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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zinkoxiddünnfilm vom
p-Typ und ein Verfahren zur Herstellung desselben, insbesondere
einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ, der in der Basistechnik
zur Verwendung von Zinkoxid zur Herstellung von lichtemittierenden
Elementen in Bezug auf Licht mit Wellenlängen von Blau über
das UV-Spektrum erforderlich ist.
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Als
alternatives Material zu Galliumnitrid, das gegenwärtig
in großem Umfang als Material für lichtemittierende
Elemente von Blau bis zum UV-Bereich verwendet wird, hat Zinkoxid
die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Zinkoxid stellt eine reichlich
vorhandene billige Ressource auf der Erde da und ist darüber
hinaus so unschädlich, dass es sogar in Kosmetikprodukten
verwendet werden kann. Im Gegensatz zu Galliumnitrid besitzt Zinkoxid
den Vorteil einer raschen Synthese, so dass monokristalline Wafer
erhalten und auch Filme einer uniaxialen Kristallorientierung auf
Glassubstraten ausgebildet werden können. Zinkoxid ist
ferner zu einem stabileren Lasing als Galliumnitrid in der Lage.
Auf der Basis dieser Vorteile kann die Fähigkeit zur Erzeugung ei nes
lichtemittierenden Elementes mit Zinkoxid dazu führen,
dass Energie gespart werden kann, Ressourcen konserviert werden
können und eine weitere Expansion von verwandten Industriebereichen
erzielt werden kann.
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Die
Forschung zur Umwandlung von Zinkoxiddünnfilmen in Halbleiter
vom p-Typ hat sich zuerst der Verbesserung der Kristallinität
von Dünnfilmen zugewandt (Patentdokumente 1–3,
Literaturdokument 1). Es wurden dann Versuche durchgeführt,
um eine p-Typ-Umwandlung durch Zugabe von Verunreinigungen, die als
Akzeptoren dienten, zu erreichen (Patentdokument 4, Literaturdokument
2). In dieser Technik wurden bei herkömmlichen Siliciumhalbleitern
und Verbundhalbleitern große Erfolge erzielt. Nahezu die
gesamte Forschung und Entwicklung in Bezug auf die p-Typ-Umwandlung
von Zinkoxiddünnfilmen verfolgte daher diesen Weg. Augenscheinlich
gibt es jedoch keine Beispiele, die deutlich elektrische Halbleitereigenschaften
vom p-Typ auf Basis der Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung
zeigen, wenn beispielsweise der Hall-Effekt unter Verwendung eines
Hall-Stabes bestimmt wird. Es ist daher tatsächlich extrem
schwierig, einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ mit guter Reproduzierbarkeit
herzustellen.
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Verfahren
auf der Basis einer gleichzeitigen Dotierung mit Dotiermitteln vom
p-Typ und vom n-Typ stellen einen anderen Versuch in Bezug auf eine
p-Typ-Umwandlung von Zinkoxid dar. Stickstoff wird als wünschenswertes
Dotiermittel für eine p-Typ-Umwandlung angesehen, um Akzeptor-Niveaus
an flachen Stellen im Zinkoxid zu erzeugen. Es ist jedoch schwierig,
Zinkoxid mit Stickstoff zu dotieren. Darüber hinaus besitzen nur
mit Stickstoff dotierte Filme einen hohen spezifischen elektrischen
Widerstand von 100 Ω·cm oder mehr, so dass sie
unpraktisch sind.
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Im
Gegensatz dazu wurde berichtet, dass ein Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ mit einer hohen Stickstoffkonzentration und einem spezifischen
elektrischen Widerstand von nicht mehr als 100 Ω·cm
hergestellt werden kann, wenn er zur gleichen Zeit wie Stickstoff
mit Gallium, Aluminium, Bor oder Wasserstoff dotiert wird, die Dotiermittel
vom n-Typ darstellen (Patentdokument 5). Ein hierauf gerichteter
Forschungsartikel (Literaturdokument 3) hat die Aufmerksamkeit auf
sich gezogen, und es wurden weitere Untersuchungen in Bezug auf
das gleichzeitige Dotieren mit Stickstoff und einem Dotiermittel
vom n-Typ (Gallium) von diversen Gruppen durchgeführt.
Es wurde jedoch aufgezeigt, dass die Reproduzierbarkeit sehr schlecht
ist (Literaturdokument 4).
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In
vielen Berichten wurde somit ein Erfolg in Bezug auf das Erreichen
einer p-Typ-Umwandlung von Zinkoxiddünnfilmen reklamiert.
Als Beweis wurde jedoch lediglich präsentiert, dass eine
laminierte Struktur mit einem Zinkoxiddünnfilm erzeugt
wurde, wobei die Strom-Spannungs-Eigenschaften Gleichrichtungseigenschaften ähnlich
zu p-n-Übergängen ergaben (Literaturdokument 5
und 6), oder es wurden Ergebnisse in der Form von numerischen Ziffern
bei der Messung des Hall-Effektes auf Basis des van der Pauw-Verfahrens
vorgelegt (Patentdokument 6, Literaturdokument 6–8).
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Es
ist jedoch bekannt, dass die mit laminierten Strukturen erhaltenen
elektrischen Eigenschaften die Grenzflächen zwi schen Elektroden
und Halbleiterdünnfilmen oder die Grenzfläche
zwischen laminierten Halbleiterdünnfilmen auf signifikante
Weise beeinflussen. Beispielsweise ist es bekannt, dass p-n-Eigenschaften entsprechende
Gleichrichtungseigenschaften bei der Ausbildung einer Schottky-Barriere
zwischen Halbleitern und Elektroden erhalten werden. Ferner wurde
darauf hingewiesen, dass neue Grenzschichten in Folge einer Grenzflächenreaktion
zwischen Halbleiterdünnschichten ausgebildet werden können,
was in der Manifestation von elektrischen Eigenschaften vom p-Typ
resultiert (Patentdokument 7).
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Tests
zur Verdeutlichung, dass Zinkoxiddünnfilme Halbleiter vom
p-Typ sind, umfassen die Messung des Hall-Effektes, wobei eine Verifikation
durch die gleichen Verfahren imperativ ist (Literaturdokument 9).
Die Messung des Hall-Effektes schließt Messverfahren ein,
bei denen der Dünnfilm zu einem Hall-Stab verarbeitet wird,
sowie das van der Pauw-Verfahren. Bei dem van der Pauw-Verfahren
spielt die spezielle Form der Probe solange keine Rolle, wie die
Probe einfach angeschlossen wird (d. h. es sind keine Löcher
in der Probe oder keine Isolatorbereiche vorhanden). Ferner sind
Elektroden an vier Stellen an die Probe angeschlossen. Ergebnisse,
wie der Leitungstyp oder die Trägerkonzentration, können
durch Berechnungen auf der Basis der Ergebnisse von insgesamt acht
Spannungsmessungen erhalten werden.
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Das
van der Pauw-Verfahren findet somit in großem Umfang Verwendung,
um die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern auszuwerten,
da die Messungen einfach sind. Das van der Pauw-Verfahren hat sogar
in großem Umfang Anwendung ge funden, um den Hall-Effekt
zum Verifizieren einer p-Typ-Umwandlung von Zinkoxiddünnfilmen
zu messen. Dieses Verfahren erfordert jedoch das Befestigen von
Ohm'schen Elektroden mit extrem kleinen Oberflächenbereichen.
Darüber hinaus muss die Filmqualität gleichmäßig
sein. Speziell im Falle von Zinkoxiddünnfilmen neigt jedoch
die elektrische Leitfähigkeit dazu, an einigen Stellen
ungleichmäßig zu sein. Es wurde darauf hingewiesen,
dass dies der Grund dafür ist, warum Ergebnisse, die einen
Halbleiter vom p-Typ anzeigen, erhalten werden können,
obwohl es sich bei der Probe um einen Halbleiter vom n-Typ beim
van der Pauw-Verfahren handelt. Da darüber hinaus die Hall-Spannung
sehr niedrig ist, werden die Messergebnisse durch Rauschen beeinflusst
(Literaturdokument 9). Die Interpretation der mit dem van der Pauw-Verfahren
erhaltenen Ergebnisse erfordert daher beträchtliche Vorsicht.
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Ein
anderes Problem, das mit Ergebnissen verbunden ist, die durch das
van der Pauw-Verfahren erhalten wurden, betrifft die signifikanten
Unterschiede in den Ergebnissen für die Trägerkonzentration
oder Mobilität zwischen einzelnen Forschungsgruppen (Literaturdokument
9). Die Forschungsgruppe von Seong-Ju Park in Korea hat im Patentdokument
7 vom Erhalt eines Zinkoxiddünnfilmes vom p-Typ mit einer
Hall-Konzentration von 1019/cm3 berichtet,
während über eine Hall-Konzentration von 1,7 × 1019/cm3 als Ergebnis
der Messung des Hall-Effektes mit dem van der Pauw-Verfahren im
Literaturdokument 8 berichtet wurde.
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Es
ist über viele andere erfolgreiche Beispiele von Zinkoxiddünnfilmen
vom p-Typ mit einer hohen Hall-Konzentration von 1019/cm3 oder mehr berichtet worden (Patentdokumente
8 und 9 und Literaturdokumente 6 und 7). Zinkoxiddünnfilme
vom p-Typ mit einer extrem hohen Hall-Konzentration von ≤ 8 × 1021/cm3 sind auch
in den Ausführungsbeispielen von noch anderen Patentdokumenten
(Patentdokument 10) erwähnt worden. Auf der Basis von theoretischen
Berechnungen u. ä. werden jedoch die Ergebnisse, die eine
hohe Hall-Konzentration von 1019/cm3 oder mehr wiedergeben, wie diese Berichte
von Zinkoxiddünnfilmen vom p-Typ, als unrealistisch angesehen
(Literaturdokument 10).
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Diese
Probleme sind auf die Anwendung des van der Pauw-Verfahren zum Messen
des Hall-Effektes in Zinkoxiddünnfilmen zurückzuführen.
Obwohl in akademischen Institutionen, Forschungskonferenzen etc. wiederholt
darauf hingewiesen wurde, dass die Verifikation der Messung des
Hall-Effektes unter Verwendung eines Hall-Stabes für den
klaren Nachweis eines Halbleiters vom p-Typ wesentlich ist, gibt
es soweit nahezu keine Beispiele, die definitiv eine p-Typ-Umwandlung
durch Messung unter Verwendung eines Hall-Stabes beweisen. In der
Tat basieren nahezu sämtliche Ergebnisse bei der Messung
des Hall-Effektes, die anzeigen, dass es sich bei den Proben um
Halbleiter vom p-Typ handelt, auf dem van der Pauw-Verfahren. Im
Gegensatz dazu ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
zuverlässigen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ mit einer Qualität
zu schaffen, die klar anzeigt, dass es sich auf der Basis der Magnetfeldabhängigkeit
der Hall-Spannung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
eines Hall-Stabes um einen Halbleiter vom p-Typ handelt.
- Patentdokument
1: US-PS 3423896
- Patentdokument 2: JP-A-2005-108869
- Patentdokument 3: JP-A-2004-221352
- Patentdokument 4: JP-A-2005-223219
- Patentdokument 5: US-PS 3540275
- Patentdokument 6: J-A-2002-105625
- Patentdokument 7: JP-A-2005-39172
- Patentdokument 8: JP-A-2002-289918
- Patentdokument 9: JP-A-2001-48698
- Patentdokument 10: JP-A-2001-724496
- Literaturdokument 1: Y. Chef, D. M. Bagnall, H. J. Koh, K. T.
Park, K. Hiraga, Z. Zhu, T. Yao: J. Appl. Phys. 84 (1998) 3912
- Literaturdokument 2: A. Tsukazaki, A. Ohtomo, T. Onuma, M. Ohtani,
T. Makino, M. Sumiya, K. Ohtani, S. F. Chichibu, S. Fuke, Y. Segawa,
H. Ohno, H. Koinuma, M. Kawasaki: Nature Materials 4 (2005) 42
- Literaturdokument 3: T. Yamamoto, H. K. Yoshida: Jpn. J. Appl.
Phys. 38 (1999) L166
- Literaturdokument 4: K. Nakahara, H. Takasu, P. Fons, A. Yamada,
K. Iwata, K. Matsubara, R. Hunger, S. Niki: J. Cryst. Growth 237–239
(2002) 503
- Literaturdokument 5: Y. R. Ryu, T. S. Lee, J. H. Leer, H. W.
White: Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 4032
- Literaturdokument 6: M. Joseph, H. Tabata, H. Saeki, K. Ueda,
T. Kawai: Physica B 302–303 (2001) 140
- Literaturdokument 7: M. Joseph, H. Tabata, T. Kawai: Jpn. J.
Appl. Phys. 38 (1999) L 1205
- Literaturdokument 8: K. K. Kim, H. S. Kim, D. K. Hwang, J. H.
Lim, S. J. Park: Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 63
- Literaturdokument 9: D. C. Look, B. Claflin: Phys. Stat. Sol.
B 241 (2004) 624
- Literaturdokument 10: D. C. Look, D. C. Reynolds, C. W. Litton,
R. L. Jones, D. B. Eason, G. Cantwell: Appl. Phys. Lett. 81 (2002)
1830
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Angesichts
des vorhergehenden führten die Erfinder ausgedehnte Untersuchungen
vor dem Hintergrund der vorstehend beschriebenen herkömmlichen
Technik durch, um ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein zuverlässiger
Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ auf einfache Weise mit guter
Reproduzierbarkeit auf einem transparenten Substrat, wie einem Saphirsubstrat,
hergestellt werden kann. Die Ausbildung eines Dünnfilmes mit
einer guten Kristallinität und einer hohen Qualität
ist wesentlich, um die Eigenschaften einer Vorrichtung zu verbessern.
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Die
Erfinder stellten jedoch fest, dass eine wesentliche Beeinflussung
der Umwandlung des Zinkoxids in einen Halbleiter vom p-Typ nicht
durch die Filmkristallinität bewirkt wird, sondern durch
das überschüssige Zink im Kristallgit ter, und
konzipierten die vorliegende Erfindung zum erfolgreichen Herstellen
eines zuverlässigen Zinkoxiddünnfilmes vom p-Typ
mit guter Reproduzierbarkeit durch ein von den herkömmlichen
Verfahren vollständig verschiedenes Verfahren, indem ein
Dotiermittel durch Hochtemperaturglühen eines Zinkoxiddünnfilmes,
der Verunreinigungen als Akzeptoren enthält, aktiviert
wird oder indem der Film mit einer aktiven Spezies eines Dotiermittels
bestrahlt wird, um den Film zu dotieren, während sich das
Dotiermittel vom p-Typ in einem aktivierten Zustand befindet, und
dann der Film bei einer niedrigen Temperatur geglüht wird,
um auf diese Weise das überschüssige Zink im Film
zu reduzieren, das die Ursache für den n-Typ bildet.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung eines Zinkoxiddünnfilmes
von p-Typ, der zur Herstellung eines lichtemittierenden Elementes
aus Zinkoxid, das auf einem transparenten Substrat, wie einem Saphirsubstrat,
ausgebildet ist, erforderlich ist, sowie die Schaffung eines Verfahrens
für dessen Herstellung und eines lichtemittierenden Elementes
hiervon. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung
einer Trägersteuertechnik, die als Basis für Techniken
dienen kann, welche transparente Halbleiterfilme oder Breitbandlücken-Halbleiterelektronik
betreffen, bei denen Zinkoxid Verwendung findet.
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Die
vorliegende Erfindung, mit der die vorstehend genannten Probleme
gelöst werden, weist die folgenden technischen Mittel auf:
- (1) Einen Zinkoxidhalbleiterdünnfilm
vom p-Typ, der dadurch gekennzeichnet ist, dass 1) ein dem Dünnfilm zugesetztes
Dotiermittel vom p-Typ aktiviert wird, 2) überschüssiges
Zink entfernt wird, 3) die Steigung in einem Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigeschaften
in den Ergebnissen von Hall-Effekt-Messungen klar wiedergibt, dass
es sich bei dem Film um einen Halbleiter vom p-Typ handelt, und
4) wodurch die Umwandlung in einen Halbleiter vom p-Typ realisiert
wird.
- (2) Den Zinkoxidhalbleiterdünnfilm vom p-Typ gemäß (1),
der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Feldeffektabhängigkeit
der Hall-Spannung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
eines Hall-Stabes klar ergibt, dass es sich bei dem Film um einen
Halbleiter vom p-Typ handelt.
- (3) Den Zinkoxidhalbleiterdünnfilm vom p-Typ gemäß (1),
der ein Substrat umfasst, wobei der Zinkoxidhalbleiterdünnfilm
vom p-Typ dadurch gekennzeichnet, ist, dass es sich bei dem Substrat
um ein Glassubstrat, ein Saphirsubstrat, ein monokristallines Zinkoxidsubstrat
oder ein Substrat mit einem monokristallinen Zinkoxiddünnfilm
auf einer Oberflächenschicht desselben handelt, und zwar
unabhängig von der Kristallsymmetrie oder Kompatibilität
der Gitterkonstanten mit dem darauf auszubildenden Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ.
- (4) Den Zinkoxidhalbleiter vom p-Typ gemäß (1),
der dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich bei dem in einen p-Typ
umgewandelten Zinkoxiddünnfilm um einen monokri stallinen
(epitaxialen) Dünnfilm oder um einen polykristallinen Dünnfilm
handelt.
- (5) Den Zinkoxidhalbleiterdünnfilm vom p-Typ gemäß (1),
der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hall-Konzentration mindestens
1 × 1015cm–3 beträgt.
- (6) Den Zinkoxidhalbleiterdünnfilm vom p-Typ gemäß (1),
der dadurch gekennzeichnet ist, dass der spezifische elektrische
Widerstand nicht mehr als 100 Ω·cm beträgt.
- (7) Ein Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilms
vom p-Typ, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Schritt zum
Aktivieren eines Dotiermittels vom p-Typ, das einem Zinkoxiddünnfilm
zugesetzt wird, um Halbleitereigenschaften vom p-Typ des Zinkoxides
zu entwickeln, mit einem Schritt zum Niedrigtemperaturglühen
in einer oxidierenden Atmosphäre kombiniert wird, wodurch
die Umwandlung in einen Halbleiter vom p-Typ realisiert wird.
- (8) Das Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilmes
vom p-Typ gemäß (7), das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Dünnfilm bei einer hohen Temperatur von 700–1.200°C
in einer Inertgasatmosphäre oder Stickstoffgasatmosphäre
als Schritt zum Aktivieren des Dotiermittels vom p-Typ, das dem
Zinkoxiddünnfilm zugesetzt wird, geglüht wird.
- (9) Das Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilms
vom p-Typ gemäß (7), das dadurch gekennzeich net
ist, dass die Substratoberfläche mit einer aktiven Spezies
eines Dotiermittels bestrahlt wird, so dass der Dünnfilm
dotiert wird, während das Dotiermittel vom p-Typ während
des Schrittes des Wachsens des Zinkoxiddünnfilmes als Schritt
zum Aktivieren des Dotiermittels vom p-Typ, das dem Zinkoxiddünnfilm
zugesetzt wird, aktiviert wird.
- (10) Das Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilms
vom p-Typ gemäß (7), das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Dünnfilm bei einer niedrigeren Temperatur
von 200–700°C in einer oxidierenden Atmosphäre
als Niedrigtemperaturglühschritt geglüht wird.
- (11) Das Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilms
vom p-Typ gemäß (7), das dadurch gekennzeichnet
ist, dass Stickstoff als Dotiermittel vom p-Typ zum Umwandeln des
Zinkoxides in einen p-Typ verwendet wird und entweder allein oder
mit einem anderen Element zugesetzt wird.
- (12) Ein lichtemittierendes Element, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass es eine Struktur umfasst, bei der der Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ gemäß einem der Ansprüche (1)–(6)
auf einem Substrat gebildet wird.
- (13) Das lichtemittierende Element gemäß (12),
das eine Struktur umfasst, bei der ein monokristalliner (epitaxialer)
Dünnfilm oder ein polykristalliner Dünnfilm auf
einem Glassubstrat, Saphirsubstrat, monokristallinem Zinkoxidsubstrat
oder einem Substrat mit einem kristal linen Zinkoxiddünnfilm
auf einer Oberfläche desselben ausgebildet wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in größeren
Einzelheiten beschrieben.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen zuverlässigen
Zinkoxidhalbleiterdünnfilm vom p-Typ, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass ein dem Dünnfilm zugesetztes Dotiermittel vom
p-Typ aktiviert ist, überschüssiges Zink entfernt
ist und die Steigung in einem Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften
der Ergebnisse von Hall-Effekt-Messungen klar verdeutlicht, dass
es sich bei dem Film um einen Halbleiter vom p-Typ handelt, somit
zur Umwandlung zu einem Halbleiter vom p-Typ führt.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist deutlich gezeigt, dass es sich bei dem Film um einen Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ auf der Basis der Magnetfilmabhängigkeit der
Hall-Spannung in Hall-Effekt-Messungen unter Verwendung eines Hall-Stabes
handelt. Der Film besitzt ein Substrat, bei dem es sich um ein Glassubstrat,
Saphirsubstrat, monokristallines Zinkoxidsubstrat oder ein Substrat
mit einem monokristallinen Zinkoxiddünnfilm als Oberflächenschicht,
und zwar unabhängig von der Kristallsymmetrie oder der
Kompatibilität der Gitterkonstanten mit dem darauf auszubildenden
Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ, handelt. Der in einen p-Typ
umzuwandelnde Zinkoxiddünnfilm ist ein monokristalliner
(epitaxialer) Dünnfilm oder ein polykristalliner Dünnfilm,
und die Hall-Konzentration beträgt mindestens 1 × 1015 cm–3.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen
eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilmes vom p-Typ, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass ein Schritt zum Aktivieren eines einem
Zinkoxiddünnfilm zugesetzten Dotiermittels vom p-Typ, um
die Halbleitereigenschaften vom p-Typ des Zinkoxides zu entwickeln, mit
einem Schritt zum Niedrigtemperaturglühen in einer oxidierenden
Atmosphäre, der zur Umwandlung in einen Halbleiter vom
p-Typ führt, kombiniert wird.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird als Schritt
zum Aktivieren des dem Zinkoxiddünnfilm zugesetzten Dotiermittels
vom p-Typ der Dünnfilm bei einer erhöhten Temperatur
von 700–1.200°C in einer Inertgasatmosphäre
oder Stickstoffgasatmosphäre geglüht, oder es
wird mit einer aktiven Spezies eines Dotiermittels vom p-Typ während
der Filmausbildung bestrahlt, so dass der Film dotiert wird, während
das Dotiermittel vom p-Typ aktiv ist. Der Dünnfilm wird
bei einer niedrigen Temperatur von 200–700°C in
einer oxidierenden Atmosphäre als Niedrigtemperaturglühschritt
geglüht, und der Stickstoff wird als Dotiermittel vom p-Typ
verwendet, um das Zinkoxid in einen p-Typ zu überführen,
wobei dieses entweder allein oder gleichzeitig als anderes Element
zugesetzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein lichtemittierendes Element,
dass dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Struktur umfasst,
bei der der vorstehend genannte Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ
auf einem Substrat ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat das lichtemittierende Element eine
Struktur, bei der ein monokristalliner (epitaxialer) Dünnfilm
oder ein polykristalliner Dünnfilm auf einem Glassubstrat,
Saphirsubstrat, monokristallinem Zinkoxidsubstrat oder einem Substrat
mit einem kristallinen Zinkoxiddünnfilm auf der Oberfläche
ausgebildet ist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ein einem Zinkoxiddünnfilm
zugesetztes Dotiermittel vom p-Typ durch Glühen bei erhöhter
Temperatur aktiviert oder wird der Zinkoxiddünnfilm dotiert,
während sich das Dotiermittel vom p-Typ in einem aktivierten
Zustand befindet, wonach der Dünnfilm dann einem Niedrigtemperaturglühen
in einer oxidierenden Atmosphäre unterzogen wird, um das
Niveau an überschüssigem Zink zu reduzieren, das
die Ursache von Trägern vom n-Typ sein kann, so dass auf
diese Weise ein besonders zuverlässiger Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ hergestellt und vorgesehen werden kann.
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Bevorzugte
Beispiele von Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxiddünnfilmes
umfassen Impulslaserabscheidung, MBE (Molekularstrahlepitaxie),
Sputtern und CVD (chemisches Bedampfen). Das Verfahren zur Herstellung
eines Dünnfilmes aus Zinkoxid, dem ein Dotiermittel vom
p-Typ zugesetzt worden ist, ist jedoch nicht auf diese speziellen
Filmabscheideverfahren beschränkt. Es kann vielmehr irgendein
geeignetes Verfahren zur Filmabscheidung Anwendung finden.
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Als
das Element, das als Dotiermittel vom p-Typ zugesetzt wird, wird
Stickstoff verwendet. Stickstoffquellen umfassen Stickstoffgas oder
Gasgemische aus Stickstoffgas und Sauer stoffgas sowie Gase, die
Stickstoff enthalten, wie Distickstoffoxidgas und Ammoniakgas, die
in entsprechender Weise Verwendung finden können. Als Stickstoffquelle
kann eine aktive Spezies von Stickstoff auch so verwendet werden,
dass der Film dotiert wird, während sich der Stickstoff
in einem aktivierten Zustand befindet. Wenn dieses Element zugesetzt wird,
ist es möglich, entweder Stickstoff allein dem Dünnfilm
zuzusetzen oder gleichzeitig ein anderes Element zuzuführen
(wie Phosphor, Arsen, Gallium, Magnesium, Aluminium, Bor und Wasserstoff,
um das Stickstoffdotierniveau zu erhöhen), damit die Konzentration
des Stickstoff im Dünnfilm vergrößert
wird. Irgendein beliebiges Element kann gleichzeitig zugesetzt werden,
wenn es nicht die p-Typ-Umwandlung des Zinkoxiddünnfilmes
nachteilig beeinflusst. Phosphor ist ein wünschenswertes
Beispiel eine derartigen Elementes.
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Der
Dünnfilm wird auf einer erhöhten Temperatur von
700–1.200°C in einer Inertgasatmosphäre
oder Stickstoffgasatmosphäre geglüht, um das Dotiermittel
vom p-Typ zu aktivieren, das dem Dünnfilm aus Zinkoxid zugesetzt
worden ist. Beispiele von speziellen Glühverfahren umfassen
Verfahren, wie beispielsweise ein Erhitzen in Elektroöfen,
ein Erhitzen durch optische Bestrahlung mit Licht von einer IR-Lampe,
Induktionserhitzen, Erhitzen durch Elektronenbombardement und elektrisches
Erhitzen, sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Das Erhitzen
in einem Elektroofen ist wünschenswert, um eine gleichmäßige
Wärmeverteilung zu erhalten.
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Stickstoffgas
oder ein Inertgas, wie Argon, findet als Atmosphärengas
Verwendung. Die Glühbehandlungszeit reicht von einigen
Sekunden bis zu Duzenden von Minuten. Die Glühzeit ist
kürzer, wenn die Behandlung bei erhöhter Temperatur
durchgeführt wird. Ein Zinkoxiddünnfilm, der elektrische
Eigenschaften vom p-Typ aufweist, kann durch Glühen über
15 sec bei 1.000°C im Falle eines beispielsweise auf einem
Saphirsubstrat hergestellten Zinkoxiddünnfilmes erhalten
werden.
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Zum
Dotieren eines Dünnfilmes aus Zinkoxid, während
sich das Dotiermittel vom p-Typ in einem aktivierten Zustand befindet,
wird der Film abgeschieden, wenn die Oberfläche des Substrates
mit einer aktiven Spezies aus Stickstoff (Stickstoffatome etc.)
bestrahlt wird, die durch Umwandlung eines Gases, das Stickstoffatome
enthält, in ein Plasma erzeugt wurde. Spezielle Beispiele
von Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas sind Hochfrequenzinduktivkopplung
oder Mikrowellen-ECR(Elektronenzyklotronresonanz). Hochfrequenzinduktivkopplung,
die weniger Ionenspezies, die Dünnfilme beschädigen
können, erzeugt, findet jedoch vorzugsweise Anwendung.
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Als
Ergebnis von ausgiebigen Untersuchungen zum Erhalten eines Zinkoxiddünnfilmes,
der elektrische Eigenschaften vom p-Typ aufweist, stellten die Erfinder
fest, dass ein Niedrigtemperaturglühen in einer oxidierenden
Atmosphäre nach der Aktivierung des Dotiermittels vom p-Typ
erforderlich ist, um überschüssiges Zink zu eliminieren,
das zu elektrischen Halbleitereigenschaften vom n-Typ führen
kann, dass es einen Anstieg von überschüssigem
Zink infolge des partiellen Sauerstoffdefizits im Zinkoxiddünnfilm
gibt, wenn ein Glühen bei erhöhter Temperatur
in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt
wird, um das Dotiermittel vom p-Typ zu aktivieren, dass das überschüssige
Zinkoxid als Donator wirkt und bewirkt, dass der Film zu einem Halbleiter
vom n-Typ wird, und dass der Film dotiert wird, während
sich das Dotiermittel vom p-Typ in einem aktivierten Zustand befindet,
wenn der Film abgeschieden wird, wenn die Substratoberfläche
mit einer aktiven Spezies eines Dotiermittels vom p-Typ bestrahlt
wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird das Glühen vorzugsweise über
eine lange Zeitdauer in einer oxidierenden Atmosphäre,
wie Sauerstoff oder Luft, beispielsweise bei 200–700°C
durchgeführt, um das überschüssige Zink
zu reduzieren, das infolge des partiellen Sauerstoffdefizits im
Zinkoxiddünnfilm nach der Aktivierung des Dotiermittels
vom p-Typ ansteigt. Die Glühzeit reicht von Dutzenden von
Minuten bis zu einigen Stunden. Die Zeit ist jedoch vorzugsweise
so lang wie möglich, um das überschüssige
Zink zu reduzieren. Ein auf die vorstehend beschriebene Weise behandelter
Zinkoxiddünnfilm besitzt eine Magnetfeldabhängigkeit
der Hall-Spannung, die für Halbleiter vom p-Typ charakteristisch
ist, wenn der Hall-Effekt unter Verwendung eines Hall-Stabes gemessen
wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Umwandlung von Zinkoxid in einen p-Typ durch die Filmkristallinität
nicht sehr viel beeinflusst, so dass es möglich ist, sofort
eine p-Typ-Umwandlung eines Zinkoxiddünnfilmes mit relativ
schlechter Kristallinität zu erhalten, der beispielsweise
auf einem Substrat, wie einem Saphirsubstrat, erzeugt wurde und
eine andere Gitterkonstante wie Zinkoxid aufweist. Erfindungsgemäß ist
es möglich, einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ mit
einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand zu erhalten,
wenn die erfindungsgemäße Behandlung durchgeführt
wird, selbst auf Filmen, die nur mit Stickstoff dotiert sind, ohne irgendeine
Notwendigkeit zum gleichzeitigen Zusetzen eines Dotiermittels vom
n-Typ, um einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ mit einem geringen
spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 100 Ω·cm
zu erhalten.
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Beispiele
von Elementen, die gleichzeitig zugesetzt werden, um die Stickstoffkonzentration
in Dünnfilmen zu erhöhen, sind Gallium, Aluminium,
Bor und Wasserstoff. Diese sind jedoch nicht erforderlich. Beispielsweise
kann Phosphor benutzt werden, um die Stickstoffkonzentration im
Dünnfilm zu erhöhen und einen Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ zu erhalten. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Spezies
nicht beschränkt und kann in entsprechender Weise verwendet
werden, wenn es sich um ein Element handelt, das zugesetzt wird,
um die Stickstoffkonzentration im Dünnfilm zu erhöhen.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ ist auf der Basis der Magnetfeldabhängigkeit
der Hall-Spannung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
eines Hall-Stabes ganz klar ein Halbleiter vom p-Typ.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen Zinkoxiddünnfilm vom
p-Typ, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein lichtemittierendes
Element hiervon vor, wobei der Zinkoxidhalbleiterdünnfilm
vom p-Typ dadurch gekennzeichnet ist, dass ein dem Dünnfilm
zugesetztes Dotiermittel vom p-Typ sich in einem aktivierten Zustand
befindet, überschüssiges Zink entfernt ist und
die Steigung in einem Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften
der Ergebnisse von Hall-Effekt-Messungen klar ergibt, dass es sich
bei dem Film um einen Halbleiter vom p-Typ handelt, so dass daher
eine Umwandlung in einen Halbleiter vom p-Typ vorliegt.
-
Obwohl
diverse bekannte Techniken in herkömmlicher Weise als erfolgreiche
Beispiele von Zinkoxiddünnfilmen vom p-Typ bezeichnet wurden,
fand in allen diesen Beispielen das van der Pauw-Verfahren zum Messen
des Hall-Effektes Anwendung und wurden die hohen Hall-Konzentrationen
auf der Basis von theoretischen Berechnungen etc. als unrealistisch
angesehen. Im Gegensatz dazu kann die Steigung in einem Diagramm
der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften der Ergebnisse von Messungen
des Hall-Effektes unter Verwendung eines Hall-Stabes zeigen, dass
mit der vorliegenden Erfindung eine Umwandlung in einen Halbleiter
vom p-Typ erreicht wurde, wodurch eine beträchtliche technische
Signifikanz in Bezug auf die Tatsache gewonnen wird, dass es möglich
ist, besonders zuverlässige Zinkoxiddünnfilme
vom p-Typ sowie lichtemittierende Elemente hiervon herzustellen
und vorzusehen, die sich von herkömmlichen Materialien
beträchtlich unterscheiden.
-
Da
die Steigung in einem Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften
der Ergebnisse von Hall-Effekt-Messungen unter Verwendung eines
Hall-Stabes zeigt, dass es sich bei dem Zinkoxiddünnfilm vom
p-Typ der vorliegenden Erfindung um einen Halbleiter vom p-Typ handelt,
kann dies als Anzeige dafür verwendet werden, den Film
deutlich von herkömmlichen Materialien zu unterscheiden.
Wie aus der vorstehenden Diskussion des Standes der Technik hervorgeht,
wurde in herkömmlicher Weise über diverse erfolgreiche
Beispiele von Zinkoxiddünnfilmen vom p-Typ berichtet, wobei
jedoch in keinem Bericht auf der Basis der Steigung in einem Diagramm
der vorstehend genannten Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften
nachgewiesen wurde, dass es sich bei den herkömmlichen
Materialien um Halbleiter vom p-Typ handelt. Die vorliegende Erfindung
macht es möglich, ein lichtemittierendes Element aus einem
besonders zuverlässigen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ
zu schaffen, das als Alternative zu Galliumnitrid dienen kann, das
gegenwärtig in großem Umfang für Blaulicht
emittierende Elemente verwendet wird.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Effekte erreicht.
- (1) Es ist möglich, einen Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ sowie dessen Herstellverfahren vorzusehen, wobei es sich
ganz klar um einen Halbleiter vom p-Typ auf der Basis der Magnetfeldabhängigkeit
der Hall-Spannung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
eines Hall-Stabes handelt.
- (2) Es ist möglich, ein Verfahren sowie hierdurch ausgebildete
lichtemittierende Elemente zu schaffen, bei denen ein Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ auf einem transparenten Substrat, wie einem Saphirsubstrat,
ausgebildet wird, was erforderlich ist, wenn man Zinkoxid zur Herstellung
von lichtemittierenden Elementen benutzt, die Licht mit Wellenlängen
emittieren, das von Blau bis über das UV-Spektrum reicht.
- (3) Es ist möglich, eine Trägersteuertechnik
vorzusehen, die als Basis für Breitbandlückenhalbleiterelektroniktechniken,
bei denen Zinkoxid Verwendung findet, dienen kann.
- (4) Es ist möglich, ein besonders zuverlässiges
Zinkoxid-Lichtemissionselement vom p-Typ zu schaffen, das als Alternative
zu Galliumnitrid dienen kann, das in großem Umfang für
Blaulicht emittierende Elemente verwendet wird.
-
Es
folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
-
1 zeigt
die Positionen der Elektroden und die Konfiguration des zum Messen
des Hall-Effektes verwendeten Hall-Stabes, um nachzuweisen, dass
es sich bei dem Film um einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ handelt;
-
2 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf Basis
der Messung des Hall-Effektes bei einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, als ein in
einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung eines Zinkoxidtargets
erzeugter Zinkoxiddünnfilm 30 sec lang in Argonatmosphäre
bei 900°C (Glühen bei erhöhter Temperatur)
und dann über 1,5 h bei 550°C in ei ner Sauerstoffatmosphäre (Glühen
bei niedriger Temperatur) geglüht wurde;
-
3 zeigt
die Spektren für die N1s-Bindungsenergie, ermittelt durch
Röntgenfotoelektronenspektrometrie in (1) Zinkoxiddünnfilmen,
hergestellt in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung
von Zinkoxidtargets, (2) Zinkoxiddünnfilmen, hergestellt
in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung von Zinkoxidtargets, denen
2 Mol% Phosphor zugesetzt wurde, (3) Zinkoxiddünnfilmen,
die in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung
von Zinkoxidtargets erzeugt wurden, und (4) Zinkoxiddünnfilmen,
die in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung
von Zinkoxidtargets hergestellt wurden, wobei 2 Mol% Phosphor zugesetzt wurde,
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
4 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf der Basis
der Messung des Hall-Effektes in einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, als ein Zinkoxiddünnfilm, der
in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung eines
Zinkoxidtargets hergestellt wurde, dem 2 Mol% Phosphor zugesetzt
wurden, über 30 sec in einer Argonatmosphäre bei
900°C (Glühen bei erhöhter Temperatur)
und dann über 3,5 h bei 500–550°C in
einer Sauerstoffatmosphäre (Glühen bei niedriger
Temperatur) geglüht wurde;
-
5 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf der Basis
der Messung des Hall-Effektes in einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, als ein Zinkoxiddünnfilm, der
in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung eines
Zinkoxidtargets hergestellt wurde, dem 2 Mol% Phosphor zugesetzt
wurden, über 30 sec in einer Stickstoffatmosphäre
bei 900°C (Glühen bei erhöhter Temperatur)
und dann über 3,5 h bei 500–550°C in
einer Sauerstoffatmosphäre (Glühen bei niedriger
Temperatur) geglüht wurde;
-
6 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf der Basis
der Messung des Hall-Effektes in (1) einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, als ein Zinkoxiddünnfilm,
der in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung
eines Zinkoxidtargets hergestellt wurde, dem 2 Mol% Phosphor zugesetzt
wurden, über 1 min in einer Argonatmosphäre bei
900°C (Glühen bei erhöhter Temperatur)
und dann über 3 h bei 550°C in einer Sauerstoffatmosphäre
(Glühen bei niedriger Temperatur) geglüht wurde,
und in (2) einer Probe, die erhalten wurde, als der Dünnfilm
2 min in einer Stickstoffatmosphäre bei 900°C
(Glühen bei erhöhter Temperatur) und dann über
3 h bei 550°C in einer Sauerstoffatmosphäre (Glühen
bei niedriger Temperatur) geglüht wurde;
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7 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf der Basis
der Messung des Hall-Effektes in einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde, als ein Zinkoxiddünnfilm, der
in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung eines
Zinkoxidtargets hergestellt wurde, dem 2 Mol% Phosphor zugesetzt
wurden, über 30 sec in einer Stickstoffatmosphäre
bei 900°C (Glühen bei erhöhter Temperatur)
geglüht wurde;
-
8 zeigt
Röntgenbeugungsmuster auf 2θ-ω-Scanning-Basis
für einen Zinkoxiddünnfilm, der in der Distickstoffoxidatmosphäre
durch Impulslaserabscheidung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Zinkoxidtargets, dem 2 Mol%
Phosphor zugesetzt wurden, erhalten wurde;
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9 zeigt
die Strom-Spannungs-Charakteristik von p-n-Übergängen
in einem Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung, laminiert mit einem mit
Gallium dotierten Zinkoxiddünnfilm vom n-Typ;
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10 zeigt
die optischen Spektren für aktive Spezies von Stickstoff,
hergestellt durch die Einführung von Stickstoff mit einem
Durchsatz von 0,3 sccm in ein PBN-Entladungsrohr (aus pyrolytischem
Bornitrid) und nachfolgende Beaufschlagung von 300 W Hochfrequenzenergie
während des Prozesses zum Do tieren eines Zinkoxiddünnfilmes,
während sich der als Dotiermittel vom p-Typ dienende Stickstoff
in einem aktivierten Zustand befand, gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
11 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung auf der Basis
der Messung des Hall-Effektes in einer Probe, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung nach Glühen über
3 h bei 550°C in einer Sauerstoffatmosphäre (Glühen
bei niedriger Temperatur) eines Zinkoxiddünnfilmes erhalten
wurde, der erzeugt wurde, als die Substratoberfläche mit
einer aktiven Spezies von Stickstoff bestrahlt wurde, der durch
die Beaufschlagung von 300 W Hochfrequenzenergie erzeugt wurde,
um den Zinkoxiddünnfilm zu dotieren, während sich
der als Dotiermittel vom p-Typ dienende Stickstoff in einem aktivierten
Zustand befand.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Ausführungsbeispiele
erläutert. Sie ist jedoch in keiner Weise auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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Beispiel 1
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Dieses
Beispiel ist auf der Basis der Zeichnungen eine detaillierte Darstellung
einer Ausführungsform eines Zinkoxiddünnfilmes
vom p-Typ, der durch die Herstellung eines Zinkoxiddünnfilmes,
dem Stickstoff oder Stickstoff und Phosphor gleichzeitig zugesetzt
wurden, auf einem Saphirsubstrat durch Impulslaserabscheidung hergestellt
wurde, wonach eine Aktivierung des Dotiermittels vom p-Typ durch
Glühen bei erhöhter Temperatur und nachfolgendes
Glühen bei niedriger Temperatur folgte.
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Der
Zinkoxiddünnfilm wird durch Impulslaserabscheidung unter
Nutzung der vierten hohen Frequenz (Wellenlänge 266 nm)
eines Nd:YAG-Lasers herstellt. Das Ausgangsmaterial-Zinkoxidtarget
war Zinkoxidpulver (Reinheit: 99,999%), das in Pellets kompressionsgeformt
und gesintert wurde, sowie ein Gemisch aus Zinkoxidpulver und rotem
Phosphor (Reinheit: 99,999%), das in Pellets kompressionsgeformt
wurde. Das Target wurde so angeordnet, dass es auf die Substratheizeinrichtung
innerhalb eines Vakuumgefäßes wies.
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An
der Oberfläche der Substratheizeinrichtung wurde ein monokristallines
Saphirsubstrat befestigt. Der Abstand zwischen dem Target und dem
Substrat betrug 30 mm. Unter Verwendung einer Rotationspumpe und
einer Turbomolekularpumpe wurde im Gefäß ein Unterdruck
erzeugt. Nachdem ein Druck von 10–4–10–5 Pa erreicht worden war, wurde
die Substratheizeinrichtung auf 500°C aufgeheizt, um das
Substrat zu erhitzen. Die Targetoberfläche wurde dann mit
durch eine Linse fokussiertem Impulslaserlicht bestrahlt, um das
Target zu verdampfen und dadurch die Abscheidung eines Zinkoxiddünnfilmes
auf dem Substrat zu ermöglichen. Die Laseroszillationsfrequenz
betrug 2 Hz, und die Energie betrug 40–42 mJ/Impuls. Um
den Film mit Stickstoff als einem Akzeptor zu dotieren, wurde Stickstoffgas
oder Distickstoffoxidgas auf 10 Pa innerhalb des Vakuumgefäßes
eingeführt, um den Film wachsen zu lassen. Das Gas wurde
dann weiter auf 50 Pa eingeführt, und die Substrattemperatur
wurde danach auf Raumtemperatur abgesenkt.
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Der
Hall-Effekt wurde unter Verwendung eines Hall-Stabes gemessen, um
klar zu zeigen, dass der erzeugte Film ein Halbleiter vom p-Typ
oder ein Halbleiter vom n-Typ war. Dies wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. 1 zeigt
die Konfiguration des bei der Messung verwendeten Hall-Stabes (Maskenmuster zum
Messen des spezifischen Widerstandes/Hall-Effektes). Die hergestellten
Zinkoxiddünnfilme wurden durch optische Lithografie und
chemisches Nassätzen in das in 1 dargestellte
Muster überführt. Zur Überführung des
Musters der 1 in einen Fotoresist (lichtempfindliches
Material), der auf die hergestellten Zinkoxiddünnfilme
aufgebracht wurde, wurde eine Fotomaske verwendet, und die anderen
Teile des Filmes als das Muster wurden dann mit Hilfe von verdünnter
Salpetersäure weggeätzt, um den Hall-Stab zu formen.
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Dieser
wurde in einem Bakelite-Probenhalter für Hall-Effekt-Messungen
angeordnet, und ein Golddraht wurde mit Indium mit den mit den Ziffern
11-6 in 1 bezeichneten quadratischen
Elektroden verbunden, um Strom/Spannungs-Anschlüsse zu
erhalten. Da Zinkoxid fotoleitend ist, wurde die Probe geschützt,
um den Einfluss dieses Effektes zu minimieren, und Messungen wurden
durchgeführt, nachdem abgewartet worden war, bis der spezifische
Dünnfilmwiderstand ein virtuell konstantes Niveau erreicht
hatte. Ein Magnetfeld (H) wurde aufgebracht, indem ein Elektromagnet
mit normaler Leitung in einem Bereich von 10 kOe bis –10 kOe
senkrecht zur Seitenfläche bewegt wurde.
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Über
die Elektroden 1 und 3 wurde dann ein Strom (I)
aufgebracht und die zwischen den Elektroden 3 und 5 vorhandene
Hall-Spannung (VH) gemessen. Die Steigung
in einem Diagramm des angelegten Magnetfeldes (H) und der Hall-Spannung
(VH) ermöglichte zu diesem Zeitpunkt
die Bestimmung des Leitungstyps der Probe. Die Steigung in einem
Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften ist positiv
für Halbleiter vom p-Typ und ist negativ für Halbleiter
vom n-Typ. Ferner wurden die Elektroden 1 und 3 mit
Strom beaufschlagt, und die Spannungen zwischen den Elektroden 4 und 6 wurden
gemessen, um den spezifischen Widerstand des Filmes zu ermitteln.
Es wurden eine Stromquelle mit einer hohen Eingangs/Ausgangsimpedanz
von 100 TΩ und ein Spannungsmesser verwendet, um den Hall-Effekt
und den spezifischen Widerstand zu ermitteln.
-
Es
wurden Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften als Ergebnis der
Aktivierung des Dosiermittels vom p-Typ und der Niedrigtemperaturglühbehandlung
der Erfindung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
des vorstehend erwähnten Hall-Stabes in den Zinkoxiddünnfilmen,
denen Stickstoff oder Stickstoff und Phosphor gleichzeitig zugesetzt
wurden, ermittelt, die eindeutig für Halbleiter vom p-Typ
charakteristisch waren. Andererseits besaßen Proben, die
nicht gemäß der Erfindung behandelt worden waren,
alle die Eigenschaften von Halbleitern vom n-Typ oder hatten einen
extrem hohen spezifischen Widerstand und keinen klaren Leitungstyp.
Diverse Beispiele sind nachfolgend wiedergegeben. In Tabelle 1 sind
der spezifische Widerstand, die Trägerkonzentration, die
Mobilität und der Leitungstyp, die durch die vorstehend
beschriebene Messung des Hall-Effektes ermittelt wurden, zusammengefasst. Tabelle 1
Diagramm | Spezif.
Widerstand Ω·cm | Trägerkonzentration
cm–3 | Mobilität
cm2/V·s | Leitungstyp |
Fig.
2 | 43,8 | 4,37 × 1015 | 32,6 | p-Typ |
Fig.
4 | 86,4 | 4,40 × 1015 | 16,4 | p-Typ |
Fig.
5 | 32,3 | 4,95 × 1015 | 39,0 | p-Typ |
Fig.
6 – (1) | 79,6 | 3,44 × 1015 | 22,0 | p-Typ |
Fig.
6 – (2) | 18,1 | 7,73 × 1016 | 4,68 | n-Typ |
Fig.
7 | 5,10 | 3,04 × 1017 | | n-Typ |
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2 zeigt
das Ergebnis der Messung des Hall-Effektes in Proben, die erhalten
wurden, als unter Verwendung von Zinkoxidtargets bei einer Substrattemperatur
von 600°C in einer Stickstoffatmosphäre hergestellte
Zinkoxiddünnfilme über 30 sec bei 900°C
in einer Argonatmosphäre (Glühen bei erhöhter
Temperatur) und dann über 1,5 h bei 550°C in einer
Sauerstoffatmosphäre (Glühen bei niedriger Temperatur)
geglüht wurden. Die Steigung im Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften
ist positiv und zeigt somit klar, dass es sich bei dem Film um einen
Halbleiter vom p-Typ handelt. Selbst bei einem gleichzeitigen Dotieren
mit anderen Elementen wurde ein Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ
mit einem niedrigen spezifischen Widerstand von 43,8 Ω·cm
erhalten. Die Hall-Konzentration betrug zu diesem Zeitpunkt 4,73 × 1015 cm–3.
-
Das
Atmosphärengas während der Filmbildung umfasst
vorzugsweise Stickstoff, bei dem es sich um ein Dotiermittel vom
p-Typ handelt. Stickstoffgas oder ein Gemisch aus Stickstoffgas
und Sauerstoffgas, Distickstoffoxidgas, Ammoniakgas o. ä.
können ebenfalls Verwendung finden. Zinkoxiddünnfilme
werden jedoch nicht ohne Weiteres mit Stickstoff dotiert. Die 3 – (1)
und 3 – (3) zeigen die Ergebnisse, die bei
Röntgenfotoelektronenspektroskopie von Zinkoxiddünnfilmen
erhalten wurden, welche in einer Stickstoffatmosphäre und
einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung von Zinkoxidtargets
hergestellt wurden.
-
Auf
der Basis der Peaks, die für N1s Bindungsenergie im in
einer Stickstoffatmosphäre hergestellten Filmen auftraten,
war klar, dass die Filme mit Stickstoff dotiert wurden (3 – (1)).
Andererseits wurden keine Peaks von N in Filmen beobachtet, die
in der Distickstoffoxidatmosphäre hergestellt wurden (3 – (3)),
und die Stickstoffkonzentration in den Filmen lag unter der Detektionsschwelle
bei der Röntgenfotoelektronenspektroskopie.
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Die 3 – (2)
und 3 – (4) zeigen die Ergebnisse, die bei
der Röntgenfotoelektronenspektroskopie von Zinkoxiddünnfilmen
erhalten wurden, welche in Stickstoffatmosphäre und Distickstoffoxidatmosphäre unter
Verwendung von Zinkoxidtargets, denen zwei Mol% Phosphor zugesetzt
worden waren, erhalten wurden. Deutliche Peaks für N1s
Bindungsenergie traten sowohl in Dünnfilmen, die in der
Stickstoffatmosphäre hergestellt worden waren, als auch
in Dünnfilmen, die in der Distickstoffoxidatmosphäre
hergestellt worden waren, auf. Man kann somit erkennen, dass das
gleichzeitige Dotieren mit Phosphor eine Erhöhung des Stickstoffanteils
in den Dünnfilmen selbst in der Distickstoffoxidatmosphäre
ermöglichte.
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Dünnfilme,
die bei einer Substrattemperatur von 500°C in einer Distickstoffoxidatmosphäre
unter Verwendung von Zinkoxidtargets, denen 2 Mol% Phosphor zugesetzt
worden war, hergestellt worden waren, wurden über 30 sec
bei 900°C in einer Argonatmosphäre (Glühen
bei erhöhter Temperatur) und dann über 3,5 h bei
500–550°C in einer Sauerstoffatmosphäre
(Glühen bei niedriger Temperatur) geglüht. 4 zeigt
die Ergebnisse für die Hall-Spannungs-Magnetfeld-Abhängigkeit,
die bei der Messung des Hall-Effektes in diesen Proben gewonnen
wurden. Diagramme der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften besaßen
eine Steigung nach oben rechts in der gleichen Weise wie gemäß 2,
was verdeutlichte, dass Zinkoxiddünnfilme vom p-Typ erhalten
worden waren. Der spezifische Widerstand zu diesem Zeitpunkt betrug
86,4 Ω·cm, und die Hall-Konzentration lag bei
4,40 × 1015 cm–3.
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Wie
diese Ergebnisse zeigen, ist es zur Umwandlung von Zinkoxiddünnfilmen
in einen Halbleiter vom p-Typ wirksam, gleichzeitig Stickstoff in
Kombination mit einem anderen Element, wie Phosphor, zuzusetzen, solange
wie dies nicht die p-Typ-Umwandlung störend beeinflusst,
um die Stickstoffkonzentration im Dünnfilm zu erhöhen,
und zwar zusätzlich zur Zugabe des Elementes Stickstoff,
bei dem es sich um ein Dotiermittel vom p-Typ handelt, zu Dünnfilmen.
Wenn nicht anders ausgeführt, betreffen sämtliche
weiteren Er gebnisse der Messung des Hall-Effektes Proben, die erhalten
wurden, indem die Glühbehandlung der Erfindung bei Zinkoxiddünnfilmen
durchgeführt wurde, denen Stickstoff zugesetzt wurde, wobei
diese in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung
eines Zinkoxidtargets, dem Phosphor zugesetzt worden war, hergestellt
wurden.
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Bei
dem Atmosphärengas während des Glühens
bei erhöhter Temperatur kann es sich um irgendeine Gasart
handeln, wenn es sich nur um Stickstoffgas oder ein Inertgas handelt.
Die Ergebnisse in 4 stammen von Proben, die einem
Glühen bei erhöhter Temperatur in einer Argongasatmosphäre,
bei der es sich um ein Inertgas handelt, unterzogen wurden. 5 zeigt
die Ergebnisse der Messung des Hall-Effektes von Proben, die einem
Glühen bei erhöhter Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre
anstatt von Argongas unterzogen wurden. Mit anderen Worten, 5 zeigt
die Magnetfeldabhängigkeit der Hall-Spannung bei der Messung des
Hall-Effektes von Proben der ersten Ausführungsform der
Erfindung, die erhalten wurden, als Zinkoxiddünnfilme,
welche in einer Distickstoffoxidatmosphäre unter Verwendung
von Zinkoxidtargets hergestellt wurden, denen 2 Mol% Phosphor zugesetzt
wurde, über 30 sec bei 900°C in einer Stickstoffatmosphäre
(Glühen bei erhöhter Temperatur) und dann über
3,5 h bei 500–550°C in einer Sauerstoffatmosphäre
(Glühen bei niedriger Temperatur) geglüht wurden.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass es sich bei den Filmen um Halbleiter vom
p-Typ handelt, und zwar in der gleichen Weise wie in 4.
Der spezifische Widerstand betrug zu diesem Zeitpunkt 32,3 Ω·cm,
und die Hall-Konzentration 4.95 × 1015 cm–3.
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Wenn
andererseits das Glühen bei erhöhter Temperatur
in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt wurde,
war der spezifische Dünnfilmwiderstand extrem hoch, und
zeigten die Ergebnisse der Hall-Effekt-Messungen nicht deutlich
den Leitungstyp. Es wird davon ausgegangen, dass dies darauf zurückzuführen
ist, dass der zugesetzte Stickstoff durch Sauerstoff ersetzt wurde
und dass das überschüssige Zink reduziert wurde, was
zu einem Dünnfilm führte, bei dem es sich nahezu
vollständig um einen Isolator handelte. Das Glühen
bei erhöhter Temperatur zum Aktivieren des Dotiermittels
vom p-Typ muss daher in einer Stickstoffgasatmosphäre oder
einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.
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Die
Beziehung zwischen dem Glühen bei erhöhter Temperatur
und der Temperatur ist nachfolgend gezeigt. Die Behandlungszeit
für das Glühen bei erhöhter Temperatur
ist in 4 30 sec. Sogar bei einem Glühen bei
erhöhter Temperatur auf 900°C von 1 min war das
Ergebnis der Hall-Effekt-Messung eine positive Steigung in einem
Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften, wie in 6 – (1)
gezeigt, was einen Halbleiter vom p-Typ anzeigte. Ein Glühen
bei erhöhter Temperatur von 2 Minuten bei 900°C
führte jedoch zu einer negativen Steigung im Diagramm der
Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften, wie in 6 – (2)
gezeigt, was anzeigte, dass es sich bei dem Film um einen Halbleiter
vom n-Typ handelte. Dies war auf eine wesentliche Verringerung des
Niveaus des Dotiermittels vom p-Typ im Film infolge der längeren
Glühzeit zurückzuführen, da Dotiermittel
vom p-Typ zur gleichen Zeit, in der sie bei Glühen auf
erhöhter Temperatur aktiviert werden, allmählich
verdampfen.
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Die
Hall-Effekt-Eigenschaften der soweit gezeigten Halbleiter vom p-Typ
wurden alle infolge eines Glühens bei erhöhter
Temperatur erhalten, dem ein Glühen bei niedriger Temperatur
auf 500–550°C in einer Sauerstoffatmosphäre
von 1 atm folgte. 7 zeigt die bei der Messung
des Hall-Effektes in Proben erhaltenen Ergebnisse, die aus Vergleichsgründen
einem Glühen bei erhöhter Temperatur, jedoch keinem
Glühen bei niedrigerer Temperatur unterzogen wurden. Das
Glühen bei erhöhter Temperatur wurde über
30 sec bei 900°C in einer Stickstoffatmosphäre
durchgeführt.
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Wie
in 7 gezeigt, ergibt die negative Steigung im Diagramm
der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften einen Halbleiter vom
n-Typ. Der Grund hierfür wurde auf Folgendes zurückgeführt.
Wenn ein Zinkoxiddünnfilm, dem ein Dotiermittel vom p-Typ
zugesetzt wurde, in einer reduzierenden Atmosphäre, wie
einem Inertgas oder Stickstoffgas, geglüht wird, geht zur
gleichen Zeit, wie das Dotiermittel vom p-Typ aktiviert wird, Sauerstoff
im Zinkoxid verloren, was zur Erzeugung von größeren
Mengen an überschüssigem Zink im Dünnfilm
führt. Das überschüssige Zink wirkt als
Donator im Zinkoxiddünnfilm, so dass Filme, die nur einem
Glühen bei erhöhter Temperatur unterzogen werden,
zu Halbleitern vom n-Typ werden.
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Das
in Dünnfilmen während des Glühens bei
erhöhter Temperatur erzeugte überschüssige
Zink kann auf wirksame Weise reduziert werden, indem bei einer Temperatur
von 500–550°C in einer Atmosphäre, die Sauerstoff
enthält (wie Luft, oder Sauerstoffgas), geglüht
wird. Infolge der Reduktion des ü berschüssigen Zinks,
das eine Quelle von Donatoren bildet, können die elektrischen
Eigenschaften von Halbleitern vom p-Typ auf der Basis von Akzeptoren,
die bei der Glühbehandlung bei erhöhter Temperatur
aktiviert werden, entwickelt werden. Die Zeit des Niedrigtemperaturglühens
hängt vom Niveau des überschüssigen Zinks
im Dünnfilm, von der Filmdicke, vom Sauerstoffdruck im
Atmosphärengas u. ä. ab, wobei jedoch die Behandlungszeit
vorzugsweise so lang wie möglich ist.
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Proben,
die einem Glühen bei niedriger Temperatur, jedoch keinem
Glühen bei erhöhter Temperatur ausgesetzt wurden,
besaßen einen extrem hohen spezifischen Widerstand. Die
Messung des Hall-Effektes unter Verwendung eines Hall-Stabes war
nicht in der Lage, den Halbleiterleitungstyp klar zu verdeutlichen.
Es wird davon ausgegangen, dass dies darauf zurückzuführen
ist, dass das Dotiermittel, dass als Akzeptor eingeführt
wurde, nicht aktiviert wurde und dass überschüssiges
Zink, das als Donator wirkte, durch die Glühbehandlung
bei niedriger Temperatur im Wesentlichen eliminiert wurde.
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Die
obigen Ergebnisse zeigen, dass es zur Entwicklung der elektrischen
Eigenschaften vom p-Typ von Zinkoxiddünnfilmen erforderlich
ist, die beiden Schritte der Durchführung einer Behandlung,
bei der das Dotiermittel vom p-Typ durch Glühen bei erhöhter
Temperatur aktiviert wird, und der nachfolgenden Entfernung von überschüssigem
Zink durch Glühen bei niedriger Temperatur zu kombinieren.
Der Einbau dieser beiden Schritte in die vorliegende Erfindung führte
zur Entwicklung eines besonders zuverlässigen Zinkoxidhalb leiterdünnfilmes
vom p-Typ, der elektrische Eigenschaften vom p-Typ aufwies, wie
durch die Messung des Hall-Effektes unter Verwendung eines Hall-Stabes
klar bewiesen wurde.
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8 zeigt
die Ergebnisse einer Röntgenstrahlbeugung auf 2θ-ω-Scanning-Basis
für einen Zinkoxiddünnfilm, der in einer Distickstoffoxidatmosphäre
unter Verwendung eines Zinkoxidtargets hergestellt wurde, dem 2
Mol% Phosphor zugesetzt wurden. Nur (0001)-Beugungslinien für
Zinkoxid traten zusätzlich zu Beugungslinien für
das Saphirsubstrat auf, was einen c-Achsen-orientierten Zinkoxiddünnfilm
ergab. Die 2θ-ω-Scan-Halbbreite der (0002)-Beugungslinie
für Zinkoxid betrug 0,33°, und die Rockingkurve
(ω-Scan) Halbbreite betrug 1,21° mit einer schlechten
Dünnfilmkristallinität.
-
Trotzdem
führt die Behandlung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu einem Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ, der einen
niedrigen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 100 Ω·cm
besitzt. Dies zeigt, dass für die Umwandlung von Zinkoxid
in einen Halbleiter vom p-Typ die Filmkristallinität keinen
signifikanten Effekt hat und dass es wichtig ist, das Dotiermittel
vom p-Typ durch Glühen bei erhöhter Temperatur
zu aktivieren und das überschüssige Zink im Film
durch Glühen bei niedriger Temperatur zu steuern.
-
Als
letztes zeigt 9 die Strom-Spannungs-Eigenschaften
von p-n-Übergängen in einem Zinkoxiddünnfilm
vom p-Typ gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, der mit einem mit Gallium dotierten Zinkoxiddünnfilm
vom n-Typ laminiert ist. Der Zinkoxiddünnfilm vom n-Typ
wurde durch Laserablation auf einem Zinkoxiddünnfilm gemäß der
vorliegenden Er findung vom p-Typ unter Verwendung eines Zinkoxidtargets abgeschieden,
dem 2 Mol% Gallium als Dotiermittel vom n-Typ zugesetzt worden waren.
Die Strom-Spannungs-Eigenschaften in 9 zeigen,
dass der Strom dazu neigte, in Vorwärtsrichtung zu fließen,
und es war weniger wahrscheinlich, dass Strom in Rückwärtsrichtung
floss, was Gleichrichtungseigenschaften von p-n-Übergängen
anzeigte. Diese Ergebnisse ergeben den Beweis, dass der Zinkoxiddünnfilm
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Halbleiter
vom p-Typ ist.
-
Beispiel 2
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Hierbei
handelt es sich auf der Basis der Zeichnungen um eine detaillierte
Darstellung einer Ausführungsform eines Zinkoxiddünnfilmes
vom p-Typ, der durch Impulslaserabscheidung auf einem Saphirsubstrat hergestellt
wurde, als der Film mit einer aktiven Spezies bestrahlt wurde, die
durch Erzeugung eines Plasmas aus Stickstoffgas durch Hochfrequenzinduktivkopplung
hergestellt wurde, wobei der resultierende Zinkoxiddünnfilm,
der dotiert wurde, während sich der Stickstoff in einem
aktivierten Zustand als Akzeptor befand, durch eine Glühbehandlung
bei niedriger Temperatur entwickelt wurde.
-
Der
Zinkoxiddünnfilm wurde durch Impulslaserabscheidung unter
Verwendung von KrF-Excimerlaserlicht (Wellenlänge 248 mm)
hergestellt. Zinkoxidpulver, das zu Pellets kompressionsgeformt
und dann gesintert wurde, wurde als Ausgangsmaterial für
das Zinkoxidtarget verwendet. Das Target wurde so angeordnet, dass
es auf die Substratheizeinrichtung innerhalb eines Vakuumgefäßes
wies.
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Ein
monokristallines Saphirsubstrat wurde an der Oberfläche
der Substratheizvorrichtung befestigt. Der Abstand zwischen dem
Target und dem Substrat betrug 50 mm. Im Gefäß wurde
unter Verwendung einer Rotationspumpe und einer Turbomolekularpumpe
ein Unterdruck erzeugt. Nachdem ein Druck von 10–5 bis 10–6 Pa erreicht worden war, wurde
die Substratheizeinrichtung auf 400°C aufgeheizt, um das
Substrat zu erhitzen. Die Targetoberfläche wurde dann mit
durch eine Linse fokussiertem Impulslaserlicht bestrahlt, um das Target
zu verdampfen und die Abscheidung eines Zinkoxiddünnfilmes
auf dem Substrat zu ermöglichen. Die Laseroszillationsfrequenz
betrug 2 Hz, die Energie betrug 60 mJ/Impuls.
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Zum
Dotieren des Filmes mit Stickstoff als einem Akzeptor wurde Stickstoffgas
mit einem Durchsatz von 0,3 sccm in ein PBN-Entladungsrohr (aus
pyrolytischem Bornitrid) eingeführt. Danach wurde Hochfrequenzenergie
von 300 W aufgebracht, um ein Plasma zu erzeugen, und die Substratoberfläche
wurde mit einer aktiven Spezies aus Stickstoff durch eine Φ 0,2
mm × 25 Lochapertur bestrahlt, als der Film ausgebildet
wurde. Es wurde ferner Sauerstoffgas gleichzeitig mit einem Durchsatz
von 0,6 sccm in das Vakuumgefäß eingeführt. Der
Druck im Gefäß betrug zu diesem Zeitpunkt ≤ 1,9 × 10–2 Pa.
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10 zeigt
die optischen Spektren des Entladungsrohres, als die aktive Spezies
durch Hochfrequenzplasmaentladung erzeugt wurde, um den Film mit
Stickstoff als Dotiermittel vom p-Typ bei der vorliegenden Ausführungsform
zu dotieren. Scharfe Peaks traten um Wellenlängen von 745
nm, 821 nm und 869 nm auf, die eine Strahlung von Stickstoffatomen
anzeigten und verdeutlichten, dass eine aktive Spezies aus Stickstoff
erzeugt worden war.
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Der
Hall-Effekt wurde unter Verwendung eines Hall-Stabes gemessen, um
zu verdeutlichen, ob es sich bei dem resultierenden Film um einen
Halbleiter vom p-Typ oder vom n-Typ handelte. Einzelheiten sind
im vorstehenden Beispiel 1 wiedergegeben.
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11 zeigt
die bei der Messung des Hall-Effektes in einer Probe erhaltenen
Ergebnisse, wobei diese Probe nach 3 h Glühen bei 550°C
in einer Sauerstoffatmosphäre (Glühen bei niedriger
Temperatur) eines Zinkoxiddünnfilmes erhalten wurde, der
durch Impulslaserabscheidung auf einem Saphirsubstrat hergestellt
wurde, während mit einer aktiven Spezies aus Stickstoff,
erzeugt durch Hochfrequenzstrahlung, bestrahlt wurde. Die Steigung
im Diagramm der Hall-Spannungs-Magnetfeld-Eigenschaften ergab deutlich,
dass es sich bei dem Film um einen Halbleiter vom p-Typ handelte.
Der spezifische Widerstand betrug 23,7 Ω·cm, die
Trägerkonzentration betrug 3,98 × 1016 cm–3, und die Mobilität betrug
3,71 × 10–1 cm2/V·s.
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Wie
vorstehend erläutert, kann mit der vorliegenden Erfindung,
die einen Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ sowie dessen Herstellverfahren
betrifft, ein Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxiddünnfilmes
vom p-Typ auf einem transparenten Substrat, wie einen Saphirsubstrat,
zur Verfügung gestellt werden, das erforderlich ist, wenn
man Zinkoxid benutzt, um lichtemittierende Elemente zu erzeugen,
die Lichtwellenlän gen emittieren, welche von Blau über
das UV-Spektrum reichen. Ferner können die hieraus resultierenden
besonders zuverlässigen Zinkoxiddünnfilme vom
p-Typ und lichtemittierende Elemente zur Verfügung gestellt
werden. Ferner kann eine Trägersteuertechnik geschaffen
werden, die als Basis für Techniken in Bezug auf transparente
Halbleiterfilme oder Breitbandlückenhalbleiterelektronik,
bei denen Zinkoxid Verwendung findet, dienen kann.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zinkoxiddünnfilm vom
p-Typ, bei dem es sich aufgrund der Magnetfeldabhängigkeit
der Hall-Spannung bei der Messung des Hall-Effektes unter Verwendung
eines Hall-Stabes eindeutig um einen Halbleiter vom p-Typ handelt,
und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Dünnfilmes
mit guter Reproduzierbarkeit sowie ein lichtemittierendes Element
hiervon. Das Verfahren zur Herstellung eines Zinkoxidhalbleiterdünnfilmes
vom p-Typ umfasst eine Kombination aus einem Hochtemperaturglühschritt
zum Aktivieren eines einem Zinkoxiddünnfilm zugesetzten
Dotiermittels vom p-Typ, um die Halbleitereigenschaften vom p-Typ
von Zinkoxid zu entwickeln, oder einem Bestrahlen des Dünnfilmes
mit einer aktiven Spezies eines Dotiermittels vom p-Typ, um den
Film zu dotieren, während das Dotiermittel vom p-Typ aktiv
ist, und aus einem Niedrigtemperaturglühschritt in einer
oxidierenden Atmosphäre, wodurch die Umwandlung in einen
Halbleiter vom p-Typ realisiert wird. Des Weiteren betrifft die
Erfindung einen unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellten
Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ sowie ein lichtemittierendes
Element hiervon. Erfindungsgemäß werden ein besonders
zuverlässiger Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ, ein
Verfahren zum Herstellen desselben sowie ein Blaulicht emittierendes
Element hiervon zur Verfügung gestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3423896 [0012]
- - JP 2005-108869 A [0012]
- - JP 2004-221352 A [0012]
- - JP 2005-223219 A [0012]
- - US 3540275 [0012]
- - JP 2002-105625 A [0012]
- - JP 2005-39172 A [0012]
- - JP 2002-289918 A [0012]
- - JP 2001-48698 A [0012]
- - JP 2001-724496 A [0012]