmt die Züchtungsgeschwindigkeit entsprechend der Erhöhung der Züchtungstemperatur zu. Wenn diese Temperatur unter 750°C fällt, da die thermische Zersetzung der Borquelle und der Phosphorquelle nicht in ausreichendem Maße abläuft, fällt die Züchtungsgeschwindigkeit plötzlich ab und es gelingt nicht, die vorerwähnte vorteilhafte Züchtungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Wenn beispielsweise die hexagonale BP-Schicht durch das MOCVD-Verfahren unter Verwendung von Phosphin (Molekülformel: PH₃) als Phosphorquelle und von Triethylbor (C₂H₅)₃B als Borquelle gebildet werden, wird diese Bildung durch Festlegen der Züchtungstemperatur auf 800°C, des PH₃/(C₂H₅)₃B-Verhältnisses, d. h. des Konzentrationsverhältnisses der dem Züchtungsreaktionssystem zuzuführenden Ausgangsmaterialien, auf 400 und der Züchtungsgeschwindigkeit auf 35 nm pro Minute realisiert. Wenn die Züchtungstemperatur 900°C übersteigt, erweist sich diese übermäßige Temperatur insofern als nachteilig, als es möglicherweise zur plötzlichen Bildung von polymeren Borphosphidkristallen, z. B. mit der Zusammensetzung B₆P, kommt.
Wenn die Züchtungsgeschwindigkeit unter 20 nm pro Minute fällt oder die Geschwindigkeit 50 nm pro Minute übersteigt, ist es in beiden Fällen schwierig, in stabiler Weise die hexagonale Halbleiterschicht zu erhalten, die aus einem monomeren BP mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung gebildet wird. Wenn die Züchtungsgeschwindigkeit steil unter 20 nm pro Minute fällt, wird der Grad, mit dem die BP-Schicht einer nicht-stöchiometrischen Zusammensetzung mit einem reichlichen Gehalt an Phosphor (P), verglichen mit Bor (B), schließlich gebildet wird, plötzlich erhöht. Wenn die Züchtungsgeschwindigkeit so hoch ist, dass sie 50 nm pro Minute übersteigt, erweist sich die übermäßige Geschwindigkeit insofern als nachteilig, als es plötzlich zu einer Erhöhung des Grads kommt, mit dem die BP-Schicht mit einer nicht-stöchiometrischen Zusammensetzung mit einem reichlichen Gehalt an Bor (B), verglichen mit Phosphor (P), schließlich gebildet wird.
Die Länge der c-Achse im hexagonalen Einheitsgitter der hexagonalen BP-Schicht, die eine im wesentlichen stöchiometrische Zusammensetzung besitzt (vergl. beispielsweise "Crystal Electron Microscopy for Material Research Worker", Hiroyasu Saka, Hrsg. Uchida Rokakuho, 25. November 1997, 1. Aufig., S. 3 bis 7) und die unter Züchtungsbedingungen gebildet wird, die der vorstehend unter (A) erwähnten vorteilhaften Züchtungstemperatur und dem vorstehend unter (B) erwähnten vorteilhaften V/III-Verhältnis entsprechen und ferner der vorstehend unter (C) erwähnten vorteilhaften Züchtungsgeschwindigkeit entsprechen, fällt in den Bereich zwischen 0,52 nm oder mehr und 0,53 nm oder weniger.
In der hexagonalen BP-Schicht, deren (0.0.0.1.)-Kristallflächen in einer gegenseitig parallelen Beziehung in senkrechter Richtung (die Züchtungsrichtung der BP-Schicht, die Stapelrichtung) angeordnet sind, lässt sich der Strom zum Betrieb des Bauelements (Bauelement-Betriebsstrom) so gestalten, dass er bereitwillig in einer Richtung parallel zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche fließt. 3 erläutert in schematischer Weise die Anordnung der Phosphoratome (P) und der Boratome (B), bei Betrachtung aus einer senkrechten Richtung zur Richtung der c-Achse der hexagonalen BP-Schicht 20. Die Richtung der c-Achse verläuft im übrigen senkrecht zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche. In senkrechter Richtung zur c-Achse der hexagonalen BP-Schicht 20 liegen Lücken 20H vor, wie in 3 dargestellt ist, und zwar in Abhängigkeit von der Anordnung der Phosphoratome (P) und der Boratome (B). Die Phosphoratome und die Boratome (P und B), aus denen die hexagonale BP-Schicht 20 zusammengesetzt ist, bewirkt, dass der Strom (Elektronen) nach Durchlaufen der Lücken 20H, die auf der (0.0.0.1.)-Kristallfläche vorliegen, ohne merkliche Streuung in zweckmäßiger Weise in paralleler Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche fließt.
Die aus der Anordnung von Phosphor- und Boratomen im vorerwähnten Kristall stammenden Lücken liegen in der hexagonalen BP-Schicht in paralleler Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche vor. In 4 ist die Anordnung der Kristalle aus den Phosphoratomen (P) und Boratomen (B) bei Betrachtung aus paralleler Richtung zur Richtung der c-Achse der hexagonalen BP-Schicht 20 dargestellt. Wie in 4 dargestellt ist, liegt der Raum 20H vor, der im Grundriss eine orthohexagonale Gestalt annimmt. Die Phosphor- und Boratome, die an der Peripherie vorliegen, überwiegen daher insofern, als sie bewirken, dass der Bauelement-Betriebsstrom ohne Streuung fließt. Die c-Achse der hexagonalen BP-Schicht 20 verläuft senkrecht zur Ebene von 4.
Die hexagonale BP-Schicht, die auf einem hexagonalen Einkristall gebildet ist, wobei die (0.0.0.1.)-Kristallflächen davon in einer gegenseitig parallelen Beziehung in senkrechter Richtung auf der Oberfläche des Einkristalls angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringen Mengen enthält. Dies wird durch die Annahme erklärt, dass die BP-Schicht auf der Oberfläche von geringer Polarität angeordnet ist, wobei die (0.0.0.1.)-Kristallflächen des hexagonalen Einkristalls regelmäßig in einer gegenseitig parallelen Richtung angeordnet sind. Diese Konfiguration erweist sich als zweckmäßig für die Aufgabe, den Bauelement-Betriebsstrom in paralleler oder senkrechter Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche in der hexagonalen BP-Schicht fließen zu lassen, ohne dass eine Behinderung durch Zwillingsgrenzflächen gegeben ist. Die Situation, bei der die Dichte von Grenzflächen aufgrund von Zwillingen durch Verringerung der Dichte von Zwillingen vermindert wird, lässt sich durch übliche Querschnitt-TEM-Technik betrachten.
Die hexagonale, monomere BP-Schicht eignet sich insbesondere als eine untere Schicht zur Bildung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die eine Gitterkonstante besitzt, die nahe bei ihrer a-Achse liegt. Die a-Achse des hexagonalen, monomeren BP liegt bei etwa 0,319 nm und fällt mit der a-Achse des hexagonalen GaN zusammen. Auf der hexagonalen, monomeren BP-Schicht lässt sich daher die GaN-Schicht mit hervorragender Kristallinität ausbilden, und zwar aufgrund der hervorragenden Gitterübereinstimmung. Durch Verwendung der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität wird es möglich, eine p-n-Übergangsheterostruktur zu bilden, die dazu befähigt ist, eine Lichtemission von hoher Intensität zu erzeugen. Beispielsweise lässt sich ein lichtemittierendes Heteroübergangs-Bauteil zur Verwendung in der LED mit einer GaN-Schicht als Plattierungsschicht und einer Ga_XIn_1-XN-Schicht (0 < X < 1) als lichtemittierender Schicht bilden. Durch Verwendung des lichtemittierenden Bauteils, das aus der Halbleiterschicht aus der Verbindung der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität gebildet ist, wird es möglich, ein lichtemittierendes Verbindungshalbleiter-Bauelement bereitzustellen, das eine hohe Leuchtdichte aufweist und hervorragende elektrische Eigenschaften, z. B. in Bezug auf die Spannung in entgegengesetzter Richtung, besitzt.
Die hexagonale, monomere BP-Schicht eignet sich insbesondere als untere Schicht zur Bildung von hexagonalem Wurtzit-Aluminium-gallium-nitrid (Formel der Zusammensetzung: Al_XGa_YN: 0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1), deren Länge der c-Achse nahe bei der Länge der c-Achse der BP-Schicht liegt (0,52 nm bis 0,53 nm). Die Al_XGa_YN-Schicht (0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1), die unter Verwendung der hexagonalen BP-Schicht als unterer Schicht gebildet worden ist, ermöglicht eine hervorragende Kristallinität, da die (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig parallel zur (0.0.0.1.)- Kristallfläche der hexagonalen BP-Schicht angeordnet sind, und zwar aufgrund der hervorragenden Gitterübereinstimmung.
Die Verbindungshalbleiterschicht, deren (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig in gegenseitig paralleler Beziehung angeordnet sind, ähnlich der vorerwähnten hexagonalen BP-Schicht, kann bewirken, dass der Bauelement-Betriebsstrom bereitwillig in Richtung der c-Achse fließt, d. h. in senkrechter Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche. Ferner kann sie bewirken, dass der Bauelement-Betriebsstrom bereitwillig in paralleler Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche fließt. Die hexagonale Verbindungshalbleiterschicht, deren (0.0.0.1.)-Kristallflächen so angeordnet sind, kann daher als funktionelle Schicht zur Bildung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements verwendet werden.
Beispielsweise wird es durch Verwendung der Al_XGa_YN-Schicht (0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1), die eine hervorragende Kristallinität aufweist, da ihre (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig in gegenseitig paralleler Beziehung angeordnet sind, möglich, eine p-n-Übergangsheterostruktur zu bilden, die zur Erzeugung einer Lichtemission von hoher Intensität befähigt ist. Beispielsweise lässt sich ein lichtemittierendes Heteroübergangs-Bauteil zur Verwendung in einer LED mit einer GaN-Schicht als Plattierungsschicht und einer Ga_XIn_1-XN-Schicht (0 < X < 1) als lichtemittierender Schicht bilden. Durch Verwendung des lichtemittierenden Bauteils, das aus einer Verbindungshalbleiterschicht gebildet ist, die einen bereitwilligen Fluss des Bauelement-Betriebsstroms ermöglicht und deren (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig in gegenseitig paralleler Beziehung angeordnet sind, wird es möglich, ein lichtemittierendes Verbindungshalbleiter-Bauelement mit einer niederen Spannung in entgegengesetzter Richtung bereitzustellen.
Wenn die Stapelstruktur zur Verwendung im Verbindungshalbleiter-Bauelement, das mit einer hexagonalen BP-Schicht und einem darauf befindlichen lichtemittierenden Bauteil gemäß den vorstehenden Ausführungen versehen ist, mit Ohmschen Elektroden in der Weise versehen wird, dass der Bauelement-Betriebsstrom zum Fließen in paralleler Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche der hexagonalen BP-Schicht oder der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht, die den lichtemittierenden Teil darstellt, in senkrechter Richtung zur c-Achse, veranlasst wird, lässt sich ein lichtemittierendes Verbindungshalbleiter-Bauelement herstellen, das dem Fluss des Bauelement-Betriebsstroms nur geringen Widerstand entgegensetzt.
Beispielsweise lässt sich eine Stapelstruktur 30, die gemäß 5 mit einer hexagonalen BP-Schicht 32 versehen ist, die auf einem elektrisch leitenden hexagonalen AlN-Substrat 31 angeordnet ist, worauf ein lichtemittierendes Teil 33 aus Al_XGa_YIn_ZN (0 ≤ X, Y, Z ≤ 1, X + Y + Z = 1) angeordnet ist, herstellen, indem man eine Ohmsche Elektrode 34 mit einer Polarität am lichtemittierenden Teil anordnet und die Ohmsche Elektrode 35 mit der anderen Polarität auf der entgegengesetzten Seite des Substrats 31 anordnet. Mit anderen Worten, die Herstellung wird durchgeführt, indem die Elektroden einzeln auf und unter der Stapelstruktur 30 so angeordnet sind, dass sie an das Substrat 31, die hexagonale BP-Schicht 32 und den lichtemittierenden Teil 33 angeklemmt sind.
Beispielsweise lässt sich eine Stapelstruktur 40, die gemäß 6 mit einer hexagonalen BP-Schicht 42 versehen ist, die auf einem elektrisch leitenden hexagonalen GaN-Substrat 41 angeordnet ist und auf der ein lichtemittierendes Teil 43, das aus (Al_XGa_YIn_ZN (0 ≤ X, Y, Z ≤ 1, X + Y + Z = 1) gebildet ist, herstellen, wodurch man ein lichtemittierendes Verbindungshalbleiter-Bauelement erhält, bei dem der Bauelement-Betriebsstrom unter nur geringem Widerstand in senkrechter Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche fließen kann, indem man eine Ohmsche Elektrode 44 mit einer Polarität auf dem lichtemittierenden Teil und die Ohmsche Elektrode 45 mit der anderen Polarität auf der Oberfläche der hexagonalen BP-Schicht 42, die zwischen dem lichtemittierenden Teil 43 und dem Substrat 41 liegt, anordnet.
Anstelle eines lichtemittierenden Verbindungshalbleiter-Bauelements lässt sich ein Schottky-Sperrschicht-MESFET herstellen, indem man die hexagonale Verbindungshalbleiterschicht, die Kristalldefekte nur in einer verringerten Dichte aufweist und sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, als eine Elektronentransportschicht (Kanalschicht) verwendet. Die Kanalschicht lässt sich beispielsweise aus einer undotierten n-Typ-GaN-Schicht von hoher Reinheit bilden, wobei die absichtliche Zugabe von Verunreinigungen vermieden wird. Die Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte nur in verringerter Dichte enthält, erweist sich für die Herstellung eines MESFET mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften als zweckmäßig, da sie dazu geeignet ist, eine hohe Elektronenbeweglichkeit zu realisieren.
Bei der Herstellung des MESFET werden zur Gewährleistung eines hohen Sättigungsstroms eine Source-Elektrode 55 und eine Drain-Elektrode 56, die es ermöglichen, dass der Bauelement-Betriebsstrom in senkrechter Richtung zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht, die als eine Elektronentransportschicht (Kanalschicht) 53 unter Bindung an die Oberfläche der hexagonalen BP-Schicht 52 auf dem Substrat 51 angeordnet ist, (in paralleler Richtung zur c-Achse) fließt, in seitlicher Richtung auf der Oberfläche der Elektronenzufuhrschicht 54 in einer Stapelstruktur 50 gemäß Darstellung in 7 gegenüber angeordnet.
Somit wurde erfindungsgemäß die bevorzugte Anordnung von Kristallebenen bezüglich der Kristallstruktur einer hexagonalen Borphosphidschicht aufgefunden, wobei es aufgrund dieses Befunds gelang, den Widerstand gegen den Fluss des Bauelement-Betriebsstroms zu verringern und das Leistungsvermögen des entsprechenden Bauelements zu steigern.
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Struktur aufzubauen, bei der eine hexagonale Einkristallschicht mit einem Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III ausgebildet ist und die mit einem ersten Stapelbauteil versehen ist, das aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche besteht, wobei eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit der Oberfläche des Halbleiters aus dem Nitrid der Gruppe III verbunden ist; oder es ist möglich, eine Struktur auszubilden, die mit einem zweiten Stapelbauteil ausgestattet ist, das sich aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III ergibt, das mit der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die das erste Stapelbauteil darstellt, verbunden ist.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die zur Bildung des ersten Stapelbauteils zu verwenden ist, liegt in Form einer elektrisch leitenden Schicht vom n-Typ oder vom p-Typ vor, und zwar in Abhängigkeit von der Art des angestrebten Bauelements. Ansonsten wird im Hinblick auf das angestrebte Bauelement eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid vom π-Typ oder vom ν-Typ mit hohem Widerstand verwendet.
Die Funktion zur Unterdrückung der Penetration von Dislokationen, die von der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die das erste Stapelbauteil darstellt, gezeigt wird, manifestiert sich auch durch die Halbleiterschicht auf der Basis von kubischem Zinkblenden-Borphosphid, die mit der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III verbunden ist z. B. einem kubischen oder hexagonalem 3C-Typ-, 4H-Typ- oder 6H-Typ-Siliciumcarbid (SiC) oder GaN (vergl. beispielsweise T. Odagawa et al., Phys. Stat. Sol., Bd. 0 (7) (2003), S. 2027). Wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid auf der hexagonalen Kristallschicht, wie SiC mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche oder Zinkoxid (ZnO), verwendet wird, ergibt sich die vorerwähnte Funktion in noch wirksamerer Weise. Wenn die Halbleiterschicht aus hexagonalem Borphosphid, die auf der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, verwendet wird, ergibt sich die vorerwähnte Funktion in besonders ausgeprägter Weise. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kristallsysteme identisch sind und die Anordnungen von Kristallflächen, die diese Kristallschichten bilden, in hervorragender Weise übereinstimmen.
Speziell betrifft die Erfindung die Bereitstellung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements, das die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III beinhaltet, wobei das erste Stapelbauteil, das aus der Halbleiterschicht aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III besteht, eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, und die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit der Oberfläche der Halbleiterschicht des Nitrids der Gruppe III verbunden ist.
Das hexagonale Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche lässt sich beispielsweise auf der Oberfläche einer (1.-1.0.2.)-Kristallfläche z. B. aus einem Siliciumcarbid- oder GaN-Einkristall, der keine Polarität aufweist, bilden. Die Bildung kann beispielsweise auf der (1.-1.0.2.)-Kristallfläche von Saphir (R-Ebene) gemäß dem epitaxialen Molekularstrahlverfahren (MBE-Verfahren) erfolgen.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die das erste Stapelbauteil darstellt, ist insbesondere aus hexagonalem, monomerem BP gebildet. Die hexagonale monomere BP-Schicht kann auf der unteren Schicht, die aus einem hexagonalen Kristall mit einer Kristallfläche von geringer Polarität als Oberfläche gebildet ist, gebildet werden. Insbesondere wird sie auf der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet. Der Grund hierfür ist, dass die hexagonale BP-Schicht leicht und in stabiler Weise auf der nicht-polaren Kristallfläche des hexagonalen Kristalls gebildet werden kann. Die Tatsache, dass die hexagonale (Al_XGa_1-XN-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, erweist sich als Vorteil, da darauf die Bildung der hexagonalen, monomeren BP-Schicht von hochwertiger Qualität, die Zwillinge und Stapelfehler nur in geringen Mengen enthält und sich durch eine hervorragende Kristallinität auszeichnet, ermöglicht wird. Der Grund hierfür ist, dass das hexagonale BP mit einer Achse von etwa 0,319 nm und das hexagonale Al_XGa_1-XN (0 ≤ X ≤ 1) im Wesentlichen a-Achsen-Gitterkonstanten, die zusammenfallen, aufweisen.
Die hexagonale BP-Schicht, die Kristalldefekte nur in verringerter Dichte enthält und das erste Stapelbauteil darstellt, lässt sich durch die vorerwähnten Maßnahmen bilden, um eine Dampfphasenzüchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid vorzunehmen. Unabhängig davon, welche Maßnahmen für die Dampfphasenzüchtung angewandt werden, ist die <1.-1.0.0.>-Richtung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid in paralleler Richtung zur <1.-1.0.0.>-Richtung der als unterer Schicht dienenden Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III ausgerichtet. Die Beziehung der Orientierung dieser beiden Schichten kann beispielsweise durch Elektronenbeugungsabbildung untersucht werden.
Anschließend wird die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die zur Bildung des ersten Stapelbauteils auf der aus hexagonalem Kristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildeten unteren Schicht angeordnet ist, mit der Funktion ausgestattet, dass eine Ausbreitung von Dislokationen, die in der unteren Schicht aus dem hexagonalen Kristall enthalten sind, unterdrückt wird. Im ersten Stapelbauteil, das aus der hexagonalen (Al_XGa_1-XN-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) und der hexagonalen BP-Schicht, die unter Verwendung der Schicht als unterer Schicht gebildet worden ist, zusammengesetzt ist, werden die in der hexagonalen Al_XGa_1-XN-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) vorhandenen Dislokationen durch die Grenzfläche mit der hexagonalen BP-Schicht daran gehindert, in Richtung nach oben zu wandern und sich auszubreiten. Der Effekt der Unterdrückung der Wanderung von Dislokationen, der durch die hexagonale BP-Schicht, die das erste Stapelbauteil darstellt, hervorgerufen wird, lässt sich klar durch Querschnitt-TEM-Betrachtung der Region in der Nähe der Grenzfläche des ersten Stapelbauteils bestätigen.
Wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die Zwillinge und Dislokationen nur in geringen Mengen enthält und auf der Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, verwendet wird, lässt sich darauf die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die derartige Kristalldefekte als wandernde Dislokationen in besonders verringerter Dichte enthält, bilden. Somit ist es erfindungsgemäß in Übereinstimmung mit der gestellten Aufgabe möglich, optional eine Struktur aufzubauen, die mit einem zweiten Stapelbauteil versehen ist, das aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die das vorerwähnte erste Stapelbauteil darstellt, und aus einer Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III, die mit der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid verbunden ist, zusammengesetzt ist. Bei der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die den zweiten Stapelbauteil bildet, handelt es sich beispielsweise um Al_XGa_1-XN (0 ≤ X ≤ 1) oder Gallium-indium-nitrid (Formel der Zusammensetzung: Ga_XIn_1-XN (0 < X < 1), wodurch sich eine hervorragende Kristallinität ergibt.
Da die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die das erste Stapelbauteil darstellt, auf der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, weist sie gleichermaßen eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche auf. Infolgedessen kann die Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche als untere Schicht in wirksamer Weise verwendet werden, um darauf die Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III als zweites Stapelbauteil mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche zu bilden. Wenn beispielsweise die hexagonale BP-Schicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche für eine untere Schicht verwendet wird, lässt sich im zweiten Stapelbauteil die Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche, die Kristalldefekte nur in geringer Dichte enthält, in stabiler Weise erhalten.
Wenn die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III von hervorragender Kristallinität, die zusammen mit der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid das zweite Stapelbauteil darstellt, verwendet wird, lässt sich darauf die p-n-Übergangsheterostruktur aus der Halbleiterschicht des Nitrids der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität bilden. Beispielsweise ist die p-n-Übergangsheterostruktur, die mit der n-Typ-Ga_XIn_1-XN-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) als lichtemittierender Schicht und der n-Typ- und p-Typ-(Al_XGa_1-XN)-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) als Plattierungsschicht versehen ist, zur Bildung eines lichtemittierenden Teils mit doppeltem Heteroübergang (DH) zur Verwendung in einer LED befähigt. Die vorerwähnte lichtemittierende Schicht kann aus einer einzelnen Schicht gebildet werden oder es kann sich um eine Struktur mit einer Einzelquanten- oder Mehrfachquantenmulde ("single or multi-quantum well") handeln. Jedenfalls ermöglicht die Verwendung der Halbleiterschicht aus der Verbindung der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität, die den zweiten Stapelbauteil darstellt, die Bildung des lichtemittierenden Teils, wobei die Halbleiterschicht aus der Verbindung der Gruppe III mit hoher Kristallinität die Bereitstellung eines lichtemittierenden Verbindungshalbleiterteils mit hervorragender Leuchtdichte und hervorragenden elektrischen Eigenschaften, wie Spannung in entgegengesetzter Richtung, ermöglichen.
Wenn eine p-n-Übergangsheterostruktur auf der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einem Gehalt an Kristalldefekten nur in geringer Dichte, die den zweiten Stapelbauteil darstellt, unter Verwendung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III hergestellt wird, deren Zusammensetzung sich von der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der hexagonalen Gruppe III, die das zweite Stapelbauteil darstellt, unterscheidet, kann die Ausbreitung von Kristalldefekten in der Grenzfläche mit den zwei Arten von Halbleiterschichten aus Nitriden der Gruppe III, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, gehemmt werden. Infolgedessen lässt sich das lichtemittierende Bauteil mit der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III mit besonders hervorragender Kristallinität bilden. Es wird der Schluss gezogen, dass das Stapeln von Halbleiterschichten aus Nitriden der Gruppe III mit unterschiedlicher Zusammensetzung zur Induktion von Spannungen in diesen Halbleiterschichten führt und diese Spannung an der Kristallinität dieser Halbleiterschichten teilnimmt.
Als p-n-Übergangsheterostruktur, die durch Stapeln von Halbleiterschichten aus Nitriden der Gruppe III mit unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet wird, lässt sich ein lichtemittierendes Bauteil mit einer p-n-Übergangs-DH-Struktur erhalten, indem man eine Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die das zweite Stapelstrukturteil mit einem Wurtzit-n-Typ-GaN bildet und darauf eine lichtemittierende Schicht mit einer Quantenmuldenstruktur mit einer n-Typ-Al_0,20Ga_0,80-Schicht mit einem Aluminiumgehalt von 0,20 als unterer Plattierungsschicht, eine n-Typ Ga_0,90In_0,10N-Schicht als Muldenschicht und eine n-Typ-Al_0,10Ga_0,90N-Schicht als Sperrschicht und eine p-Typ-Al_0,05Ga_0,95N-Schicht als obere Plattierungsschicht in der angegebenen Reihenfolge stapelt. Der hier verwendete Ausdruck "Halbleiterschichten aus Nitriden der Gruppe III mit unterschiedlicher Zusammensetzung" bezieht sich auf Kristallschichten mit unterschiedlichen Bestandteilselementen oder auf Kristallschichten mit identischen Bestandteilselementen, aber unterschiedlichem Zusammensetzungsverhältnis.
Durch Bilden nur der Schicht, die mit der Oberfläche der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die das zweite Stapelbauteil darstellt, verbunden ist, zusammen mit einer Schicht, deren Zusammensetzung sich von der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die das zweite Stapelbauteil darstellt, unterscheidet, lässt sich die Wirkung erreichen, dass die Ausbreitung von Kristalldefekten unterdrückt wird. Ferner lässt sich durch Bilden der einzelnen Schichten, die die p-n-Übergangs-DH-Struktur in der Struktur des lichtemittierenden Teils, das vorstehend erläutert wurde, zusammen mit Halbleiterschichten aus Nitriden der Gruppe III, die sich voneinander in der Zusammensetzung der Elemente der Gruppe III unterscheiden, die Wirkung zur Unterdrückung der Ausbreitung von Kristalldefekten weiter verstärken. Auf jeden Fall ist die p-n-Obergangs-DH-Struktur, die aus der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III von hervorragender Kristallinität auf der Grundlage des zweiten Stapelbauteils der Erfindung gebildet wird, dazu in der Lage, in stabiler Weise ein lichtemittierendes Verbindungshalbleiter-Bauteil mit hoher Leuchtdichte und hervorragenden elektrischen Eigenschaften, wie Spannung in entgegengesetzter Richtung, bereitzustellen.
Anstelle des lichtemittierenden Verbindungshalbleiter-Bauelements zeichnet sich die n-Typ-Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die auf der Halbleiterschicht auf dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte nur in verringerter Dichte enthält und das zweite Stapelbauteil darstellt, ebenfalls durch seine Kristallinität aus und kann als Elektronentransportschicht (Kanalschicht) zur Verwendung im Schottky-Sperrschicht-FET eingesetzt werden. Diese Kanalschicht kann mit undotiertem n-Typ Ga_XIn_1-XN (0 ≤ X ≤ 1) erhalten werden, wobei man die absichtliche Zugabe von Verunreinigungen beispielsweise vermeidet. Die n-Typ-Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die auf der Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte in verringerter Dichte enthält und das zweite Stapelbauteil darstellt, angeordnet ist, kann eine hohe Elektronenbeweglichkeit zeigen. Die vorerwähnte Konfiguration der Erfindung ist daher dazu in der Lage, einen FET mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften bereitzustellen.
Die Erfindung ermöglicht gemäß der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorgenannten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit einem Kristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche.
Die Erfindung ermöglicht in der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorgenannten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit einem Kristall mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche.
Die Erfindung ermöglicht in der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorerwähnten Verbindungshalbleiterschicht mit einem hexagonalen Halbleitermaterial.
Die Erfindung ermöglicht in der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorerwähnten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und der vorerwähnten Verbindungshalbleiterschicht unter Bindung an eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche.
Die Erfindung ermöglicht in der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorgenannten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und der vorerwähnten Verbindungshalbleiterschicht unter Bindung an eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche.
Die Erfindung ermöglicht in der vorerwähnten Konfiguration die Bildung der vorgenannten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit einem Halbleiter auf der Basis von hexagonalem Borphosphid ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche.
Insbesondere wird die gemäß der vorerwähnten Konfiguration der Erfindung zu verwendende Halbleiterschicht aus hexagonalem Borphosphid aus dem vorerwähnten hexagonalen Masse-Einkristallmaterial oder Einkristallschicht gebildet und auf einem Material mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche oder einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet, wobei die (0.0.0.1.)-Kristallflächen davon in senkrechter Richtung zur Oberfläche angeordnet sind. Insbesondere wird sie beispielsweise auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des hexagonalen Wurtzit-GaN oder auf der Oberfläche einer (1.0.-1.0.)- Kristallfläche angeordnet. Ansonsten wird sie vorzugsweise beispielsweise auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche eines Aluminiumnitrids (AlN)-Einkristallsubstrats einer Einkristallschicht oder auf der Oberfläche einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche gebildet.
Beispielsweise lässt sich die hexagonale GaN-Einkristallschicht oder AlN-Einkristallschicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche mittels Dampfphasenzüchtung als MBE-Verfahren unter Verwendung einer festen Quelle oder einer gasförmigen Quelle beispielsweise auf einer unteren Schicht, die aus einem Saphir mit einer (1.-1.0.2.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist, herstellen.
Die Oberfläche, die aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche oder einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche des hexagonalen Einkristalls gebildet ist, weist regelmäßige, in senkrechter Richtung zur Oberfläche angeordnete (0.0.0.1.)-Kristallflächen auf. Diese Tatsache wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Kristallstruktur des in 13 dargestellten Schnitts eines hexagonalen Materials schematisch dargestellt.
13 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung von Atomen im Bindungsbereich. Gemäß 13 werden ein hexagonales Verbindungshalbleitermaterial 10 und ein Halbleitermaterial 12 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid aneinander gebunden und das hexagonale Wurtzit-Verbindungshalbleitermaterial 10 weist (0.0.0.1)-Kristallflächen 11 auf, die senkrecht zur Oberfläche 10a, die von der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche davon gebildet wird, stehen. In den (0.0.0.1.)-Kristallflächen 11 sind abwechselnd Gruppe III-Atomebenen 11a mit Elementen der Gruppe III in regelmäßiger Anordnung und Gruppe V-Atomebenen 11b mit Elementen der Gruppe V in regelmäßiger Anordnung gebildet. Auf einer Oberfläche 10a, auf der regelmäßig abwechselnd die Reihen von Atomebenen 11a und 11b exponiert sind, die aus voneinander verschiedenen Elementen, die den hexagonalen Verbindungseinkristall 10 bilden, kann eine Halbleiterschicht 12 auf der Basis von Borphosphid, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist, in wirksamer Weise genau mit dem gleichen Zweck gebildet werden, so dass Atomebenen, die als Atome der Gruppe III Bor (B) enthalten, und Atomebenen, die als Atome der Gruppe V Phosphor (P) enthalten, in regelmäßiger Weise abwechselnd angeordnet sind.
Im übrigen beziehen sich die hier verwendeten Ausdrücke "ohne einen Gehalt an einer Antiphasen-Grenzfläche" oder "frei von einer Antiphasen-Grenzfläche" auf die Tatsache, dass die Grenzflächen in einer Dichte von 5 Grenzflächen/cm² oder weniger vorliegen, einschließlich des Falls, bei dem eine Antiphasen-Grenzfläche vollkommen fehlt.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist, lässt sich durch die vorerwähnten Maßnahmen der Dampfphasenzüchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bilden. Beispielsweise beträgt im Fall der Bildung durch das MOCVD-Verfahren die Züchtungstemperatur vorzugsweise 750°C oder mehr und 1200°C oder weniger. Wenn die Temperatur unter 750°C sinkt, erweist sich dies als nachteilig in Bezug auf die Förderung der Züchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist, da dadurch verhindert wird, dass die Borquelle und die Phosphorquelle einer ausreichenden thermischen Zersetzung unterliegen. Die Züchtung bei einer hohen Temperatur über 1200°C erweist sich als ungünstig, da sie ein Hindernis bei der Bildung einer Einkristallschicht, die frei von Antiphasen-Grenzflächen ist, darstellt, und zwar aufgrund des Fehlens von Kristallflächen, die die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bilden. Insbesondere ergeben sich Schwierigkeiten in Bezug auf eine stabile Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist, da dabei das Fehlen von Atomebenen induziert wird, die aus Phosphor (P) gebildet sind, die die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid darstellen.
Ferner beträgt bei der Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist, durch das MOCVD-Verfahren das Konzentrationsverhältnis der Phosphorquelle (P) zur Borquelle (B) (das sogenannte V/III-Verhältnis) zur Zufuhr zum Züchtungsreaktionssystem vorzugsweise 120 oder weniger, um eine elektrisch leitende Schicht vom p-Typ zu bilden. Ferner liegt das V/III-Verhältnis vorzugsweise im Bereich zwischen 20 oder mehr und 50 oder weniger. Zur Bildung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die frei von einer Nichtphasen-Grenzfläche ist, die eine Leitung vom n-Typ zeigt, beträgt das vorerwähnte V/III-Verhältnis vorzugsweise 150 oder mehr. Insbesondere beträgt das V/III-Verhältnis 400 oder mehr und 1400 oder weniger.
Wenn der hexagonale Einkristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche verwendet wird, ermöglicht es die Oberfläche, dass darauf eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid gebildet wird, die über eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche davon mit der Oberfläche verbunden ist, wobei eine epitaxiale Züchtung durch Übernahme der Anordnung von Atomen auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls erfolgt und die Bildung einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche ermöglicht wird. Wenn ein hexagonaler Einkristall mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche verwendet wird, ermöglicht es die Oberfläche, dass darauf eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid gebildet wird, die über eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche davon mit der Oberfläche verbunden ist, wobei eine epitaxiale Züchtung durch Übernahme der Anordnung von Atomen auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls erfolgt und die Bildung einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche ermöglicht wird.
Nachstehend findet sich eine zusätzliche Erläuterung unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung von 13. Im Innern des Halbleitermaterials 12 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche oder einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche 12a sind (0.0.0.1)-Kristallflächen 13 regelmäßig in senkrechter Richtung zur Oberfläche 12a angeordnet. Die (0.0.0.1.)-Kristallflächen 13 weisen abwechselnd darin gebildete Gruppe III-Atomebenen 13a mit Borelementen (B) der Gruppe III in regelmäßiger Anordnung und Gruppe V-Atomebenen 13b mit Phosphorelementen (P) der Gruppe V in regelmäßiger Anordnung auf. Dies bedeutet, dass in der Oberfläche 12a der Halbleiterschicht 12 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die aus (1.1.-2.0.)-Kristallflächen oder (1.0.-1.0.)-Kristallflächen gebildet sind, die Gruppe III-Atomebenen 13a und die Gruppe V-Atomebenen 13b, die die (0.0.0.1.)-Kristallflächen 13 darstellen, in regelmäßiger Wiederholung abwechselnd angeordnet sind.
Infolgedessen dient beispielsweise die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche oder einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche in wirksamer Weise als untere Schicht zur Bildung einer Halbleiterschicht aus Nitrid der Gruppe III, die frei von einer Antiphasen-Grenzfläche ist.
Auf der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche lässt sich die Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III bilden, die über eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche davon mit der Oberfläche verbunden ist und eine nicht-polare (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist. Der hier verwendete Ausdruck "nicht-polare Oberfläche" bezieht sich auf die Oberfläche, in der die elektrische Ladung, die zu den Gruppe III-Atomebenen gehört, und die elektrische Ladung, die zu den Gruppe V-Atomebenen gehört, neutralisiert werden, da die Gruppe III-Atomebenen und die Gruppe V-Atomebenen in gleichen Mengen über die Oberfläche zugänglich sind und die Polarität infolgedessen ausgelöscht wird.
Im Innern der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht, die in Bindung mit der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und einer nicht-polaren (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, sind die (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig in senkrechter Richtung zu den Oberflächen angeordnet. Außerdem sind sie parallel zu den (0.0.0.1.)-Kristallflächen im Innern der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid angeordnet. Diese Art der Bindung ermöglicht die Entstehung einer hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht von hochwertiger Qualität, die Antiphasen-Grenzflächen in einer sehr geringen Menge und Zwillinge und Stapelfehler nur in geringer Menge enthält und sich durch die bei der Bindung entstehende Kristallinität auszeichnet.
Anschließend lässt sich auf der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche eine Halbleiterschicht aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die über eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche mit der Oberfläche verbunden ist und eine nicht-polare (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, bilden.
Im Innern der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht, die unter Bindung an die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und einer nicht-polaren (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, sind die (0.0.0.1.)-Kristallflächen regelmäßig in senkrechter Richtung zu den Oberflächen angeordnet. Außerdem sind sie parallel zu den (0.0.0.1)-Kristallflächen im Innern der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid angeordnet. Diese Art der Bindung ermöglicht die Bildung einer hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht von hochwertiger Qualität, die Antiphasen-Grenzflächen in sehr geringen Mengen und Zwillinge und Stapelfehler nur in einer geringen Menge enthält und sich durch die Bildung von Kristallinität bei der Bindung auszeichnet.
Speziell wird die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid in vorteilhafter Weise mit einer monomeren Borphosphid (BP)-Schicht gebildet. Der Grund hierfür ist, dass die Anzahl an Bestandteilselementen in diesem Fall gering ist, verglichen mit dem Fall der Bildung des vorerwähnten Multimischkristalls auf der Basis von Borphosphid. Infolgedessen kann die Bildung in zweckmäßiger Weise durchgeführt werden, ohne dass ein komplexer Sachverhalt bei der Steuerung des Zusammensetzungsverhältnisses der Bestandteilselemente auftritt. Wenn ferner die Bildung der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht mit Aluminium-gallium-nitrid (Formel der Zusammensetzung: Al_XGa_1-XN: 0 ≤ X ≤ 1) gewählt wird, enthält die Al_XGa_1-XN-Schicht (0 ≤ X ≤ 1) infolgedessen Kristalldefekte nur in einer sehr geringen Menge, und zwar aufgrund der guten Übereinstimmung der Gitterkonstante zwischen Borphosphid und Aluminium-gallium-nitrid.
Beispielsweise weist die GaN-Schicht, die über eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche mit der BP-Schicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche verbunden ist und eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, praktisch keine erkennbaren Anzeichen von Zwillingen auf. Die gebildete Schicht ist von hochwertiger Qualität und frei von einer Antiphasen-Grenzfläche. Auch wenn die AlN-Schicht über eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche mit der BP-Schicht mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche verbunden ist und eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, zeigen sich praktisch keine erkennbaren Anzeichen von Zwillingen. Das Produkt erweist sich als hochwertig und ist frei von einer Antiphasen-Grenzfläche.
Die Anwesenheit von Antiphasen-Grenzflächen im Innern der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid und der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht lassen sich beispielsweise durch visuelle Betrachtung einer Querschnitt-TME-Abbildung erkennen. Der erfindungsgemäß verwendete Ausdruck "frei von einer Antiphasen-Grenzfläche" bezieht sich beispielsweise auf die Tatsache, dass die Dichte von Grenzflächen 5 Grenzflächen/cm² oder weniger beträgt, einschließlich des Falls, bei dem keine Antiphasen-Grenzflächen vorliegen. Durch das Elektronenbeugungsverfahren unter Anwendung von TEM lässt sich das Vorliegen von Zwillingen und Stapelfehlern im Innern der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid und der hexagonalen Verbindungshalbleiterschicht untersuchen. Erfindungsgemäß gilt die Regel, dass das Fehlen von Zwillingen oder Stapelfehlern gegeben ist, wenn die Elektronenbeugungsabbildung keine erkennbaren Anzeichen von zusätzlichen Flecken aufgrund von Zwillingen oder diffuse Streuungen aufgrund von Stapelfehlern zeigt.
Die hexagonale Verbindungshalbleiterschicht, z. B. die Halbleiterschicht aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III, die, wie vorstehend erwähnt, eine nicht-polare Kristallfläche aufweist, kann in wirksamer Weise als Funktionsschicht zur Bildung des lichtemittierenden Teils eines lichtemittierenden Nitrid-Halbleiterbauelements verwendet werden, das zur Induktion einer Lichtemission im sichtbaren Band oder im UV-Band von hoher Intensität befähigt ist. Sie kann auch in wirksamer Weise als Elektronenkanalschicht (Elektronentransportschicht) oder als Elektronenzufuhrschicht für die Herstellung eines Feldeffekttransistors (FET) oder als Kontaktschicht zur Bildung einer Ohmschen Elektrode, z. B. als Source- oder Drain-Elektrode, verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht es in der vorerwähnten Konfiguration, dass das Innere der vorstehenden Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid so ausgebildet wird, dass die (0.0.0.1.)-Kristallflächen im Wesentlichen parallel zur Richtung der Schichtdicke angeordnet sein können und der Abstand von n kontinuierlichen (0.0.0.2.)-Kristallflächen (n bedeutet eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr) im Wesentlichen der Länge der c-Achse des vorerwähnten Einkristalls entsprechen kann. Im übrigen beträgt bei der vorerwähnten erfindungsgemäßen Konfiguration die Anzahl n der (0.0.0.2.)-Kristallflächen, die vorstehend erwähnt wurden, vorzugsweise 6 oder weniger.
Wenn bei der vorerwähnten erfindungsgemäßen Konfiguration der zu verwendende hexagonale Einkristall in Form einer Masse-Einkristall- oder Einkristallschicht vorliegt, wird ein hexagonaler Einkristall, dessen (0.0.0.1.)-Kristallflächen in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Richtung der zunehmenden Schichtdicke (Wachstumsrichtung) verläuft, angeordnet sind, in besonders bevorzugter Weise verwendet. Die Oberfläche dieses Einkristalls wird daher beispielsweise aus einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche oder einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildet. Der hier verwendete Ausdruck "Richtung der Zunahme der Schichtdicke" bezieht sich auf die Richtung, in der die einzelnen Schichten gestapelt werden. In der nachstehenden Beschreibung kommt gelegentlich hierfür der Ausdruck "senkrechte Richtung" vor. Die (0.0.0.1.)-Kristallflächen sind im Wesentlichen parallel zur Richtung der zunehmenden Schichtdicke des Einkristalls angeordnet. Der Ausdruck "im Wesentlichen parallel" bezieht sich auf die Richtung, die vorzugsweise in den Bereich von ±10°, bezogen auf die senkrechte Richtung, fällt. Wenn die Richtung von diesem Bereich abweicht, führt die Abweichung zur reichlichen Bildung von Zwillingen und Kristalldefekten in der darauf gestapelten Schicht.
Bei der vorerwähnten erfindungsgemäßen Konfiguration wird der Einkristall auf der Oberfläche, die aus einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche oder einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildet ist, mit der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid versehen. Auf der Oberfläche, die beispielsweise aus einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche oder einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Einkristalls aus hexagonalem 2H-Typ-, 4H-Typ- oder 6H-Typ-Siliciumcarbid-Einkristall gebildet ist, wird die Halbleiterschicht aus hexagonalem Borphosphid angeordnet. Anschließend wird auf der Oberfläche, die aus einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche oder einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Einkristalls aus hexagonalem Wurtzit-Aluminiumnitrid (AlN) oder gleichermaßen aus hexagonalem Wurtzit-GaN gebildet ist, die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid angeordnet. Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid wird vorzugsweise auf der Oberfläche, die aus einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als "M-Ebene" oder "m-Ebene") oder einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als "A-Ebene" oder "a-Ebene" bezeichnet) des Einkristalls aus Saphir (a-Aluminiumoxid-Einkristall) angeordnet.
Sodann bewirkt die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, wie nachstehend ausführlich beschrieben, dass die (0.0.0.2.)-Kristallflächen davon im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Einkristalls angeordnet sind und dass ferner der Abstand von n kontinuierlichen (0.0.0.2.)-Kristallflächen (n bedeutet eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr) im Wesentlichen an die Länge der c-Achse des Einkristalls angepasst wird (der Abstand der (0.0.0.1.)-Kristallflächen). Der Abstand von n kontinuierlichen (0.0.0.2.)-Kristallflächen der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Länge der c-Achse des Einkristalls werden in Bezug auf eine lange Periode angepasst. Im Übrigen sind bei der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid die (0.0.0.2.)-Kristallflächen im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Einkristalls angeordnet, wie vorstehend ausgeführt wurde, wobei sich der Ausdruck "im Wesentlichen senkrecht" vorzugsweise auf den Bereich von ±10° relativ zur senkrechten Richtung bezieht. Wenn diese Richtung von diesem Bereich abweicht, ruft diese Abweichung die reichliche Bildung von Zwillingen und Kristalldefekten in der darauf zu stapelnden Schicht hervor.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid lässt sich auf der Oberfläche von derartigen bevorzugten Kristallflächen, wie sie vorstehend erwähnt wurden, durch das vorerwähnte Dampfphasenzüchtungsverfahren bilden. Diese Bildung kann durch Züchtungsmaßnahmen zur Bildung einer Schicht unter einer Vakuumumgebung, wie das Gasquellen-MBE-Verfahren oder das chemische Strahlepitaxialverfahren (CBE-Verfahren) gebildet werden.
Bei der Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid beispielsweise durch das MOCVD-Verfahren bei normalem Druck (im Wesentlichen atmosphärischem Druck) oder verringertem Druck auf der Oberfläche, die aus den bevorzugten Kristallflächen des hexagonalen Einkristalls gebildet ist, lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit (0.0.0.2.)-Kristallflächen, die mit regelmäßigem Abstand in paralleler Richtung zur Richtung der zunehmenden Schichtdicke (in senkrechter Richtung zur Oberfläche des vorerwähnten Einkristalls) angeordnet sind, bilden, indem man (a) die Züchtungstemperatur auf 750°C oder mehr und 850°C oder weniger einstellt, (b) das Konzentrationsverhältnis der Phosphorquelle (P) zur Borquelle (B), die dem Züchtungsreaktionssystem zuzuführen sind (das sogenannte V/III-Verhältnis), auf den Bereich zwischen 400 oder mehr und 500 oder weniger einstellt und (c) die Züchtungsgeschwindigkeit der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid auf 20 nm oder mehr pro Minute und 30 nm oder weniger pro Minute einstellt.
Die Züchtungsgeschwindigkeit der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid wird dann, wenn die Konzentration der Quelle des Bestandteilselements der Gruppe III, wie Bor (B), das pro Zeiteinheit dem Züchtungsreaktionssystem zugeführt wird, erhöht wird, im Wesentlichen proportional zur Konzentration innerhalb des vorerwähnten Bereiches der Züchtungstemperatur gesteigert. Wenn die Konzentration der Quelle für das Bestandteilselement der Gruppe III, wie Bor, die pro Zeiteinheit dem Züchtungsreaktionssystem zugeführt wird, festgelegt wird, nimmt die Züchtungsgeschwindigkeit mit Erhöhung der Züchtungstemperatur zu. Bei einer unter 750°C fallenden Temperatur sinkt aufgrund der Tatsache, dass die Borquelle (B) und die Phosphorquelle (P) keiner ausreichenden thermischen Zersetzung unterliegen, die Züchtungsgeschwindigkeit plötzlich ab und die bevorzugte Züchtungsgeschwindigkeit, wie sie vorstehend erwähnt wurde, lässt sich nicht erreichen. Eine Steigerung der Züchtungstemperatur über 850°C stellt einen Nachteil dar, da dabei plötzlich die Bildung eines polymeren Borphosphidkristalls, z. B. eines Kristalls der Formel B₆P, induziert wird.
Im Fall der Bildung der hexagonalen BP-Schicht beispielsweise durch das MOCVD-Verfahren unter Verwendung von Phosphin (PH₃) als Phosphorquelle und von Triethylbor ((C₂H₅)₃B) als Borquelle wird diese Bildung durch Festlegung der Züchtungstemperatur auf 800°C erreicht, wobei das Konzentrationsverhältnis der dem Züchtungsreaktionssystem zugeführten Quellenmaterialien, nämlich das PH₃/(C₂H₅)₃B-Verhältnis 450 und die Züchtungsgeschwindigkeit 25 nm pro Minute beträgt.
Zur stabilen Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, deren (0.0.0.2)-Kristallflächen parallel zur senkrecht zu ihrer Oberfläche stehenden Richtung auf der Oberfläche angeordnet ist, die aus den bevorzugten Kristallflächen des hexagonalen Einkristalls gebildet ist, wird die Züchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid vorzugsweise begonnen, nachdem unnötige Substanzen, die an der Oberfläche adsorbiert waren, desorbiert worden sind. Beispielsweise wird die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid vorzugsweise gezüchtet, nachdem der hexagonale Einkristall auf eine Temperatur, die die bevorzugte Temperatur für die Züchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid übersteigt, nämlich auf eine Temperatur über 850°C, erwärmt, um eine Desorption von Molekülen, die an der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls adsorbiert sind, einzuleiten. Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid wird nach Desorption der adsorbierten Moleküle vorzugsweise auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls gezüchtet, wobei die als Folge der Desorption gereinigte Oberfläche unversehrt in gereinigtem Zustand gehalten wird. Als Maßnahme zur Züchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid erweisen sich das MBE-Verfahren oder das CBE-Verfahren, bei denen die Züchtung unter einer Hochvakuumumgebung durchgeführt wird, oder das chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) bei vermindertem Druck, wobei die Züchtung unter einem gegenüber den Umgebungsbedingungen verringerten Druck durchgeführt wird, als geeignet.
Auf der gereinigten Oberfläche des gebildeten hexagonalen Einkristalls mit derartigen bevorzugten Kristallflächen, wie sie vorstehend erwähnt wurden, lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die eine lange Periode der Übereinstimmung relativ zur Länge der c-Achse des hexagonalen Einkristalls aufweist, wie vorstehend erwähnt wurde, in stabiler Weise bilden. 18 zeigt in schematischer Weise das Erscheinungsbild der langen übereinstimmenden Periode, die bei der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid erfindungsgemäß auftritt. Diese Darstellung erläutert das Erscheinungsbild der langen übereinstimmenden Periode, die auftritt, wenn es sich beim hexagonalen Einkristall 61 um Saphir mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche 61A handelt und es sich bei der Halbleiterschicht 62 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die an die Oberfläche 61A gebunden ist, um eine B_0,98Al_0,02P-Schicht handelt. Wie in der Darstellung gezeigt, sind (0.0.0.1.)-Kristallflächen 61B regelmäßig in gegenseitig parallelem Zustand in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche 61A angeordnet. Im Innern der Halbleiterschicht 62 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die über eine Verbindungsfläche 62A mit der Oberfläche 61A des hexagonalen Einkristalls verbunden ist, sind insgesamt sechs (0.0.0.2.)-Kristallflächen 62B parallel zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche 61B des Saphirs angeordnet. Speziell weist in einem Verbindungssystem 60 zwischen dem Einkristall 61 und der Halbleiterschicht 62 auf der Basis von Borphosphid die Oberfläche 61A des gereinigten Saphirs insgesamt sechs (0.0.0.2.)-Kristallflächen 62B auf, die in einem Abstand angeordnet sind, der der Länge der c-Achse von Saphir (1,30 nm) (die "Länge der c-Achse" gemäß Darstellung in 18) entspricht, wie in 18 gezeigt ist.
Mit anderen Worten, auf dem hexagonalen Einkristall 61 lässt sich die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid in einem solchen Zustand bilden, dass die Länge der c-Achse und die gesamte Länge (= (n – 1) × d) von (0.0.0.2.)-Kristallebenen 62B (n bedeutet eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr, wie 2, 3, 4, 5 oder 6, und d bedeutet den Abstand zwischen benachbarten (0.0.0.2)-Ebenen) gleich sein kann, d. h. im Zustand einer Langperioden-Übereinstimmung. Die Anzahl der (0.0.0.2.)-Kristallebenen muss mindestens 2 betragen, da der Wert von d durch den Abstand zwischen zwei benachbarten (0.0.0.2.)-Kristallebenen vorgegeben wird. Dies bedeutet, dass der Wert von n 2 oder mehr beträgt.
In der B_0,98Al_0,02P-Mischkristallschicht oder der B_0,99Ga_0,01P-Mischkristallschicht, die an der Oberfläche einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche von Saphir gebunden ist, beträgt die Anzahl von (0.0.0.2.)-Kristallflächen, die die Langperioden-Übereinstimmungsstruktur darstellen, 6, d. h. n hat den Wert 6, wie vorstehend erwähnt. In der BP-Schicht, die mit der gebildeten Oberfläche einer (1.0.-1.0)- Kristallfläche von GaN verbunden ist, beträgt n jedoch 2. Auch in der BP-Schicht, die mit der Oberfläche einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche von AlN verbunden ist, hat n den Wert 2. In der BP-Schicht, die auf der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Einkristalls aus GaN oder AlN gebunden ist, hat n den Wert 2.
Wenn die Oberfläche des hexagonalen Einkristalls, auf der die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid anzuordnen ist, nicht ausreichend gereinigt worden ist, erfährt die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit den ordnungsgemäß angeordneten (0.0.0.2.)-Kristallflächen gemäß Darstellung in 18 eine Behinderung insofern, als sie nicht in vollständig zufriedenstellender Stabilität erhalten werden kann, was auf die nachteiligen Auswirkungen der adsorbierten Moleküle, wie Sauerstoff (0) oder Wasser (H₂O), die beispielsweise auf der Oberfläche verbleiben, zurückzuführen ist. Gleichermaßen sind derartige unnötige Moleküle, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂), bei denen es sich nicht um die Moleküle der Quellenmaterialien für die Züchtung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid handelt und die in einem adsorbierten Zustand auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls verbleiben, insofern nachteilhaft, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die die vorerwähnte Langperioden-Übereinstimmungsstruktur aufweist, nicht mit voll zufriedenstellender Stabilität erhalten werden kann.
Der Nachteil, der in Bezug auf eine stabile Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid insofern auftritt, als die vorerwähnte Langperioden-Übereinstimmung nicht erreicht werden kann, wird dadurch hervorgerufen, dass die adsorbierten, unnötigen Moleküle die regelmäßige Anordnung der (0.0.0.2.)-Kristallflächen, die die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid darstellen, stören. Eine weitere Ursache für diesen Nachteil liegt in der Tatsache, dass die adsorbierten Moleküle möglicherweise letztlich die Bildung von Kristallflächen, die sich in ihrem Ebenenindex von den (0.0.0.2.)-Kristallflächen unterscheiden, veranlassen. Als eine weitere Ursache für diesen Nachteil lässt sich die Tatsache erwähnen, dass der Halbleiterkristall auf der Basis von hexagonalem Borphosphid nicht auf dem Bereich wächst, in dem die adsorbierten Moleküle vorhanden sind. Um den Zustand zu erreichen, dass die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid die Langperioden-Übereinstimmungsstruktur, die in einem gebundenen Zustand anzuordnen ist, aufweist, ist es daher wichtig, dass die Oberfläche des hexagonalen Einkristalls einer Reinigungsbehandlung unterzogen wird.
Im Fall des MBE-Verfahrens oder des CBE-Verfahrens, bei denen eine Schicht unter einer Vakuumumgebung gebildet wird, kann die Anwesenheit der adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls beispielsweise durch Reflektions-Hochenergie-Elektronenbeugungsmuster (RHEED-Muster) festgestellt werden. Wenn die adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche vorliegen, zeigt das RHEED-Bild ein Ringmuster oder Halomuster anstelle der Form eines Fleckens oder Streifens, der vorwiegend von der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls herrührt. Die Spezies der an der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls adsorbierten Moleküle lässt sich beispielsweise durch ein Analyseverfahren, wie IR-Absorptionsspektroskopie oder UV-Absorptionsspektroskopie, identifizieren.
Wenn beim Anbringen der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid unter Bindung an die Oberfläche des hexagonalen Einkristalls die Züchtungsgeschwindigkeit unter 20 nm pro Minute fällt oder 30 nm pro Minute übersteigt, ergeben diese Abweichungen jeweils eine Behinderung einer in ausreichendem Maße stabilen Herstellung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, so dass die Langperioden-Übereinstimmung nicht erreicht werden kann. Der Grund hierfür ist, dass die langsame Züchtungsgeschwindigkeit von weniger als 20 nm pro Minute eine Diffusion von Phosphoratomen (P), die die (0.0.0.2.)-Kristallfläche darstellen, induziert und zu einem numerischen Verlust der (0.0.0.2.)-Kristallflächen, die zum Erreichen der Langperioden-Übereinstimmungsstruktur ausreichen, führt. Ein Grund hierfür ist auch, dass die (0.0.0.2.)-Kristallflächen unvermeidlicherweise im Überschuss zur Anzahl an (0.0.0.2.)-Kristallflächen (nämlich der erfindungsgemäße Wert n) gebildet werden, die zum Erreichen der Langperioden-Übereinstimmungsstruktur ausreichen, wenn die Züchtungsgeschwindigkeit so hoch ist, dass sie 30 nm pro Minute übersteigt.
Die Anzahl der (0.0.0.2.)-Kristallflächen der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die in einem Abstand, der der c-Achse der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls entspricht, angeordnet sind, um die Langperioden-Übereinstimmung zu erreichen (nämlich der erfindungsgemäße Wert n), kann beispielsweise aus dem Gitterbild, das durch Elektronenbeugungsanalyse oder Querschnitt-TEM-Technik unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) erhalten worden ist, festgestellt werden. Wenn die erfindungsgemäße Langperioden-Übereinstimmungsstruktur gebildet worden ist, treten die Beugungsflecken, die von der (0.0.0.1.)-Kristallfläche des hexagonalen Einkristalls stammen, im Elektronenbeugungsbild mit Abständen auf, die dem (n – 1)-fachen der Beugungsflecken entsprechen, die von den (0.0.0.2.)-Kristallflächen der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid stammen (die Gesamtzahl von Zwischenräumen zwischen einer Gesamtzahl von n (0.0.0.2.)-Kristallflächen).
Insbesondere wird es durch Erreichen der Langperioden-Übereinstimmungsstruktur, wobei n 8 oder weniger und vorzugsweise 6 oder weniger beträgt, möglich, eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zu erhalten, die Dislokationsfehlstellen nur in geringen Mengen enthält und sich durch ihre Kristallinität auszeichnet. Die Dichte der in der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid auftretenden Dislokationsfehlstellen in einer Richtung senkrecht zur c-Achse des hexagonalen Einkristalls im Bereich in Nachbarschaft zur Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid und dem hexagonalen Einkristall steigt proportional zum vorerwähnten Wert n. Der Erfinder hat aufgrund von Untersuchungen festgestellt, dass die Langperioden-Übereinstimmungsstruktur mit einem n-Wert von 6 oder weniger eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid von hochwertiger Qualität ergibt, bei der lokale elektrische Durchschlagsspannungen nur in geringem Maße und Dislokationsfehlstellen nur in geringer Dichte auftreten.
Die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer Langperioden-Übereinstimmungsstruktur bei einem n-Wert von 2 oder mehr und 6 oder weniger kann in wirksamer Weise als eine untere Schicht zur Bildung einer gezüchteten Schicht von hochwertiger Qualität mit hervorragender Kristallinität verwendet werden, da sie Dislokationsfehlstellen nur in geringer Dichte enthält. Die Schichten, die in geeigneter Weise auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit der Langperioden-Übereinstimmungsstruktur angeordnet werden, sind die gezüchteten Schichten, die aus Gruppe III-Nitrid-Halbleitern gebildet sind, z. B. SiC, ZnO, GaN, AlN, InN und Al_XGa_YIn_ZN (0 ≤ X, Y, Z ≤ 1 und X + Y + Z = 1), wobei es sich um einen Mischkristall davon handelt. Als konkrete Beispiele für die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III lassen sich die gezüchteten Schichten aus GaN_1-YP_Y (0 ≤ Y < 1) und GaN_1-YAs_Y (0 ≤ Y < 1) erwähnen, die Stickstoff (N) und Elemente der Gruppe V. wie Phosphor (P) und Arsen (As) als von Stickstoff abweichende Bestandteile enthalten.
Durch Verwendung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die auf einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit einer Langperioden-Übereinstimmungsstruktur gebildet wird und Dislokationsfehlstellen nur in geringen Mengen enthält sowie als eine untere Schicht dient, wird es möglich, eine p-n-Übergangsheterostruktur zu bilden, die zur Lichtemission von hoher Intensität befähigt ist. Beispielsweise lässt sich ein lichtemittierendes Teil mit Doppelheterobindung (DH-Bindung) zur Verwendung in einem lichtemittierenden Bauelement, z. B. einer LED, herstellen, die eine (Al_XGa_YN-Schicht (0 ≤ X, Y ≤ 1, X + Y = 1) als Plattierungsschicht und eine Ga_XIn_1-XN-Schicht (0 < X < 1) als lichtemittierende Schicht aufweist.
Anstelle des lichtemittierenden Verbindungshalbleiter-Bauelements kann ein Schottky-Sperrschicht-MESFET gebildet werden, indem man eine Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Gehalt an Kristalldefekten nur in verringerter Dichte und mit hervorragender Kristallinität als Elektronentransportschicht (Kanalschicht) verwendet. Die Kanalschicht kann beispielsweise aus einer undotierten n-Typ-GaN-Schicht gebildet werden, bei der man die absichtliche Zugabe einer Verunreinigung vermieden hat. Die Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit einem Gehalt an Kristalldefekten nur in verringerter Dichte erweist sich zur Herstellung eines MESFET mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften als vorteilhaft, da sie eine hohe Elektronenbeweglichkeit zeigt.
Die vorstehende erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht die Bildung der vorerwähnten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen monomeren Borphosphid und ermöglicht die Konfiguration der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid in der Weise, dass auf der Oberfläche Elektroden vorgesehen werden.
Die bei der vorerwähnten erfindungsgemäßen Konfiguration verwendete Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid wird gebildet, indem man eine hexagonale Einkristallschicht oder ein Einkristallsubstrat als untere Schicht verwendet. Insbesondere kann auf der Oberfläche einer Einkristallschicht oder eines Einkristallsubstrats, das aus Kristallflächen mit mangelnder Polarität oder ohne Polarität gebildet ist, die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid in wirksamer Weise gebildet werden. Der Grund hierfür ist, dass die Oberfläche, die aus Kristallflächen einer hexagonalen Einkristallschicht oder eines Einkristallsubstrats, die einen Mangel an Polarität aufweisen oder frei von Polarität sind, gebildet worden ist, Atome in einer solchen Anordnung aufweist, dass sich in zweckmäßiger Weise eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid ergibt.
Der Ausdruck "nicht-polare Kristallflächen, die sich zur Anordnung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid eignen" im Rahmen des Einkristalls aus einem hexagonalen Verbindungsmaterial, das beispielsweise durch die Kombination eines Elements A und eines Elements B erzeugt worden ist, bezieht sich auf eine Oberfläche, auf der das Element A und das Element B in einer identischen Oberflächendichte exponiert sind. Bei den Kristallflächen gemäß dieser Beschreibung handelt es sich um die (1.1.-2.0.)-Kristallflächen beispielsweise vom 2H-Typ-SiC, einem Wurtzit-GaN oder AlN. Die (1.1.-2.0)-Kristallflächen von Saphir entsprechen ebenfalls dieser Beschreibung.
Wenn ein Material von geringer Ionizität für die Herstellung einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die auf den Kristallflächen einer hexagonalen Einkristallschicht oder eines Einkristallsubstrats mit mangelnder oder fehlender Polarität gebildet wird, ausgewählt wird, lässt sich in stabiler Weise eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bilden. Wenn die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid eine geringe Ionizität aufweist, da eine geringe Differenz der Ionizität gegenüber einer hexagonalen Einkristallschicht oder einem Einkristallsubstrat mit fehlender oder mangelnder Polarität vorliegt, ist die stabile Bildung der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid von hochwertiger Qualität, die Kristalldefekte, wie Zwillinge, nur in geringer Menge enthält, möglich. Von den Halbleitern auf der Basis von Borphosphid dient nur monomeres Borphosphid (BP) als ideales Material zur stabilen Erzeugung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, da die Ionizität (fi) nur einen geringen Wert von 0,006 aufweist (vergl. beispielsweise "Bands and Bonds in Semiconductors" (Physics Series 38), J. C. Phillips, Hrsg. Yoshioka Shoten K. K., 25. Juli 1985, 3. Auflg., S. 51). Da Borarsenid (BAs) einen geringen fi-Wert von nur 0,002 aufweist (vergl. beispielsweise "Bands and Bonds in Semiconductors" a. a. O., S. 51), lässt sich auch aus Bor-Arsenid-Phosphid (BAST-YPY, wobei 0 < Y ≤ 1), bei dem es sich um ein Mischkristall mit BP handelt, in stabiler Weise eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bilden.
Insbesondere lässt sich eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit einer geringen Ionizität, die so gezüchtet worden ist, dass sie eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche annimmt, in geeigneter Weise als Halbleiterschicht mit dem Zweck verwenden, die Anordnung von Elektroden zu ermöglichen, die der Erfindung entsprechen, da Zwillinge und Stapelfehler nur in geringen Mengen enthalten sind.
Die Frage, ob es sich bei der gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid um eine hexagonale Kristallschicht handelt oder nicht, kann durch eine Analyse, z. B. durch Elektronenbeugung oder Röntgenbeugung, untersucht werden. Gemäß einer üblichen Röntgenbeugungsanalyse lässt sich beispielsweise feststellen, dass das monomere BP, das an der nicht-polaren (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen GaN-Einkristallschicht gebunden ist, eine hexagonale Wurtzit-Kristallschicht ist. Ferner kann festgestellt werden, dass die Oberfläche der hexagonalen BP-Kristallschicht eine nicht-polare (1.1.-2.0.)-Kristallfläche darstellt.
Die a-Achse des hexagonalen, monomeren Wurtzit-BP misst etwa 0,319 nm und fällt daher mit der a-Achse von hexagonalem Al_XGa_1-XN (0 ≤ X ≤ 1) der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III zusammen. Wenn das monomere BP zur Bildung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid gewählt wird, lässt sich somit eine Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität auf der Schicht bilden, und zwar aufgrund einer guten Gitterübereinstimmung. Die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die auf einem hexagonalen Kristall mit mangelnder oder fehlender Polarität gebildet ist, kann als eine obere Schicht zur Bildung einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität beitragen, da die Schicht eine hervorragende Kristallinität aufweist.
Die Ohmschen Elektroden, die auf der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid anzuordnen sind, lassen sich aus verschiedenen Metallmaterialien oder elektrisch leitenden Oxidmaterialien bilden. Für eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit n-Typ-Leitung lässt sich beispielsweise eine Ohmsche Elektrode vom n-Typ aus einer Legierung bilden, z. B. einer Gold (Au)-Germanium (Ge)-Legierung oder einer Gold-Zinn (Sn)-Legierung. Die Ohmsche Elektrode vom n-Typ kann aus einer Legierung gebildet werden, die ein Seltenerdelement enthält, z. B. aus einer Lanthan (La)-Aluminium (Al)-Legierung. Ferner kann die Ohmsche Elektrode vom n-Typ aus einem Oxidmaterial, wie ZnO, gebildet werden.
Für die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid vom p-Typ kann eine Ohmsche Elektrode vom p-Typ aus einer Gold (Au)-Zink (Zn)-Legierung oder einer Gold (Au)-Beryllium (Be)-Legierung gebildet werden. Die Ohmsche Elektrode vom p-Typ kann auch aus einer Indium (In)-Zinn (Sn)-Oxid (ITO)-Verbundschicht gebildet werden. Eine Ohmsche Elektrode ohne Kontaktwiderstand wird vorzugsweise aus einer Schicht mit geringem Widerstand mit einer Trägerkonzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 oder mehr gebildet. Bei der Schicht, auf der die Ohmschen Elektroden angeordnet werden, handelt es sich vorzugsweise um eine Schicht mit geringem Widerstand, unabhängig davon, ob sie mit einer absichtlich zugesetzten Verunreinigung dotiert ist oder ob es sich um eine undotierte Schicht, bei der die absichtliche Zugabe von Verunreinigungen vermieden wird, handelt. Im Fall der monomeren BP-Schicht lassen sich Schichten mit geringem Widerstand vom n-Typ und vom p-Typ zur Bildung der Elektroden leicht jeweils in einer undotierten Form erhalten.
Die Ohmschen Elektroden vom n-Typ und vom p-Typ werden unveränderlich in optimaler Weise an einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die Kristalldefekte nur in geringen Mengen enthält und sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, angeordnet. Die Maßnahme, eine der Ohmschen Elektroden an einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit hervorragender Kristallinität und die andere Ohmsche Elektrode in Nachbarschaft an einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die auf der vorerwähnten Schicht als unterer Schicht gebildet ist und eine hervorragende Kristallinität aufweist, anzuordnen, kann dazu beitragen, einem Halbleiterbauelement hervorragende Eigenschaften zu verleihen.
Ein Schottky-Kontakt zur Bildung an einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid lässt sich beispielsweise aus einem Übergangsmetall, z. B. aus Titan (Ti) bilden. Er kann beispielsweise auch aus Platin (Pt) gebildet werden. Die Verwendung einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid mit hervorragender Kristallinität, die der vorliegenden Erfindung entspricht, ermöglicht die Bildung einer Gate-Elektrode mit nur unbedeutendem Leckstrom. Insbesondere ermöglicht die Struktur mit einem Schottky-Kontakt, der auf einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit hohem Widerstand angeordnet ist, die Bildung einer Gate-Elektrode, die nur einen unbedeutenden Leckstrom zeigt und eine hervorragende Durchschlagsspannung besitzt. Somit kann diese Konstruktion zur Herstellung eines Hochfrequenz-Schottky-Sperrschicht-FET mit nur unbedeutendem Leckstrom und hervorragendem Gegenleitwert beitragen. Eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid mit hohem Widerstand lässt sich in zweckmäßiger Weise mit einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht von hohem Widerstand bei elektrischer Kompensation ohne Dotierung oder mit Dotierung mit Verunreinigungen vom n-Typ und/oder p-Typ bilden.
Für eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid können Metallelektroden, die als Ohmscher Kontakt oder Schottky-Kontakt dienen, durch ein übliches Vakuumabscheidungsverfahren, ein Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren, ein Sputtering-Verfahren und dergl. gebildet werden. Oxidmaterialien, wie ITO und ZnO, können durch übliche physikalische Filmbildungsmaßnahmen, wie ein Sputtering-Verfahren und ein Nassfilm-Bildungsverfahren, z. B. ein Sol-Gel-Verfahren, gebildet werden.
Die Verbindungshalbleiter-Bauelemente der Beispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den einzelnen Beispielen sind ähnliche Komponenten mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Nachstehend wird das erste Beispiel erläutert.
Beispiel 1
Die Erfindung wird nachstehend speziell anhand eines Beispiels für den Fall beschrieben, dass eine Verbindungshalbleiter-LED unter Verwendung einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die mit der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche eines Saphir-Massekristalls verbunden ist, gebildet wird.
1 zeigt in schematischer Weise die planare Struktur der LED, auf die sich das Beispiel 1 bezieht. 2 ist ein schematischer Querschnitt zur Erläuterung der Verbindungshalbleiter-LED 1 entlang der gestrichelten Linie II-II von 1.
Eine zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wurde unter Verwendung eines Saphirs als Substrat 101 (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als "A-Ebene" bezeichnet) als Oberfläche gebildet. Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Substrats 101 wurde eine undotierte, hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht in einer Dicke von etwa 290 nm als Halbleiterschicht 102 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid unter Anwendung des üblichen MOCVD-Verfahrens gebildet.
Durch eine übliche TEM-Analyse wurde gezeigt, dass es sich bei der Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die die Halbleiterschicht 102 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid darstellte, um eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche handelte. Anschließend wurde durch das Elektronenbeugungsmuster gezeigt, dass die <1.-1.0.0.>-Richtung des Saphirsubstrats 101 und die <1.-1.0.0.>-Richtung der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 parallel zueinander orientiert waren. Ferner ergab die Betrachtung durch eine Querschnitt-TEM-Technik praktisch keine erkennbaren Anzeichen für die Anwesenheit von Zwillingen in der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102. Im Bereich im Innern der hexagonalen, monomeren BP-Schicht wurden auf der Gitteranordnung in einem Abstand von etwa 50 nm über der Grenzfläche mit dem Saphirsubstrat 101 praktisch keine erkennbaren Störungen festgestellt.
Auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)Kristallfläche einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die die Halbleiterschicht 102 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid bildete, wurde eine hexagonale Wurtzit-n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 2100 nm) 103 gezüchtet. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurden kaum Zwillinge und Stapelfehler im inneren Bereich der hexagonalen GaN-Schicht 103 in Nachbarschaft zur Grenzfläche mit der hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die die Halbleiterschicht 102 auf der Basis von hexagonalem Borphosphid darstellte, festgestellt.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103 wurde eine untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 150 nm) 104 aus einem hexagonalen n-Typ Al_0,15Ga_0,85N, eine lichtemittierende Schicht 105 mit einer Mehrfachquanten-Muldenstruktur aus 5 Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht/Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht bestanden, und eine obere Plattierungsschicht 106 aus p-Typ Al_0,10Ga_0,90N mit einer Schichtdicke von 50 nm in der angegebenen Reihenfolge gestapelt, um den lichtemittierenden Teil einer p-n-Übergangs-DH-Struktur fertigzustellen.
Auf der Oberfläche der vorerwähnten oberen Plattierungsschicht 106 wurde ferner eine p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 80 nm) als Kontaktschicht 107 gestapelt, um die Bildung der Stapelstruktur 100 fertigzustellen.
Im Bereich eines Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 mit einer Gold (Au)-Nickeloxid (NiO)-Legierung gebildet. Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht 103 gebildet, die freigelegt wurde, indem Schichten, wie die untere Plattierungsschicht 104 und die lichtemittierende Schicht 105 in dem für die Anordnung der Elektrode 109 vorgesehenen Bereich durch Trockenätzmaßnahmen entfernt wurden. Auf diese Weise wurde die LED 1 fertiggestellt.
Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,6 cd. Da die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III von hervorragender Kristallinität durch Anordnung der Halbleiterschichten 104 bis 106 aus dem Nitrid der Gruppe III, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, und der n-Typ-GaN-Schicht 103, die mit der Ohmschen n-Typ-Elektrode 109 auf der hexagonalen BP-Schicht versehen war, gebildet werden konnte, nahm die Spannung in der entgegengesetzten Richtung einen hohen Wert über 15 V an, wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde. Ferner konnten aufgrund der feinen Kristallinität der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III praktisch keine lokalen Durchbrüche festgestellt werden.
Beispiel 2
Die Erfindung wird nachstehend speziell anhand eines Beispiels für den Fall beschrieben, dass eine Verbindungshalbleiter-LED unter Verwendung eines Massekristalls von Saphir als hexagonalem Einkristall und unter Verwendung einer darauf angeordneten Schicht aus hexagonalem, monomerem BP gebildet wird.
8 zeigt in schematischer Weise die planare Struktur einer LED, auf die sich dieses Beispiel 2 bezieht. 9 ist ein schematischer Querschnitt zur Erläuterung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie IX-IX von 8.
Die zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wurde unter Verwendung eines Saphirs als Substrat 101 mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet. Auf der Oberfläche des Substrats 101 wurde eine undotierte, hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht 102 mit einer Schichtdicke von etwa 290 nm unter Anwendung eines üblichen MOCVD-Verfahrens gebildet.
Durch eine übliche TEM-Analyse wurde gezeigt, dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 in einem gegenseitig parallelen Zustand senkrecht zur Oberfläche des Saphirsubstrats 101 angeordnet war. Speziell wurde aus dem Abstand der Gitterebenen der (0.0.0.1.)-Kristallflächen, die gegenseitig parallel in einer Richtung senkrecht zur c-Achse des hexagonalen Einheitsgitters angeordnet waren, die Länge der c-Achse der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 zu 0,524 nm bestimmt. Ferner wurde durch Betrachtung durch Querschnitt-TEM-Technik kaum die Anwesenheit von Zwillingen in der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 festgestellt. Im Bereich im Innern der hexagonalen, monomeren BP-Schicht über einen Abstand von etwa 50 nm von der Grenzfläche mit dem Saphirsubstrat 101 wurde die regelmäßige Anordnung der (0.0.0.1.)-Kristallebenen in gegenseitig paralleler Weise bestätigt, während praktisch keine erkennbaren Fehler auf der Gitteranordnung festgestellt wurden.
Auf der Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 mit den (0.0.0.1.)-Kristallflächen, die parallel zur Richtung der Zunahme der Schichtdicke angeordnet waren, wurde eine hexagonale Wurtzit-GaN-Schicht (Schichtdicke = 1900 nm) 103, die mit Germanium (Ge) dotiert war, gezüchtet. Gemäß Analyse unter Verendung des üblichen TEM wurde festgestellt, dass die n-Typ-GaN-Schicht 103, die auf der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102, die als Unterschicht diente, gezüchtet worden war, eine Einkristallschicht war, deren (0.0.0.1.)-Kristallfläche parallel zur (0.0.0.1.)Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 angeordnet war. Im inneren Bereich der hexagonalen GaN-Schicht 103 wurden kaum Zwillinge und Kristalldefekte festgestellt.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103 wurden in der angegebenen Reihenfolge folgende Bestandteile gestapelt: die untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 250 nm) 104, aus hexagonalem n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N, die lichtemittierende Schicht 105 aus einer Mehrfachquanten-Muldenstruktur aus 7 Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht und einer Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht bestanden, und die obere Plattierungsschicht 106 mit einer Schichtdicke von 25 nm aus p-Typ Al_0,10Ga_0,90N. Auf diese Weise wurde der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur fertiggestellt. Die Gesamtheit dieses lichtemittierenden Teils bestand aus einer Einkristallschicht, deren (0.0.0.1.)-Kristallfläche parallel zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 angeordnet war. Im inneren Bereich der Gesamtheit des lichtemittierenden Teils wurden kaum Zwillinge und Stapelfehler festgestellt. Die Stapelstruktur 100 wurde durch eine p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 75 nm) fertiggestellt, die zusätzlich auf der Oberfläche der oberen Plattierungsschicht 106 abgeschieden wurde.
Im Bereich des Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 mit einer Gold-Nickeloxid-Legierung gebildet. Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht 103 gebildet, indem Schichten, wie die untere Plattierungsschicht 104 und die lichtemittierende Schicht 105, die in diesem Bereich vorlagen, für die Anordnung der Elektrode 109 durch Trockenätzmaßnahmen entfernt wurden. Auf diese Weise wurde die LED 1 fertiggestellt.
Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom mit 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 455 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,5 cd. Die Ohmschen Elektroden 108 und 109 wurden in senkrechter Richtung zur Stapelstruktur 100 quer zum lichtemittierenden Teil angeordnet, so dass der elektrische Bauelement-Betriebsstrom parallel zu den (0.0.0.1.)-Kristallflächen der Halbleiterschichten 104 bis 106 aus dem Nitrid der Gruppe III, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, fließen konnte, wobei die Spannung in Vorwärtsrichtung (bei 20 mA) einen niederen Wert von 3,2 V annahm.
Da der lichtemittierende Teil aus einer Halbleiterschicht von hervorragender Kristallinität aus einem Mitglied der Gruppe III gebildet werden konnte, da er auf der hexagonalen BP-Schicht angeordnet wurde, nahm die Spannung in entgegengesetzter Richtung, die sich ergab, wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung auf 10 μA festgesetzt wurde, einen hohen Wert über 15 V an. Aufgrund der feinen Kristallinität der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die den lichtemittierenden Teil darstellte, wurde praktisch kein lokaler Durchbruch festgestellt.
Beispiel 3
Die Erfindung wird nachstehend speziell anhand eines Beispiels für den Fall beschrieben, dass die Verbindungshalbleiter-LED aus einer Stapelstruktur besteht, die mit einer GaN-Schicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und einer mit der Oberfläche verbundenen hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufweist, versehen ist.
10 zeigt in schematischer Weise die planare Struktur der LED 1, auf die sich das Beispiel 3 bezieht. 11 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie XI-XI von 10.
Die zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wurde unter Verwendung eines Substrats 101 aus Saphir (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit einer (1.-1.0.2.)-Kristallfläche (üblicherweise als R-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet. Auf der Oberfläche der (1.-1.0.2.)-Kristallfläche des Substrats 101 wurde eine undotierte n-Typ-GaN-Schicht 103 mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet, wobei man sich eines üblichen MBE-Verfahrens bediente. Die Dislokationsdichte in der GaN-Schicht 103 (Schichtdicke = 1200 nm), die durch übliche Querschnitt-TEM-Technik bestimmt wurde, betrug etwa 2 × 10⁹ cm^–2.
Auf der gebildeten Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der GaN-Schicht 103 wurde eine undotierte monomere n-Typ-BP-Schicht (Schichtdicke = 280 nm) 102A gezüchtet. Als Ergebnis bildeten die GaN-Schicht 103 und die BP-Schicht 102A das erste Stapelbauteil 120A gemäß den Angaben der Erfindung. Durch eine übliche Elektronenbeugungsanalyse unter Verwendung des TEM wurde festgestellt, dass es sich bei der BP-Schicht 102A um eine hexagonale Wurtzit-Einkristallschicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche handelte. Im Elektronenbeugungsbild der BP-Schicht 102A konnten weder zusätzliche Beugungen noch diffuse Streuungen aufgrund von Zwillingen oder Stapelfehlern festgestellt werden. Ferner wurde durch Querschnitt-TEM-Analyse bestätigt, dass die Dislokationen in der GaN-Schicht 103 durch die Grenzfläche mit der BP-Schicht 102A, nämlich durch die Grenzfläche des ersten Stapelbauteils 120A, an einer Wanderung nach oben (zur BP-Schicht 102A) gehindert wurden.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 wurde ferner eine hexagonale n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 600 nm) 102B angeordnet. Als Folge bildeten die hexagonale BP-Schicht 102A und die hexagonale GaN-Schicht 102B das zweite Stapelbauteil 120B gemäß den Bezeichnungen der Erfindung. Da die hexagonale GaN-Schicht 102B mit der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102A verbunden war, nahm die Dichte der Dislokationen, die durch übliche Querschnitt-TEM-Technik bestimmt wurde, einen niederen Wert von 1 × 10⁴ cm^–2 oder weniger an.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen GaN-Schicht 102B, die das zweite Stapelbauteil 120B darstellte, wurden die folgenden Bestandteile in der angegebenen Reihenfolge gestapelt: die untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 300 nm) 104 aus einem hexagonalen n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N mit einer von GaN abweichenden Zusammensetzung, die lichtemittierende Schicht 105 mit der Mehrfachquanten-Muldenstruktur, gebildet aus fünf Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,88In_0,12N-Muldenschicht (Schichtdicke = 3 nm)/Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht (Schichtdicke = 10 nm) bestanden, und die obere Plattierungsschicht 106 mit einer Schichtdicke von 90 nm aus p-Typ-Al_0,10Ga_0,90N. Auf diese Weise wurde der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur fertiggestellt.
Durch übliche TEM-Analyse wurde festgestellt, dass es sich bei der unteren Plattierungsschicht 104 bis zur oberen Plattierungsschicht 106, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, jeweils um eine hexagonale Wurtzit-Einkristallschicht handelte. Ferner konnte der lichtemittierende Teil aus einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III mit besonders hervorragender Kristallinität gebildet werden, da er auf der GaN-Schicht 102E angeordnet war, die Dislokationen nur in geringer Menge aufwies und eine hervorragende Kristallinität besaß.
Auf der Oberfläche der vorerwähnten oberen Plattierungsschicht 106 wurde ferner eine p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 90 nm) als Kontaktschicht 107 abgeschieden, um die Bildung der Stapelstruktur 100 fertigzustellen.
Im Bereich eines Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 aus einer Gold-Nickeloxid-Legierung gebildet. Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der unteren Plattierungsschicht 104 gebildet, die durch Entfernen von Schichten, wie der lichtemittierenden Schicht 105 auf der unteren Plattierungsschicht 104, die in dem Bereich, der für die Anordnung der Ohmschen n-Typ-Elektrode 109 vorgesehen war, vorlag, freigelegt wurde. Auf diese Weise wurde die LED 1 fertiggestellt.
Die LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauteil-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des von der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 450 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,7 cd. Die Spannung in der entgegengesetzten Richtung (wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde) nahm einen hohen Wert von über 15 V an, was die feine Kristallinität der Halbleiterschichten aus dem Nitrid der Gruppe III, die die untere Plattierungsschicht 104, die lichtemittierende Schicht 105 und die obere Plattierungsschicht 106 bildeten und den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, widerspiegelt. Aufgrund der feinen Kristallinität der Halbleiterschichten aus dem Nitrid der Gruppe III, die die n-Typ-GaN-Schicht 102B und den lichtemittierenden Teil der darauf angeordneten p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, konnte praktisch kein lokaler Durchbruch festgestellt werden.
Beispiel 4
Nachstehend wird die Erfindung speziell anhand eines Beispiels für den Fall erläutert, dass ein Verbindungshalbleiter-FET aus einer Stapelstruktur aufgebaut ist, die mit einer GaN-Schicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und einer mit der Oberfläche verbundenen, hexagonalen monomeren BP-Schicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche versehen ist.
12 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung des GaN-basierten Hochfrequenz-FET 3, auf den sich dieses Beispiel 4 bezieht. Eine Stapelstruktur 300 zur Herstellung des FET 3 wurde unter Verwendung eines Substrats 301 aus Saphir (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit einer (1.-1.0.2.)-Kristallfläche (üblicherweise als R-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet. Auf der Oberfläche der (1.-1.0.2.)-Kristallfläche des Substrats 301 wurde eine undotierte n-Typ-GaN-Schicht 302 von hohem Widerstand mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet, wobei man sich eines üblichen MBE-Verfahrens bediente. Die Dichte von Dislokationen in der GaN-Schicht 302 (Schichtdicke = 1000 nm) betrug bei Bestimmung durch übliche Querschnitt-TEM-Technik etwa 3 × 10⁹ cm^–2.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der GaN-Schicht 302 wurde eine undotierte monomere p-Typ-BP-Schicht von hohem Widerstand (Schichtdicke = 200 nm) 303 gezüchtet. Als Ergebnis wurden die GaN-Schicht 302 und die BP-Schicht 303 des ersten Stapelbauteils 320A gemäß den Ausführungen der Erfindung gebildet. Durch übliche Elektronenbeugungsanalyse unter Verwendung eines TEM wurde festgestellt, dass es sich bei der BP-Schicht 303 um eine hexagonale Wurtzit-Einkristallschicht mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche handelte. Im Elektronenbeugungsbild der BP-Schicht 303 konnten weder zusätzliche Beugungen noch diffuse Streuungen aufgrund von Zwillingen oder Stapelfehlern festgestellt werden. Ferner wurde durch Querschnitt-TEM-Analyse bestätigt, dass die in der GaN-Schicht 302 enthaltenen Dislokationen durch die Grenzfläche mit der BP-Schicht 303, nämlich der Grenzfläche des ersten Stapelbauteils 320A, an einer Wanderung nach oben (in Richtung zur BP-Schicht 303 gehindert wurden.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 303 wurde ferner eine undotierte hexagonale n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 110 nm) als Elektronentransportschicht 304 angeordnet. Als Ergebnis bildeten die hexagonale BP-Schicht 303 und die hexagonale GaN-Schicht, die die Elektronentransportschicht 304 darstellte, das zweite Stapelbauteil 320B gemäß den Ausführungen der Erfindung. Die Elektronentransportschicht 304 konnte als eine Kristallschicht von hochwertiger Qualität mit einer Dislokationsdichte von 1 × 10⁴ cm^–2 oder weniger gebildet werden, da sie unter Bindung an die hexagonale, monomere BP-Schicht 303 angebracht wurde.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der Elektronentransportschicht 304, die aus einer hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht gebildet war und das zweite Stapelbauteil 320B darstellte, wurde eine Elektronenzufuhrschicht 305, die aus einem hexagonalen n-Typ-Al_0,25Ga_0,75N (Schichtdicke = 25 nm) mit einer von GaN abweichenden Zusammensetzung gebildet war, unter Bindung angeordnet. Die Elektronenzufuhrschicht 305 wurde ferner mit einer Kontaktschicht 306 aus einer n-Typ-GaN-Schicht versehen, um die Bildung der Stapelstruktur 300 zur Verwendung im FET fertigzustellen.
Die Elektronentransportschicht 304 konnte aus einer Halbleiterschicht eines Nitrids der Gruppe III von hervorragender Kristallinität gebildet werden, da sie auf der hexagonalen BP-Schicht 303, die Zwillinge und Stapelfehler nur in geringer Dichte aufwies und sich durch ihre Kristallinität auszeichnete, angeordnet war. Da die Elektronenzufuhrschicht 305 unter Bindung an die Elektronentransportschicht 304 von hervorragender Kristallinität angeordnet war, wurde durch übliche TEM-Analyse festgestellt, dass es sich ebenfalls um eine Einkristallschicht von hervorragender Kristallinität handelte.
Auf der Oberfläche der Elektronenzufuhrschicht 305, die durch Entfernen des Bereiches eines Teils der Kontaktschicht 306 durch übliche Trockenätztechnik freigelegt worden war, wurde eine Schottky-Gate-Elektrode 307 gebildet. Auf der Oberfläche der GaN-Kontaktschicht 306, die an den gegenüberliegenden Seiten der Gate-Elektrode 307 verblieb, wurden eine Ohmsche Source-Elektrode 308 aus einer Seltenerdelement-Aluminium-Legierung und eine Ohmsche Drain-Elektrode 309 gebildet, um den FET 3 fertigzustellen.
Der erfindungsgemäße FET konnte als ein GaN-basierter FET realisiert werden, der sich durch sein Leistungsvermögen auszeichnete und die Anwendung einer elektrischen Hochfrequenzleistung ermöglichte, da er sich als Elektronentransportschicht einer GaN-Schicht bediente, die unter Verwendung einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht als unterer Schicht gebildet worden war, und Dislokationen nur in sehr geringer Dichte aufwies und sich durch die Kristallinität auszeichnete. Ferner ergab sich ein hoher Gegenleitwert und Leckstrom über Dislokationen wurde unterdrückt. Da ferner der FET aus einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht von hervorragender Kristallinität, einer GaN-Elektronentransportschicht und einer GaN-Elektronenzufuhrschicht gebildet war, ergaben sich praktisch keine Anzeichen für einen lokalen Durchbruch.
Beispiel 5
Nachstehend wird die Erfindung speziell anhand eines Beispiels für den Fall beschrieben, dass eine Verbindungshalbleiter-LED durch Verwendung eines Saphir-Massekristalls als hexagonalem Einkristall und einer darauf angeordneten hexagonalen, monomeren BP-Schicht hergestellt wird, wobei keine Antiphasen-Grenzfläche enthalten ist.
14 erläutert in schematischer Weise die planare Struktur der LED, auf die sich das Beispiel 5 bezieht. 15 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie XV-XV von 14. Die zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wird unter Verwendung des Saphir-Substrats 101 (α-Aluminiumoxid- Einkristall), das eine (1.-1.0.2.)-Kristallfläche (üblicherweise als R-Ebene bezeichnet) als Oberfläche aufweist, gebildet. Auf der Oberfläche des Substrats 101 wird eine hexagonale n-Typ-GaN-Schicht 103A mit einer Schichtdicke von etwa 3200 nm in Form eines Einkristalls für eine untere Schicht durch das übliche MOCVD-Verfahren gebildet. Durch übliche Elektronenbeugungsanalyse wurde festgestellt, dass es sich bei der Oberfläche der hexagonalen GaN-Schicht 103A um eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche handelte. Ferner wurde durch übliche Querschnitt-TEM-Betrachtung gezeigt, dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die hexagonale GaN-Schicht 103A darstellte, senkrecht zu der aus der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildeten Oberfläche angeordnet war.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen GaN-Schicht 103A wurde die undotierte, monomere, hexagonale n-Typ-BP-Schicht 102 gezüchtet. Die hexagonale BP-Schicht 102 wurde bei 780°C durch ein übliches MOCVD-Verfahren unter atmosphärischem Druck gezüchtet. Durch übliche Querschnitt-TEM-Betrachtung wurde festgestellt, dass die hexagonale BP-Schicht 102 über die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche an die hexagonale GaN-Schicht 103A gebunden war und die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufwies und dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die das Innere der hexagonalen BP-Schicht 102 bildete, senkrecht in gegenseitig paralleler Beziehung zur (1.1.-2.0.)-Kristallfläche angeordnet war.
Anschließend wurde durch Betrachtung des Dunkelfeldbilds gemäß Querschnitt-TEM-Technik praktisch keine Antiphasen-Grenzfläche in der hexagonalen BP-Schicht 102 mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche festgestellt. Ferner wurden im Elektronenbeugungsmuster der hexagonalen BP-Schicht 102 keine zusätzlichen Beugungsflecken, die auf die Anwesenheit von Zwillingen hindeuteten, und keine Streifen, die auf die Anwesenheit von Stapelfehlern hindeuteten, festgestellt.
Auf der Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 mit (0.0.0.1)-Kristallflächen, die parallel in Richtung zur zunehmenden Schichtdicke angeordnet waren, wurde eine hexagonale Wurtzit-n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 160 nm) 103B, die mit Germanium (Ge) dotiert war, gezüchtet. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurde diese n-Typ-GaN-Schicht 103B, die auf der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 als unterer Schicht gezüchtet worden war, als eine Einkristallschicht identifiziert, deren (0.0.0.1.)-Kristallflächen parallel zur (0.0.0.1.)- Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 angeordnet waren.
Es wurde gezeigt, dass die n-Typ-GaN-Schicht 103B über die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche mit der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 verbunden war und dass die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die das Innere der n-Typ-GaN-Schicht 103B darstellte, senkrecht in einer gegenseitig parallelen Beziehung zur (1.1.-2.0.)-Kristallfläche angeordnet waren. Ferner wurden durch übliche TEM-Analyse in der hexagonalen GaN-Schicht 103B kaum Antiphasen-Grenzflächen, Zwillinge und Stapelfehler festgestellt.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103B wurden die folgenden Bestandteile in der angegebenen Reihenfolge gestapelt: die untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 250 nm) 104 aus einem hexagonalen n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N, die lichtemittierende Schicht 105 mit der Mehrfachquanten-Muldenstruktur aus 5 Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht und einer Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht bestanden, und die obere Plattierungsschicht 105 mit einer Schichtdicke von 50 nm aus einem p-Typ-Al_0,10Ga_0,90N. Man erhielt ein lichtemittierendes Teil mit p-n-Übergangs-DH-Struktur. Auf der Oberfläche der vorerwähnten oberen Plattierungsschicht 106 wurde ferner eine p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 80 nm) als Kontaktschicht 107 abgeschieden, um die Bildung der Stapelstruktur 100 abzuschließen.
Im Bereich eines Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 aus einer Gold (Au)-Nickeloxid (NiO)-Legierung gebildet. Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht 103B gebildet, die durch Entfernen von Schichten, wie der unteren Plattierungsschicht 104 und der lichtemittierenden Schicht 105, die in dem für die Anordnung der Elektrode 109 vorgesehenen Bereich vorlagen, durch Trockenätztechnik freigelegt wurde. Auf diese Weise wurde die LED 1 fertiggestellt.
Die LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlängen des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,6 cd. Da die untere Plattierungsschicht 104 bis zur oberen Plattierungsschicht 106 und die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur bildeten, auf der hexagonalen BP-Schicht 102 und der n-Typ-GaN-Schicht 103 gebildet waren, die kaum Antiphasen-Grenzflächen, Zwillinge und Stapelfehler erkennen ließen, war es möglich, Halbleiterschichten aus einem Nitrid der Gruppe III von hervorragender Kristallinität zu bilden. Somit emittierte die lichtemittierende Schicht 105 Licht von einheitlicher Intensität ohne Ungleichmäßigkeiten.
Beispiel 6
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Beispiel für den Fall des Aufbaus einer LED näher erläutert, bei dem als hexagonaler Einkristall eine hexagonale, monomere BP-Schicht auf der GaN-Schicht mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche angeordnet ist, wobei keine Antiphasen-Grenzfläche enthalten ist.
16 stellt in schematischer Weise die planare Struktur der LED 1 dar, auf die sich das Beispiel 6 bezieht. 17 zeigt einen schematischen Querschnitt der LED entlang der gestrichelten Linie XVII-XVII von 16.
Die GaN-Schicht 103A mit der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche wurde durch ein übliches MBE-Verfahren auf der Oberfläche der (001)-Kristallfläche des LiAlO₂-Masse-Einkristall-Substrats 101 gebildet. Durch übliche Querschnitt-TEM-Analyse wurde gezeigt, dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche senkrecht zur Oberfläche der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche im Innern der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103A mit einer Schichtdicke von 480 nm angeordnet war.
Auf der Oberfläche der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche der hexagonalen GaN-Schicht 103A, die als Einkristall auf einer unteren Schicht gebildet war, wurde die undotierte, hexagonale, monomere n-Typ-Borphosphid-Schicht (BP-Schicht) 102 gezüchtet. Die hexagonale BP-Schicht 102 wurde bei 800°C durch ein übliches MOCVD-Verfahren bei atmosphärischem Druck gezüchtet. Durch übliche Querschnitt-TEM-Betrachtung wurde gezeigt, dass die hexagonale BP-Schicht 102 über die (1.0.-1.0.)-Kristallfläche mit der hexagonalen GaN-Schicht 103A verbunden war und die (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufwies und dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die das Innere der hexagonalen BP-Schicht 102 darstellte, senkrecht in einer gegenseitig parallelen Beziehung zur (1.0.-1.0.)-Kristallfläche davon angeordnet war.
Durch Betrachtung des Dunkelfeldbilds gemäß Querschnitt-TEM-Technik wurden im Innern der hexagonalen BP-Schicht 102 mit der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche kaum Antiphasen-Grenzflächen festgestellt. Ferner wurden im Elektronenbeugungsmuster der hexagonalen BP-Schicht 102 keine zusätzlichen Flecken, die auf das Vorliegen von Zwillingen hindeuteten, und keine Streifen, die auf das Vorliegen von Stapelfehlern hindeuteten, festgestellt.
Auf der Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102, deren (0.0.0.1.)-Kristallfläche parallel zur Richtung der zunehmenden Schichtdicke angeordnet war, wurde eine hexagonale Wurtzit-n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 170 nm) 103B, die mit Silicium (Si) dotiert war, gezüchtet. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurde festgestellt, dass die n-Typ-GaN-Schicht 103B, die auf der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 als unterer Schicht gezüchtet worden war, eine Einkristallschicht darstellte, deren (0.0.0.1.)-Kristallfläche parallel zur (0.0.0.1.)-Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 angeordnet war.
Ferner wurde gezeigt, dass die n-Typ-GaN-Schicht 103B über die (1.0.-1.0.)-Kristallfläche mit der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 verbunden war und die (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufwies und dass die (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die das Innere der n-Typ-GaN-Schicht 103B darstellte, senkrecht in gegenseitig parallelem Zustand zur (1.0.-1.0.)-Kristallfläche davon angeordnet war. Ferner wurden durch übliche TEM-Analyse Antiphasen-Grenzflächen, Zwillinge und Stapelfehler kaum im Innern der hexagonalen GaN-Schicht 103B festgestellt.
Auf der Oberfläche, die aus der (1.0.-1.0.)-Kristallfläche der hexagonalen GaN-Schicht 103B, in der Antiphasen-Grenzflächen, Zwillinge und Stapelfehler kaum festgestellt wurden, gebildet war, wurden die untere Plattierungsschicht 104, die lichtemittierende Schicht 105 und die obere Plattierungsschicht 106 in der gleichen Bauweise wie in Beispiel 5 stapelförmig gebildet, wodurch der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur gebildet wurde. Anschließend wurde auf der oberen Plattierungsschicht 106, die die oberste Schicht des lichtemittierenden Teils darstellte, die gleiche Kontaktschicht 107 wie in Beispiel 5 unter Bindung angeordnet, wodurch die Bildung der Stapelstruktur 100, die zur Herstellung der LED 1 vorgesehen war, beendet wurde.
Die Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 wurden gemäß den gleichen Maßnahmen wie im vorhergehenden Beispiel 5 auf der Stapelstruktur 100 gebildet, wodurch die LED 1 entstand. Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die durchschnittliche Wellenlänge des von der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,6 cd. Da die untere Plattierungsschicht 104 bis zur oberen Plattierungsschicht 106 und die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 so ausgestaltet waren, dass der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur auf der hexagonalen BP-Schicht 102 und der n-Typ-GaN-Schicht 103, die kaum Antiphasen-Grenzflächen, Zwillinge und Stapelfehler erkennen ließen, gebildet wurden, war es möglich, die Halbleiterschichten aus dem Nitrid der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität zu bilden. Somit emittierte die lichtemittierende Schicht 105 Licht von einheitlicher Intensität ohne Ungleichmäßigkeiten.
Beispiel 7
Nachstehend wird die Erfindung speziell anhand eines Beispiels erläutert, das den Fall der Konfiguration einer LED unter Verwendung eines Massekristalls von Saphir als hexagonalem Einkristall und unter Verwendung einer monomeren BP-Schicht, die auf der Oberfläche des hexagonalen Einkristalls ausgebildet ist, betrifft.
19 zeigt in schematischer Weise die planare Struktur der LED 1, auf die sich das Beispiel 7 bezieht. 20 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie XX-XX von 19.
Die zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wurde auf einem Saphir (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als A-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet, wobei der Saphir als Substrat 101 diente. Vor der Bildung der Halbleiterschicht 102 aus hexagonalem Borphosphid auf der Oberfläche des Substrats 101 wurde das Saphir-Substrat 101 unter einem Vakuum von etwa 0,01 atm auf 1200°C in einer üblichen Vakuum-MOCVD-Vorrichtung erwärmt, um an der Oberfläche des Substrats 101 adsorbierte Substanzen zu desorbieren und um die Oberfläche zu reinigen.
Anschließend wurde auf der gereinigten Oberfläche des Saphir-Substrats 101 eine undotierte, hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht 102 mit einer Schichtdicke von etwa 490 nm als Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid nach dem üblichen Vakuum-MOCVD-Verfahren gebildet. Durch übliche Querschnitt-TEM-Analyse wurde nachgewiesen, dass die (0.0.0.2.)-Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 senkrecht in einer gegenseitig parallelen Beziehung zur gereinigten Oberfläche des Saphir-Substrats 101 angeordnet war. Auf der Oberfläche des Saphir-Substrats 101 betrug die Anzahl der (0.0.0.2.)-Kristallflächen der hexagonalen BP-Schicht 102, die in einem der Länge der c-Achse entsprechenden Abstand angeordnet waren, 6, d. h. der erfindungsgemäß definierte Wert von n betrug 6. Ferner waren bei Betrachtung gemäß Querschnitt-TEM-Technik und Elektronenbeugung kaum Zwillinge in der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 erkennbar. Außerdem waren im Bereich im Innern der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 in einem Abstand von etwa 30 nm über der Grenzfläche mit dem Saphir-Substrat 101 praktisch keine Fehlstellen an der Anordnung der (0.0.0.2.)-Kristallflächen erkennbar. Es wurde bestätigt, dass die (0.0.0.2.)-Kristallflächen regelmäßig in gegenseitig paralleler Beziehung angeordnet waren.
Auf der Oberfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 mit den parallel in Richtung zur zunehmenden Schichtdicke angeordneten (0.0.0.2.)-Kristallflächen wurde eine hexagonale n-Typ-Wurtzit-GaN-Schicht (Schichtdicke = 1900 nm) 103, die mit Germanium (Ge) dotiert war, als Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III gezüchtet. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurde festgestellt, dass die n-Typ-GaN-Schicht 103, die unter Verwendung der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 als unterer Schicht gezüchtet worden war, eine Einkristallschicht darstellte, deren (0.0.0.1.)-Kristallfläche parallel zur (0.0.0.2.)-Kristallfläche der hexagonalen, monomeren BP-Schicht 102 angeordnet war. Im inneren Bereich der hexagonalen GaN-Schicht 103 wurden kaum Zwillinge und Stapelfehler festgestellt.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103 wurden in der angegebenen Reihenfolge folgende Bestandteile gestapelt: die untere Plattierungsschicht 104 (Schichtdicke = 150 nm), gebildet aus hexagonalem n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N, die lichtemittierende Schicht 105 der Mehrfachquanten-Muldenstruktur, gebildet aus 5 Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht und einer Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht bestanden, und die obere Plattierungsschicht 106 mit einer Schichtdicke von 50 nm, gebildet aus p-Typ-Al_0,10Ga_0,90N. Man erhielt den lichtemittierenden Teil mit der p-n-Übergangs-DH-Struktur. Durch weiteres Stapeln einer p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 80 nm) als Kontaktschicht 107 auf die Oberfläche der oberen, vorerwähnten Plattierungsschicht 106 wurde die Bildung der Stapelstruktur 100 beendet.
Im Bereich eines Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde die Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 aus Gold (Au)-Nickeloxid (NiO)-Legierung gebildet. Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht 103 gebildet, die freigelegt wurde, indem Schichten, wie die untere Plattierungsschicht 104 und die lichtemittierende Schicht 105 in dem Bereich, der für die Anordnung der Elektrode 109 vorgesehen war, durch Trockenätzmaßnahmen entfernt wurden. Auf diese Weise wurde die LED 1 fertiggestellt.
Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,8 cd. Da die Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III mit hervorragender Kristallinität durch Anordnung der unteren Plattierungsschicht 104 bis zur oberen Plattierungsschicht 106, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellte, und der n-Typ-GaN-Schicht 103, die mit der Ohmschen n-Typ-Elektrode 109 versehen war, auf der hexagonalen BP-Schicht 102 gebildet werden konnte, nahm die Spannung in der entgegengesetzten Richtung einen hohen Wert von über 15 V an, wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde. Ferner ergaben sich aufgrund der feinen Kristallinität der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III praktisch keine lokalen Durchschlagserscheinungen in der hergestellten LED 1.
Beispiel 8
Nachstehend wird die Erfindung speziell unter Bezugnahme auf ein Beispiel erläutert, das den Fall der Konfiguration eines LED-Verbindungshalbleiter-Bauelements betrifft, das auf der hexagonalen monomeren BP-Schicht, die mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche von Saphir verbunden ist, unter Anbringung von Ohmschen Elektroden angeordnet ist.
21 zeigt in schematischer Weise die planare Struktur der LED 1, auf die sich das Beispiel 8 bezieht. 22 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie XXII-XXII von 21.
Die zur Herstellung der LED 1 vorgesehene Stapelstruktur 100 wurde unter Verwendung des Saphir-Substrats 101 (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als A-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet. Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)- Kristallfläche des Substrats 101 wurde eine undotierte hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht (Schichtdicke = 2000 nm) mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche bei 750°C unter Anwendung eines üblichen MOCVD-Verfahrens gebildet. Die Trägerkonzentration der n-Typ-BP-Schicht 102 wurde zu 2 × 10¹⁹ cm^–3 bestimmt.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen BP-Schicht 102 wurde eine undotierte, hexagonale n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 1200 nm) 103 gezüchtet. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurde festgestellt, dass Zwillinge und Stapelfehler in der hexagonalen BP-Schicht 102 in einer geringen Dichte von weniger als 1 × 10⁴ cm^–2 enthalten waren. Da die hexagonale GaN-Schicht 103 an die hexagonale BP-Schicht 102 mit hervorragender Kristallinität gebunden war, wurden Zwillinge und Stapelfehler in der hexagonalen GaN-Schicht 103 kaum festgestellt.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht 103 wurden folgende Bestandteile in der angegebenen Reihenfolge gestapelt: die untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 280 nm) 104, gebildet aus hexagonalem n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N, die lichtemittierende Schicht 105 mit Mehrfachquanten-Muldenstruktur, gebildet aus 5 Zyklen von jeweils einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht (Schichtdicke = 3 nm)/Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht (Schichtdicke = 8 nm) und die obere Plattierungsschicht 106 mit einer Schichtdicke von 85 nm, gebildet aus p-Typ-Al_0,10Ga_0,90N. Man erhielt eine lichtemittierende Schicht der p-n-Übergangs-DH-Struktur. Durch weiteres Stapeln einer p-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 80 nm) als Kontaktschicht 107 auf die Oberfläche der vorerwähnten oberen Plattierungsschicht 106 wurde die Bildung der Stapelstruktur 100 beendet.
Im Bereich eines Teils der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 107 wurde die Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 aus einer Gold (Au)-Nickeloxid (NiO)-Legierung gebildet.
Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der Oberfläche der hexagonalen n-Typ-BP-Schicht 102 gebildet, die freigelegt worden war, indem die Schichten 103 bis 107, die auf der hexagonalen n-Typ-BP-Schicht 102 vorlagen, in dem für die Anordnung der Ohmschen n-Typ-Elektrode 109 vorgesehenen Bereich durch Trockenätzmaßnahmen entfernt wurden. Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde aus einer Gold (Au)-Germanium (Ge)-Legierungsschicht (Legierung aus 90 Gew.-% Au und 10 Gew.-% Ge) unter Anwendung eines üblichen Vakuumabscheidungsverfahrens gebildet.
Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die durchschnittliche Wellenlänge des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,6 cd. Da die Halbleiterschichten 104 bis 106 aus dem Nitrid der Gruppe III und die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur darstellten, auf der hexagonalen BP-Schicht 102 von hervorragender Kristallinität angeordnet waren, nahm die Spannung in der entgegengesetzten Richtung (wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA) festgelegt wurde) einen hohen Wert von über 15 V an. Ferner konnte kaum ein lokaler Durchschlag festgestellt werden.
Beispiel 9
Nachstehend wird die Erfindung speziell unter Bezugnahme auf ein Beispiel erläutert, das den Fall der Konfiguration einer Verbindungshalbleiter-LED unter Anordnung von Ohmschen n-Typ- und p-Typ-Elektroden auf einer hexagonalen, monomeren n-Typ- und p-Typ-BP-Schicht betrifft.
23 zeigt schematisch die planare Struktur einer LED 2, auf die sich das Beispiel 9 bezieht. 24 zeigt einen schematischen Querschnitt zur Darstellung der LED 2 entlang der gestrichelten Linie XXIV-XXIV von 23.
Eine zur Herstellung der LED 2 vorgesehene Stapelstruktur 200 wurde gemäß den Angaben im vorstehenden Beispiel 8 auf einen Saphir (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als A-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet, wobei der Saphir als Substrat 201 diente. Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Substrats 201 wurde eine undotierte, hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht (Schichtdicke = 2000 nm) 202 mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche bei 750°C unter Anwendung des üblichen MOCVD-Verfahrens auf die gleiche Weise wie im vorstehenden Beispiel 8 gebildet. Die Trägerkonzentration der n-Typ-BP-Schicht 202 betrug 2 × 10¹⁹ cm^–3. Durch Analyse unter Verwendung eines üblichen TEM wurde festgestellt, dass Zwillinge und Stapelfehler in der hexagonalen BP-Schicht 202 in einer geringen Dichte von weniger als 1 × 10⁴ cm^–2 enthalten waren.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen BP-Schicht 202 wurden in der angegebenen Reihenfolge folgende Bestandteile gestapelt: eine undotierte, hexagonale n-Typ-GaN-Schicht (Schichtdicke = 1200 nm) 203, eine untere Plattierungsschicht (Schichtdicke = 280 nm) 204 aus einem hexagonalen n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche, eine lichtemittierende Schicht 205 mit Mehrfachquanten-Muldenstruktur, gebildet aus 5 Zyklen, die jeweils aus einer Ga_0,85In_0,15N-Muldenschicht (Schichtdicke = 3 nm)/Al_0,01Ga_0,99N-Sperrschicht (Schichtdicke = 8 nm) bestanden, und eine obere Plattierungsschicht 206 mit einer Schichtdicke von 85 nm, gebildet aus einem p-Typ-Al_0,10Ga_0,90N. Der Stapelvorgang erfolgte gemäß dem vorstehenden Beispiel 8. Man erhielt den lichtemittierenden Teil mit p-n-Übergangs-DH-Struktur.
Auf der Oberfläche der hexagonalen oberen, n-Typ-Plattierungsschicht 206 mit der (1.1-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche wurde eine hexagonale, undotierte, monomere p-Typ-BP-Schicht (Schichtdicke = 200 nm) als eine Kontaktschicht 207 abgeschieden. Durch übliche Querschnitt-TEM-Betrachtung wurden Defekte der Ebene, wie Zwillinge und Stapelfehler sowie Dislokationen, in der hexagonalen, undotierten, monomeren BP-Schicht, die die Kontaktschicht 207 darstellte, kaum festgestellt.
Im zentralen Teil der Oberfläche der vorerwähnten p-Typ-Kontaktschicht 207 wurde eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 208 aus einer Gold (Au)-Zink (Zn)-Legierung (Legierung aus 95 Gew.-% Au und 5 Gew.-% Zn) mit einer kreisförmigen planaren Gestalt gebildet.
Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 209 mit einer in der Draufsicht kreisförmigen Gestalt wurde auf der Oberfläche der hexagonalen n-Typ-BP-Schicht 202 gebildet, die durch Entfernen der einzelnen Schichten 203 bis 207 über der hexagonalen n-Typ-BP-Schicht 202 in dem Bereich, der für die Anordnung der Ohmschen n-Typ-Elektrode 209 vorgesehen war, durch Trockenätzmaßnahmen freigelegt worden war. Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 209 wurde mit einer Gold (Au)-Germanium (Ge)-Legierungsschicht (Legierung aus 90 Gew.-% Au und 10 Gew.-% Ge) durch ein übliches Vakuumabscheidungsverfahren gebildet.
Die hexagonalen, monomeren BP-Schichten 207 und 202 wurden auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 208 und 209, die an den monomeren BP-Schichten 207 bzw. 202 angeordnet waren, fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des aus der LED 2 emittierten Lichts betrug etwa 460 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,6 cd. Da die Halbleiterschichten 204 bis 206 aus dem Nitrid der Gruppe III und die Ohmschen Elektroden 208 und 209, die den lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur bildeten, auf den hexagonalen BP-Schichten 202 und 207 von hervorragender Kristallinität angeordnet waren, nahm die Spannung in der entgegengesetzten Richtung (wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde) einen hohen Wert von mehr als 18 V an. Ferner wurde kaum ein lokaler Durchschlag festgestellt.
Beispiel 10
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert, das den Fall der Konfiguration eines GaN-basierten FET unter Anordnung eines Schottky-Gates auf hexagonalen, monomeren n-Typ-BP-Schichten von hohem Widerstand und von Ohmschen Source- und Drain-Kontaktelektroden betrifft.
25 zeigt schematisch die Querschnittstruktur eines GaN-basierten FET 3, auf den sich dieses Beispiel 10 bezieht.
Die zur Herstellung des FET 3 vorgesehene Stapelstruktur 300 wurde wie im vorhergehenden Beispiel 8 auf einem Saphir (α-Aluminiumoxid-Einkristall) mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche (üblicherweise als A-Ebene bezeichnet) als Oberfläche gebildet, wobei der Saphir als Substrat 301 diente. Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche des Substrats 301 wurde eine undotierte, monomere BP-Schicht (Schichtdicke = 720 nm) 303 von hohem Widerstand bei 1050°C unter Anwendung eines üblichen MOCVD-Verfahrens gebildet. Die Trägerkonzentration der BP-Schicht 303 von hohem Widerstand lag unter 1 × 10¹⁷ cm^–3. Durch Analyse unter Verendung eines üblichen TEM wurde festgestellt, dass Zwillinge und Stapelfehler in der BP-Schicht 303 in einer geringen Menge von weniger als 1 × 10⁴ cm^–2 enthalten waren.
Auf der Oberfläche der BP-Schicht 303 von hohem Widerstand wurden in der angegebenen Reihenfolge folgende Bestandteile gestapelt: eine Elektronentransportschicht 304, gebildet aus einer undotierten, hexagonalen GaN-Schicht (Schichtdicke = 48 nm) und eine Elektronenzufuhrschicht 305 (Schichtdicke = 28 nm) mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aus einem hexagonalen n-Typ-Al_0,25Ga_0,75N. Die Elektronentransportschicht 304 und die Elektronenzufuhrschicht 305 wurden beide durch das MOCVD-Verfahren gebildet.
Auf der Oberfläche der hexagonalen n-Typ-Elektronenzufuhrschicht 305 mit der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche wurde eine Schottky-Kontaktbildungsschicht 310, die für die Anordnung einer Gate-Elektrode 307 vorgesehen war, unter Bindung angeordnet. Die Schottky-Kontaktbildungsschicht 310 wurde aus einem hexagonalen, monomeren BP von hohem Widerstand mit einer Schichtdicke von 12 nm und einer Trägerkonzentration von weniger als 5 × 10¹⁶ cm^–3 gebildet. Nach Bildung der Schottky-Kontaktbildungsschicht 310 ließ man die Schottky-Kontaktbildungsschicht 310 ausschließlich in der in der Draufsicht zentralen Region bestehen, die für die Bildung der Schottky-Gate-Elektrode 307 vorgesehen war. Die im restlichen Bereich vorhandene Schottky-Kontaktelektroden-Bildungsschicht wurde durch übliche Ätzmaßnahmen entfernt.
Anschließend wurde eine hexagonale, monomere n-Typ-BP-Schicht (Schichtdicke = 100 nm und Trägerkonzentration = 2 × 10¹⁹ cm^–3) als Kontaktschicht 306 so aufgebracht, dass die gesamten Oberflächen sowohl der Schottky-Kontaktbildungselektrode 310 als auch die in der Umgebung davon freiliegende Elektronenzufuhrschicht 305 bedeckt wurden. Durch übliche Querschnitt-TEM-Betrachtung wurden Defekte der Ebene, wie Zwillinge und Stapelfehler sowie Dislokationen, in der hexagonalen, monomeren BP-Schicht, die die Kontaktschicht 306 darstellte, kaum festgestellt.
Anschließend wurde zur Anordnung der Gate-Elektrode 307 die Kontaktschicht 306, die aus einer hexagonalen n-Typ-BP-Schicht gebildet war und die Schottky-Kontaktbildungsschicht 310 bedeckte, durch übliche Ätzmaßnahmen entfernt. Auf der Oberfläche der Schottky-Kontaktbildungsschicht 310 eines vertieften Teils 330, der durch Entfernen der Kontaktschicht 306 freigelegt worden war, wurde das Schottky-Gate 307 aus Titan (Ti) durch übliche Elektronenstrahl-Abscheidung angeordnet.
Anschließend wurde auf der Oberfläche von einem der zwei getrennten Teile der hexagonalen BP-Schicht, die gemeinsam die Kontaktschicht 306 darstellten und jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten quer zum Gate 307 vorlagen, eine Ohmsche Kontakt-Source-Elektrode 308 gebildet. Sodann wurde auf der Oberfläche der Kontaktschicht 306, die auf dem restlichen, getrennten Teil der hexagonalen BP-Schicht an einer gegenüberliegenden Position quer zum Gate 307 vorlag, eine Drain-Elektrode 309 angeordnet, um die Herstellung des GaN-basierten FET 3 zu beenden. Die Ohmschen Elektroden, die die Source-Elektrode 308 und die Drain-Elektrode 309 darstellten, wurden als eine Gold (Au)-Germanium (Ge)-Legierungsschicht (Legierung aus 95 Gew.-% Au und 5 Gew.-% Ge) durch ein übliches Vakuumabscheidungsverfahren gebildet.
Da die Ohmschen Elektroden, d. h. die Source-Elektrode 308 und die Drain-Elektrode 309, beide auf der Kontaktschicht 306, die aus hexagonalem monomerem BP gebildet war und Zwillinge und Stapelfehler nur in geringen Mengen enthielt, konnte der Nachteil, dass der Drain-Strom in Kurzschlussstruktur und in einem konzentrierten Zustand zwischen dem Bereich eines Teils der Source-Elektrode, die im Bereich mit einem Gehalt an Kristalldefekten in hoher Dichte angeordnet war, und dem Bereich der Drain-Elektrode, die entgegengesetzt angeordnet war, floss, überwunden werden konnte. Somit konnte der FET 3 besondere Leistungsmerkmale insofern aufweisen, als er es ermöglicht, dass der elektrische Bauelement-Betriebsstrom mit gleichmäßiger Stromdichte zur Elektronentransportschicht 304 fließt.
Da ferner das Schottky-Gate 307 eng an der Schottky-Kontaktbildungsschicht 310, die kaum Zwillinge und Stapelfehler enthielt und auf einer hexagonalen monomeren BP-Schicht von hohem Widerstand gebildet war, angeordnet war, konnte der GaN-basierte FET 3, der mit dem Gate 307 ausgestattet war, das nur einen unbedeutenden Leckstrom aufwies und eine hohe Durchschlagspannung zeigte, hergestellt werden.
Beispiel 11
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels für den Fall der Konfiguration eines LED-Verbindungshalbleiters, der mit einer hexagonalen, monomeren BP-Schicht als unterer Plattierungsschicht ausgestattet ist, näher erläutert.
26 ist ein schematischer Grundriss zur Darstellung der in diesem Beispiel 11 beschriebenen Verbindungshalbleiter-LED 1. 27 ist ein schematischer Querschnitt zur Darstellung der LED 1 entlang der gestrichelten Linie XXVII-XXVII von 26.
Die für die LED 1 zu verwendende Stapelstruktur 100 wurde unter Verwendung eines Saphirs (α-Al₂O₃-Einkristall) als Substrat 101 gebildet. Auf der Oberfläche der (1.-1.0.2)-Kristallfläche (R-Kristallfläche) des Substrats 101 wurde eine n-Typ-GaN-Schicht 103 mit einer Schichtdicke von etwa 8 μm und einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche durch ein übliches Vakuum-MOCVD-Verfahren gebildet.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der n-Typ-GaN-Schicht 103 wurde eine Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen, undotierten, monomeren BP als unterer Plattierungsschicht 104 bei 750°C durch ein übliches MOCVD-Verfahren bei atmosphärischem Druck (ungefähr atmosphärischer Druck) gebildet. Die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die die untere Plattierungsschicht darstellte, wies eine Schichtdicke von etwa 290 nm auf und besaß eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche. Anschließend wurde festgestellt, dass der Leitungstyp dieser Schicht vom n-Typ war und die Trägerkonzentration, die durch ein übliches Elektrolyt-C-V-Verfahren festgestellt wurde, etwa 2 × 10¹⁹ cm³ betrug. Ferner wurde durch übliche TEM-Analyse gezeigt, dass die in der unteren GaN-Schicht 103 enthaltenen Dislokationen an einer Ausbreitung durch die Grenzfläche mit der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die als untere Plattierungsschicht 104 diente, gehindert wurden.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der BP-Schicht, die die untere Plattierungsschicht 104 bildete, wurde eine lichtemittierende Schicht 105 mit einer Mehrfachquanten-Muldenstruktur gebildet, die sich durch Stapeln von 5 Zyklen, die jeweils aus zwei Schichten, d. h. einer n-Typ-Ga_0,88In_0,12N-Schicht als Muldenschicht und einer n-Typ-GaN-Schicht als Pufferschicht bestanden, angeordnet. In der Ga_0,88In_0,12N-Muldenschicht, die die Mehrfachquanten-Muldenstruktur annahm, wurde aufgrund der Tatsache, dass die Ga_0,88In_0,12N-Muldenschicht, die an die untere Plattierungsschicht 104 einer hexagonalen BP-Schicht gebunden war, so angeordnet war, dass sie die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche aufwies, festgestellt, dass diese Muldenschicht eine hexagonale Einkristallschicht von hervorragender Kristallinität darstellte. Durch übliche TEM-Analyse wurden Zwillinge in der mit der Oberfläche der unteren Plattierungsschicht 104 verbundenen Muldenschicht nur kaum festgestellt.
Aufgrund der feinen Kristallinität der Muldenschicht, die über die (1.1.-2.0.)-Kristallfläche mit der Oberfläche der unteren Plattierungsschicht 104 verbunden war, waren sowohl die GaN-Sperrschicht als auch die Ga_0,88In_0,12N-Muldenschicht, die noch höhere Schichten darstellten, dazu in der Lage, zu bewirken, dass die hexagonalen Einkristallschichten kaum Zwillinge aufwiesen und eine hervorragende Kristallinität zeigten. Ferner erwiesen sich sowohl die Muldenschicht als auch die Sperrschicht, die die lichtemittierende Schicht 105 der Mehrfachquanten-Muldenstruktur bildeten, als hexagonale Einkristallschichten, deren (1.1.-2.0.)-Kristallflächen parallel zur (1.1.-2.0.)-Kristallfläche, die die Oberfläche der unteren Plattierungsschicht 104 bildete, angeordnet waren.
Auf der (1.1.-2.0.)-Oberfläche der n-Typ-GaN-Schicht, die die äußerste Oberfläche der lichtemittierenden Schicht der Mehrfachquanten-Muldenstruktur darstellte, die aus der Halbleiterschicht aus hexagonalem Nitrid der Gruppe III mit einem Gehalt an Kristalldefekten nur in geringen Mengen durch Anordnung der hexagonalen BP-Schicht als untere Schicht gebildet werden konnte, wurde eine n-Typ-Al_0,15Ga_0,85N-Schicht als obere Plattierungsschicht 106 bei 1080°C durch ein übliches Vakuum-MOCVD-Verfahren angeordnet. Die obere Plattierungsschicht 106 wurde aus einer hexagonalen Al_0,15Ga_0,85N-Schicht mit einer Trägerkonzentration von etwa 4 × 10¹⁷ cm^–3 und einer Schichtdicke von etwa 90 nm gebildet. Somit war der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur aus der BP-Schicht, die die vorerwähnte untere Plattierungsschicht 104 darstellte, der lichtemittierenden Schicht 105 und der oberen Plattierungsschicht 106 zusammengesetzt.
Auf der Oberfläche der (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der Al_0,15Ga_0,85N-Schicht, die die obere Plattierungsschicht 106 darstellte, wurde eine p-Typ-GaN-Schicht als Kontaktschicht 107 bei 1050°C durch ein übliches Vakuum-MOCVD-Verfahren angeordnet. Die Kontaktschicht 107 wurde aus einer hexagonalen GaN-Schicht mit einer Trägerkonzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 und einer Schichtdicke von etwa 80 nm gebildet.
Anschließend wurde die Kontaktschicht 107 aus der p-Typ-GaN-Schicht als oberste Oberflächenschicht angeordnet, um die Bildung der Stapelstruktur 100 fertigzustellen. Eine Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 wurde an einem Rand der Oberfläche der Kontaktschicht 107 gebildet. Die Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 bestand aus Gold und Nickeloxid. Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde auf der unteren Plattierungsschicht 104, die die hexagonale Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellte und unter Anwendung eines üblichen Trockenätzverfahrens freigelegt worden war, angeordnet. Die Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 bestand aus einer Gold-Germanium-Legierung.
Die LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des von der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 450 nm. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips betrug etwa 1,2 cd. Die Spannung in Vorwärtsrichtung betrug etwa 3,5 V, wenn der in Vorwärtsrichtung fließende Strom auf 20 mA festgelegt wurde. Aufgrund der feinen Kristallinität der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalen Borphosphid, die die untere Plattierungsschicht 104 darstellte, der lichtemittierenden Schicht 105 und der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die die obere Plattierungsschicht 106 darstellte, aus denen der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur zusammengesetzt war, konnte die Spannung in entgegengesetzter Richtung einen hohen Wert von über 10 V erreichen, wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde. Da ferner die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die die untere Plattierungsschicht 104 bildete, die Ausbreitung von Dislokationen von der n-Typ-GaN-Schicht 103 zum lichtemittierenden Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur hemmte, wurde ein lokaler Durchschlag in der erhaltenen LED kaum festgestellt.
Beispiel 12
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben, das den Fall der Konfiguration einer LED betrifft, die mit einem lichtemittierenden Teil ausgestattet ist, das eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid aufweist, die aus einer oberen und einer unteren Plattierungsschicht unter Einschluss einer lichtemittierenden Schicht gebildet ist.
28 zeigt schematisch den Querschnitt der in diesem Beispiel 12 beschriebenen LED. Die Bestandteile, die denen in den 26 und 27 entsprechen, sind in 28 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Auf der Oberfläche eines Saphir-Substrats 101 wurden in der angegebenen Reihenfolge folgende Bestandteile wie beim vorhergehenden Beispiel 11 gestapelt: eine hexagonale n-Typ-GaN-Schicht 103, eine untere Plattierungsschicht 104, gebildet aus einer hexagonalen, monomeren n-Typ-BP-Schicht und eine lichtemittierende Schicht 105 mit einer Mehrfachquanten-Muldenstruktur. Da die lichtemittierende Schicht 105 die untere Plattierungsschicht 104, die aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid gebildet war, als untere Schicht aufwies, war sie letztlich aus einer hexagonalen GaInN-Muldenschicht zusammengesetzt, die Kristalldefekte, wie Zwillinge, nur in geringen Mengen enthielt, sowie aus einer GaN-Sperrschicht.
Anschließend wurde auf der Sperrschicht, die aus einer hexagonalen n-Typ-GaN-Schicht, die die oberste Oberflächenschicht der lichtemittierenden Schicht darstellte, bestand, eine Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem p-Typ-Borphosphid als obere Plattierungsschicht 106 durch ein übliches MOCVD-Verfahren angeordnet. Diese obere Plattierungsschicht 106 bestand aus einer undotierten, hexagonalen, monomeren p-Typ-BP-Schicht. Die obere Plattierungsschicht 106 wies eine Schichtdicke von etwa 250 nm und eine Trägerkonzentration von etwa 2 × 10¹⁹ cm^–3 auf. Anschließend wurde die Oberfläche der oberen Plattierungsschicht 106 mit der Oberfläche der Sperrschicht, die eine untere Schicht darstellte und aus hexagonalem GaN gebildet war, aus einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche gebildet.
Da die hexagonale p-Typ-BP-Schicht, die die obere Plattierungsschicht 106 darstellte, eine verbotene Bandbreite von mehr als etwa 3,1 eV aufwies, wurde die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus hexagonalem BP als obere Plattierungsschicht 106 verwendet und zum Zusammensetzen des lichtemittierenden Teils einer p-n-Übergangs-DH-Struktur zusammen mit der Halbleiterschicht 103 auf der Basis von n-Typ-Borphosphid und der lichtemittierenden Schicht 105 verwendet.
Da die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zur Bildung der oberen Plattierungsschicht 106, die eine hohe Trägerkonzentration aufwies, verwendet wurde, wurde die Herstellung der Stapelstruktur 100 zur Verwendung in der LED 1 beendet, ohne dass versucht wurde, auf der oberen Plattierungsschicht 106 eine Kontaktschicht zu bilden, die dazu vorgesehen war, die Abscheidung einer Ohmschen p-Typ-Elektrode 108 zu ermöglichen, was im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel 11 steht.
Die Ohmsche p-Typ-Elektrode 108 wurde gemäß Darstellung in 28 direkt auf die Oberfläche einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem p-Typ-Borphosphid angeordnet. Eine Ohmsche n-Typ-Elektrode 109 wurde gemäß der Beschreibung im vorhergehenden Beispiel 11 auf der Oberfläche der unteren Plattierungsschicht 104, die aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem n-Typ-Borphosphid gebildet worden war, angeordnet, wobei diese Schicht unter Anwendung eines üblichen Trockenätzverfahrens freigelegt worden war. Man erhielt die LED 1.
Diese LED 1 wurde auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften getestet, indem man einen elektrischen Bauelement-Betriebsstrom von 20 mA in Vorwärtsrichtung zwischen den Ohmschen p-Typ- und n-Typ-Elektroden 108 und 109 fließen ließ. Die Hauptwellenlänge des aus der LED 1 emittierten Lichts betrug etwa 450 nm. Die von der LED 1 erzeugte Spannung in Vorwärtsrichtung bei Festlegen des Stroms in Vorwärtsrichtung auf 20 mA betrug 3,3 V, was geringer war als bei der LED im vorstehenden Beispiel 11, und zwar aufgrund der Tatsache, dass die obere Plattierungsschicht 106 aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid eine höhere Trägerkonzentration und eine hervorragende Leitfähigkeit aufwies. Die Emissionsleuchtdichte im Zustand eines Chips nahm einen hohen Wert von etwa 1,8 cd an, da sowohl die obere Plattierungsschicht als auch die untere Plattierungsschicht aus einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid zusammengesetzt waren.
Im Hinblick auf die feine Kristallinität der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die die untere Plattierungsschicht 104 und die obere Plattierungsschicht 106 darstellte, aus denen der lichtemittierende Teil der p-n-Übergangs-DH-Struktur zusammengesetzt war, und der Halbleiterschicht aus dem Nitrid der Gruppe III, die die lichtemittierende Schicht 105 darstellte, erreichte die in entgegengesetzter Richtung erzeugte Spannung einen hohen Wert von mehr als 10 V, wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung auf 10 μA festgelegt wurde. Da ferner die Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die als die untere Plattierungsschicht 104 diente, die Ausbreitung von Dislokationen aus der n-Typ-GaN-Schicht 103 zum lichtemittierenden Teil einer p-n-Übergangs-DH-Struktur hemmte, wurde in der schließlich erhaltenen LED 1 ein lokaler Durchschlag kaum festgestellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße Verbindungshalbleiter-Bauelement ist, wie vorstehend erläutert, durch Anordnung von Elektroden auf einer Stapelkonstruktion gebildet, die mit einem hexagonalen Einkristall, einer auf der Oberfläche des Einkristalls gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer Verbindungshalbleiterschicht aus einem Verbindungshalbleiter, die auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid ausgebildet ist, versehen ist. Die Vorrichtung ermöglicht es, dass die vorerwähnte Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall auf der Oberfläche einer (1.1.-2.0.)- Kristallfläche der vorerwähnten Einkristallschicht angeordnet ist. Somit ermöglicht die Erfindung die Bildung einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringer Dichte enthält und sich durch ihre Kristallinität auszeichnet.
Somit ermöglicht die Erfindung die Herstellung einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die Kristalldefekte, wie Zwillinge und Stapelfehler, nur in geringer Dichte enthält und sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, so dass die Verwendung dieser Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit in verschiedener Hinsicht verbesserten Eigenschaften ermöglicht wird.
Ferner ermöglicht es die vorerwähnte erfindungsgemäße Konfiguration, Dünnschichten zu verwenden, die aus einem Halbleitermaterial auf der Basis von Borphosphid von hochwertiger Qualität, die Antiphasen-Grenzflächen nur in geringen Mengen enthalten, und aus einem Halbleitermaterial aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet sind. Infolgedessen wird die Bereitstellung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements mit hervorragenden optischen und elektrischen Eigenschaften ermöglicht. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Verbindungshalbleiter-Bauelements ermöglicht.
Außerdem ermöglicht die Erfindung gemäß der vorerwähnten Konfiguration die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements, das mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid versehen ist, die dazu befähigt ist, die Leckage eines elektrischen Bauelement-Betriebsstroms zu verringern, den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung eines lichtemittierenden Bauelements zu erhöhen, ferner die Spannung in entgegengesetzter Richtung zu erhöhen, eine hohe Durchschlagsspannung zu einer Gate-Elektrode für einen Feldeffekttransistor zu verleihen und die Abschnüreigenschaften des Drain-Stroms zu verbessern.
Die Erfindung gemäß der vorerwähnten Konfiguration ermöglicht die Bildung einer Plattierungsschicht, die den lichtemittierenden Teil einer DH-Struktur darstellt, mit einer Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid, die Kristalldefekte nur in geringen Mengen enthält und eine hervorragende Qualität aufweist, und erlaubt die Bereitstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit wesentlich verbesserten lichtemittierenden Eigenschaften.
Ferner kommt es gemäß der vorerwähnten Konfiguration der Erfindung in Betracht, eine hexagonale Einkristallschicht mit einem Nitrid der Gruppe III als Halbleiter zu bilden und ein erstes Stapelbauteil, das aus einem Halbleiter aus einem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche und einer Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die in Bindung mit der Oberfläche des Halbleiters aus dem Nitrid der Gruppe III angeordnet ist, bereitzustellen. Infolgedessen werden Dislokationen, die im Halbleiter aus dem Nitrid der Gruppe III enthalten sind, an einer Ausbreitung durch die Grenzfläche des Stapelstrukturteils in Richtung zur Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid verhindert. Ferner kommt es in Betracht, ein zweites Stapelstrukturteil bereitzustellen, indem man den Halbleiter aus dem hexagonalen Nitrid der Gruppe III mit der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Basis von hexagonalem Borphosphid, die den vorerwähnten ersten Strukturteil darstellt, verbindet. Aufgrund der Bereitstellung des zweiten Stapelstrukturteils wird die Herstellung eines Halbleiters aus einem Nitrid der Gruppe III, der Kristalldefekte, wie eindringende Dislokationen nur in verringerter Dichte enthält, ermöglicht. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, eine Stapelstruktur zu erzeugen, die mit einer Halbleiterschicht versehen ist, die sich durch ihre Kristallinität auszeichnet, selbst wenn sie auf einem Substrat mit einer Halbleiterschicht aus einem Nitrid der Gruppe III, die Kristalldefekte in großen Mengen enthält, versehen ist. Infolgedessen wird die Bereitstellung eines Verbindungshalbleiter-Bauelements mit verbesserten Eigenschaften ermöglicht.
Zusammenfassung
Ein Verbindungshalbleiter-Bauelement (1) umfasst einen Verbindungshalbleiter mit einer Stapelstruktur (100) aus einer hexagonalen Einkristallschicht (101), einer auf der Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht gebildeten Halbleiterschicht (102) auf der Basis von Borphosphid und einer auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordneten Verbindungshalbleiterschicht (103) sowie Elektroden (108, 109) die auf der Stapelstruktur angeordnet sind, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall gebildet ist, der auf einer Oberfläche einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche der hexagonalen Einkristallschicht angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Crystal Electron Microscopy, Hiroyasu Saka, Herausgeber Uchida Rokakuho Co., Ltd., 25. November 1997, erste Auflage, S. 64–65 [0012]
- Y. Abe et al., Journal of Crystal Growth (Holland), Bd. 283 (2005), S. 41–47 [0012]
- "Crystal Electron Microscopy", Hiroyasu Saka Hrsg. Uchida Rokakuho, 25. November 1997, 1. Auflg., S. 3–7 [0080]
- R. Braian PAMPLIN Hrsg., "CRYSTAL GROWTH", 1975, Pergamon Press Ltd. [0082]
- "Crystal Electron Microscopy for Material Research Worker", Hiroyasu Saka, Hrsg. Uchida Rokakuho, 25. November 1997, 1. Aufig., S. 3 bis 7 [0097]
- T. Odagawa et al., Phys. Stat. Sol., Bd. 0 (7) (2003), S. 2027 [0113]
- "Bands and Bonds in Semiconductors" (Physics Series 38), J. C. Phillips, Hrsg. Yoshioka Shoten K. K., 25. Juli 1985, 3. Auflg., S. 51 [0174]
- "Bands and Bonds in Semiconductors" a. a. O., S. 51 [0174]

Claims

Verbindungshalbleiter-Bauelement, umfassend: einen Verbindungshalbleiter mit einer Stapelstruktur aus einer hexagonalen Einkristallschicht, einer auf einer Oberfläche der hexagonalen Einkristallschicht gebildeten Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und einer Verbindungshalbleiterschicht, die auf der Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid angeordnet ist; und Elektroden, die auf der Stapelstruktur angeordnet sind; wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen Kristall gebildet ist, der auf einer aus einer (1.1.-2.0)-Kristallfläche der hexagonalen Einkristallschicht gebildeten Oberfläche angeordnet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, wobei die hexagonale Einkristallschicht aus einem α-Aluminiumoxid-Einkristall gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, wobei die hexagonale Einkristallschicht aus einem hexagonalen Halbleiter aus einem Nitrid der Gruppe III gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem Kristall mit einer (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem Kristall mit einer (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Oberfläche gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid einen Innenraum aufweist, in dem (0.0.0.1.)-Kristallflächen im Wesentlichen parallel zu ihrer Dicke angeordnet sind und in dem ein Abstand von "n" kontinuierlichen (0.0.0.2.)-Kristallflächen davon im wesentlichen einer Länge einer c-Achse der Einzelkristallschicht entspricht, wobei "n" eine positive ganze Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr bedeutet.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 6, wobei "n" einen Wert von 6 oder weniger hat.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verbindungshalbleiterschicht aus einem hexagonalen Halbleitermaterial gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht über eine (1.1.-2.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid und die Verbindungshalbleiterschicht über eine (1.0.-1.0.)-Kristallfläche als Grenzfläche verbunden sind.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine (0.0.0.1)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, und eine (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, parallel zur Stapelrichtung des Verbindungshalbleiters angeordnet sind.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid keine Antiphasen-Korngrenzfläche enthält.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Elektroden so angeordnet sind, dass ein Bauelement-Betriebsstrom in einer Richtung im Wesentlichen parallel sowohl zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, fließen kann.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Elektroden so angeordnet sind, dass ein Bauelement-Betriebsstrom in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht sowohl zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid darstellt, als auch zu einer (0.0.0.1.)-Kristallfläche, die die Verbindungshalbleiterschicht darstellt, fließen kann.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Halbleiterschicht auf der Basis von Borphosphid aus einem hexagonalen, monomeren Borphosphid gebildet ist.
Verbindungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 14, wobei das hexagonale, monomere Borphosphid eine c-Achse mit einer Länge im Bereich von 0,52 nm oder mehr und 0,53 nm oder weniger aufweist.