DE112007002182B4 - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, welches umfasst:ein Vorverfahren, bei dem eine Hochfrequenzstromversorgung eingesetzt wird, um Plasma zu erzeugen und eine Plasmaverarbeitung auf einem Substrat durch Umkehrzerstäuben durchgeführt wird, wobei die Temperatur des Substrats in dem Vorverfahren im Bereich von 300°C bis 800°C ist, die Verfahrensdauer des Vorverfahrens im Bereich von 30 Sekunden bis 3600 Sekunden ist, und die Plasmaverarbeitung in einer Mischatmosphäre von Ionenkomponenten und Radikalkomponenten ohne Ladung durchgeführt wird, wobei in dem Plasma eine kleine Menge Ionenkomponenten verwendet wird, um eine Beschädigung der Oberfläche des Substrats zu verhindern,ein Zerstäubungsverfahren, bei dem nach dem Vorverfahren eine Zwischenschicht aus mindestens einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat unter Einsatz eines Zerstäubungsverfahrens gebildet wird, wobei die Temperatur des Substrats im Bereich von 300°C bis 800°C ist und wobei das Vorverfahren und das Zerstäubungsverfahren in derselben Kammer durchgeführt werden; undein Verfahren, bei dem nacheinander eine n-Typ Halbleiterschicht, einschließlich einer Unterschicht, eine Licht emittierende Schicht und eine p-Typ Halbleiterschicht auf der Zwischenschicht gebildet werden.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, die beispielsweise für eine Licht emittierende Diode (LED), eine Laserdiode (LD) oder eine elektronische Vorrichtung anwendbar ist.
- Hintergrund bildende Technik
- Eine Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung hat eine Energiebandlücke vom Direktübergangstyp, die dem Bereich vom sichtbaren Licht bis zum ultravioletten Licht entspricht, und hohe Emissionseffizienz. Deshalb sind Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtungen als Licht emittierende Vorrichtungen, wie LED oder LD, eingesetzt worden.
- Wenn die Gruppe-III-Nitridhalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung für eine elektronische Vorrichtung verwendet wird, ist es möglich, eine elektronische Vorrichtung mit besseren Eigenschaften im Vergleich zu einem Gruppe-III- bis V-Verbindungshalbleiter gemäß dem Stand der Technik zu erhalten.
- Im allgemeinen wird ein Einkristallwafer aus einem Gruppe III-V Verbindungshalbleiter erhalten, indem ein Kristall auf einem Einkristallwafer aus einem unterschiedlichen Material gezüchtet wird. Zwischen dem Substrat und einem Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall, der epitaxial auf dem Substrat gezüchtet wurde, gibt es eine starke Gitterunordnung. Wenn beispielsweise ein Galliumnitrid (GaN) auf einem Saphir (Al2O3)-Substrat gezüchtet wird, gibt es zwischen diesen 16% Gitterfehlstellen. Wenn ein Galliumnitrid auf einem SiC-Substrat gezüchtet wird, gibt es zwischen ihnen 6 % Gitterfehlstellen.
- Im allgemeinen machen es zahlreiche Gitterfehlstellen schwierig, einen Kristall auf dem Substrat direkt epitaxial zu züchten. Obwohl der Kristall auf dem Substrat gezüchtet wird, ist es dennoch schwierig, einen Kristall mit hoher Kristallinität zu erhalten.
- Deshalb ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem, wenn ein Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall epitaxial auf einem Saphireinkristallsubstrat oder einem SiC-Einkristallsubstrat durch ein Verfahren unter Einsatz einer metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) gezüchtet wird, eine sogenannte Niedertemperaturpufferschicht aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) auf dem Substrat gebildet wird und ein Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall epitaxial auf der Pufferschicht bei einer hohen Temperatur gezüchtet wird (vgl. beispielsweise die Patentdokumente 1 und 2). Das Verfahren ist allgemein eingesetzt worden.
- In den in den Patentdokumenten 1 und 2 beschriebenen Verfahren wird jedoch, da es Gitterfehlstellen zwischen dem Substrat und dem auf dem Substrat gebildeten Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall gibt, eine sogenannte Fadenversetzung, die sich bis zur Oberfläche eines Kristalls erstreckt, im Inneren des Kristalls gebildet, was zu einer Störung des Kristalls führt. Deshalb ist es erforderlich, die Struktur angemessen zu verändern, um eine ausreichende Emissionskraft und hohe Produktivität zu erzielen.
- Außerdem ist ein Verfahren zum Bilden der Pufferschicht unter Einsatz anderer Abscheidungsverfahren als dem MOCVD-Verfahren vorgeschlagen worden.
- Beispielsweise ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, welches eine Pufferschicht unter Einsatz eines RF-Zerstäubungsverfahrens bildet und auf der Pufferschicht einen Kristall mit derselben Zusammensetzung wie die Pufferschicht unter Einsatz eines MOCVD-Verfahrens züchtet (beispielsweise Patentdokument 3).
- In dem in Patentdokument 3 beschriebenen Verfahren ist es jedoch schwierig, einen stabilen und guten Kristall zu erhalten.
- Um einen stabilen und guten Kristall zu erhalten, sind deshalb die folgenden Verfahren vorgeschlagen worden: ein Verfahren, bei dem eine Pufferschicht gebildet wird und ein Erhitzen in einer Mischgasatmosphäre aus Ammoniak und Wasserstoff durchgeführt wird (beispielsweise Patentdokument 4); und ein Verfahren, bei dem eine Pufferschicht bei einer Temperatur von mehr als 400°C unter Einsatz von DC Zerstäuben gebildet wird (beispielsweise Patentdokument 5). In den in den Patentdokumenten 4 und 5 beschriebenen Verfahren wird ein Substrat aus Saphir, Silicium, Siliciumcarbid, Zinkoxid, Galliumphosphid, Galliumarsenid, Magnesiumoxid, Manganoxid oder einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Einkristall gebildet. Unter diesen Materialien ist ein Saphirsubstrat der a-Ebene bevorzugt.
- Zusätzlich ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, welches Umkehrzerstäuben auf einer Halbleiterschicht unter Einsatz eines Argongases als Vorverfahren durchführt, bevor Elektroden auf der Halbleiterschicht gebildet werden (beispielsweise Patentdokument 6). In dem in Patentdokument 6 beschriebenen Verfahren wird Umkehrzerstäuben auf der Oberfläche einer Gruppe-III-Nitrid-Verbindungshalbleiterschicht durchgeführt, um die elektrischen Kontakteigenschaften zwischen der Halbleiterschicht und den Elektroden zu verbessern.
- Obwohl das in Patentdokument 6 beschriebene Verfahren auf das Vorverfahren des Substrats angewandt wird, kommt es zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht zu Gitterfehlern. Es ist deshalb schwierig, eine Halbleiterschicht mit hoher Kristallinität auf dem Substrat zu bilden.
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- [Patentdokument 1]
JP 3 026 087 B2 - [Patentdokument 2] JP-A-4-297023
- [Patentdokument 3]
JP H05- 86 646 B2 - [Patentdokument 4]
JP 3 440 873 B2 - [Patentdokument 5]
JP 3 700 492 B2 - [Patentdokument 6]
JP H08- 264 478 A -
DE 692 29 265 T2 offenbart ein Verfahren zu Herstellung von monokristallinen GaN-Schichten, welches da Behandeln ses Substrats durch Sputterätzen mit Stickstoffplasma bei 600°C umfasst. -
US 2004 / 0 115 917 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Grupp III-Nitrid-Verbindungshalbleiter-Vorrichtungen, bei dem di Temperatur beim Aufwachsen einer AlN-Schicht bevorzugt kliener als 800°C ist. -
JP 2003-096 561 A1 -
DE 601 21 768 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Grupp III-Nitrid-Verbindungshalbleiter-Vorrichtungen, bei dem eine anfängliche Spannung einer Sputtervorrichtung so ausgewählt wird, dass sie nicht höher als 110° einer Sputterspannung ist, wenn eine erste Grupp III-Nitrid-Verbindungshalbleiterschicht auf dem Substrat mit einem Sputterverfahren aufgebracht wird. -
US 5 811 319 A offenbart ein Verfahren, bei dem ein GaN-Substrat mit Argonionen besputtert wird und anschließend eine Nickelelektrodenschicht aufgebracht wird. -
DE 692 03 736 T2 offenbart ein Verfahren zum Aufwachsen eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis auf ein Saphirsubstrat, wobei vor der Beschichtung die Oberfläche des Substrats bei 1060°C unter Zufuhr von H2-Gas gereinigt wird und bei 500°C mit einer Gasmischung aus H2 und N2 behandelt wird. - OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
- Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben
- Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in den vorstehend beschriebenen Verfahren des Standes der Technik nach dem Bilden der Pufferschicht auf dem Substrat ohne jegliches Vorverfahren ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter auf der Pufferschicht epitaxial gezüchtet. Deshalb gibt es zwischen dem Substrat und dem Gruppe-III-Nitrid Halbleiterkristall Gitterfehler, so dass es schwierig ist, einen stabilen und guten Kristall zu erhalten.
- Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Gruppe III Verbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung durch Bilden einer Pufferschicht auf einem Substrat mit einem Verfahren, das einen gleichförmigen Kristallfilm in kurzer Zeit bilden kann und auf der Pufferschicht einen Gruppe-III-Nitridhalbleiter züchten kann.
- Mittel zum Lösen der Aufgaben
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Untersuchungen durchgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und sie haben gefunden, dass es möglich ist, einen stabilen und guten Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall zu erhalten, indem auf einem Substrat eine geeignete Vorbehandlung durchgeführt wird, bevor eine Pufferschicht durch ein Zerstäubungsverfahren gebildet wird, und die Oberfläche des Substrats so exponiert wird, dass eine Gitterübereinstimmung zwischen dem Substrat und einer Gruppe-III-Nitridverbindung erzielt wird, wodurch die vorliegende Erfindung gemacht wurde.
- D.h., die vorliegende Erfindung betrifft das Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Bevorzuge Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
- Vorteile der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung bereit. Das Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung umfasst: ein später ausführlicher beschriebenes Vorverfahren, bei dem auf einem Substrat ein Plasmaverarbeiten durchgeführt wird; und
ein später ausführlicher beschriebenes Zerstäubungsverfahren, bei dem eine Zwischenschicht auf dem Substrat unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens nach dem Vorverfahren gebildet wird. Gemäß dieser Struktur wird die Zwischenschicht mit einer gleichförmigen Kristallstruktur auf der Oberfläche des Substrats gebildet, und es gibt keine Gitterfehler zwischen dem Substrat und einer Halbleiterschicht aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter. - Deshalb ist es möglich, einen Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit hoher Kristallinität auf dem Substrat effektiv zu züchten. Als Ergebnis ist es möglich, eine Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit hoher Produktivität und guten Emissionseigenschaften zu erhalten.
- Figurenliste
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1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel der Struktur eines laminierten Halbleiters einer erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung veranschaulicht. -
2 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Struktur der erfindungsgemäß hergestellten III Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schematisch veranschaulicht. -
3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur der erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schematisch veranschaulicht. -
4 ist ein Diagramm, das eine Lampe schematisch veranschaulicht, welche die erfindungsgemäß hergestellte Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung aufweist. -
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung veranschaulicht, und ist ein Graph, der die Daten der Röntgenstrahl-Halbwertsbreite eines GaN-Kristalls veranschaulicht. -
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung veranschaulicht, und ist ein Graph, der die Daten der Röntgenstrahl-Halbwertsbreite eines GaN-Kristalls veranschaulicht. - Die
7A bis7C sind Diagramme, die ein Beispiel der erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schematisch veranschaulichen, und sie zeigen die Struktur einer auf dem Substrat gebildeten Zwischenschicht. -
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schematisch veranschaulicht, und sie zeigt die schematische Struktur eines Zerstäubungsapparats. - BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
- Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die
1 bis6 beschrieben. - In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung wird eine Zwischenschicht 12 aus mindestens einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf einem Substrat 11 gebildet, und eine n-Typ Halbleiterschicht 14 mit einer Unterschicht 14a, eine Lichtemissionsschicht 15 und eine p-Typ Halbleiterschicht 16 werden nacheinander auf der Zwischenschicht 12 gebildet. Das Herstellungsverfahren umfasst ein Vorverfahren, das Plasmaverarbeiten auf dem Substrat 11 durchführt, und ein Zerstäubungsverfahren, das die Zwischenschicht 12 auf dem Substrat 11 unter Einsatz eines Zerstäubungsverfahrens nach dem Vorverfahren bildet.
- In dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird, wenn ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiterkristall auf dem Substrat 11 epitaxial gezüchtet wird, das Verfahren zum Durchführen des Plasmaverarbeitens auf dem Substrat 11 durchgeführt, bevor das Zerstäubungsverfahren zum Bilden der Zwischenschicht 12 aus einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat 11 durchgeführt wird. Das auf dem Substrat 11 durchgeführte Plasmaverarbeiten ermöglicht das effektive Züchten eines Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiters mit hoher Kristallinität. Eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung (im folgenden einfach als Lichtemissionsvorrichtung bezeichnet) hat eine in
1 gezeigte Halbleiterlaminatstruktur. In einem laminierten Halbleiter 10 ist die Zwischenschicht 12 aus mindestens einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat 11 gebildet, und die n-Typ Halbleiterschicht 14 mit der Unterschicht 14a, die Lichtemissionsschicht 15 und die p-Typ Halbleiterschicht 16 werden nacheinander auf der Zwischenschicht 12 gebildet. Zudem ist die Unterschicht 14 auf der Zwischenschicht 12 gebildet, und das Substrat 11 ist durch Plasmaverarbeiten vorverarbeitet worden. Die Zwischenschicht 12 ist durch ein Zerstäubungsverfahren hergestellt worden. - Wie die
2 und3 zeigen, ist in dem laminierten Halbleiter 10 gemäß dieser Ausführungsform eine transparente positive Elektrode 17 auf der p-Typ Halbleiterschicht 16 gebildet, und eine Anschlussfläche 18 für eine positive Elektrode ist auf der transparenten positiven Elektrode gebildet. Zudem ist in einer n-Typ Kontaktschicht 14b der n-Typ Halbleiterschicht 14 ein exponierter Bereich 14d ausgebildet, und eine negative Elektrode 19 ist auf dem exponierten Bereich 14d gebildet. Auf diese Weise wird eine Licht emittierende Vorrichtung 1 gebildet. - Als nächstes werden das Vorverfahren und das Zerstäubungsverfahren des Verfahrens zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform eingehend beschrieben.
- [Vorverfahren]
- Es ist bevorzugt, dass das Plasmaverarbeiten in dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform in Plasma durchgeführt wird, das ein eine aktive Plasmaart erzeugendes Gas, wie Stickstoff oder Sauerstoff, enthält. Insbesondere ist ein Stickstoffgas bevorzugt.
- Das Plasmaverarbeiten in dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform ist ein Umkehrzerstäuben.
- In dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird zwischen dem Substrat 11 und der Kammer 12 eine Spannung angelegt, so dass die Plasmateilchen effektiv auf dem Substrat 11 wirken.
- Als Ausgangsmaterialgas zum Durchführen des Plasmaverarbeitens auf dem Substrat 11 kann ein Gas, einschließlich nur eine Art der Komponente, oder ein Gemisch von Gasen, einschließlich mehrere Arten von Komponenten, eingesetzt werden. Der Partialdruck des Ausgangsmaterialgases, Stickstoff, ist beispielsweise vorzugsweise im Bereich von 1x10-2 bis 10 Pa, stärker bevorzugt 0,1 bis 5 Pa. Wenn der Partialdruck des Ausgangsmaterialgases übermäßig hoch ist, wird die Energie der Plasmateilchen reduziert, und die Vorverfahrenswirkung des Substrats 11 wird eingeschränkt. Wenn andererseits der Partialdruck übermäßig gering ist, ist die Energie der Plasmateilchen übermäßig hoch, und das Substrat 11 neigt dazu, beschädigt zu werden.
- Das Vorverfahren unter Einsatz des Plasmaverarbeitens wird 30 Sekunden bis 3600 Sekunden (1 Stunde) durchgeführt. Wenn die Verfahrensdauer unter dem vorstehend genannten Bereich liegt, ist es schwierig, die Wirkung des Plasmaverarbeitens zu erzielen. Wenn die Verfahrensdauer über dem vorstehend genannten Bereich liegt, werden die Eigenschaften nicht merklich verbessert, vielmehr wird die Geschwindigkeit des Vorgangs möglicherweise verringert. Es ist stärker bevorzugt, dass das Vorverfahren unter Einsatz des Plasmaverarbeitens 60 Sekunden bis 600 Sekunden (10 Minuten) durchgeführt wird.
- Die Temperatur des Plasmaverarbeitens ist im Bereich von 300 bis 800°C. Wenn die Verfahrenstemperatur übermäßig niedrig ist, ist es schwierig, eine ausreichende Wirkung des Plasmaverarbeitens zu erzielen. Wenn andererseits die Verarbeitungstemperatur übermäßig hoch ist, besteht die Neigung, dass die Oberfläche des Substrats beschädigt wird.
- In dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird dieselbe Kammer wie diejenige, die zum Bilden einer Zwischenschicht in dem Zerstäubungsverfahren eingesetzt wird, welches nachstehend beschrieben wird, eingesetzt, um das Plasmaverarbeiten durchzuführen. Durch das Einsetzen einer gemeinsamen Kammer für das Vorverfahren und das Zerstäubungsverfahren ist es möglich, die Herstellungskosten zu verringern. Wenn Umkehrzerstäuben als Plasmaverarbeiten unter den für die Abscheidung der Zwischenschicht eingesetzten Bedingungen durchgeführt wird, ist es möglich, die Zeit, die zum Ändern der Zerstäubungsbedingungen erforderlich ist, zu verringern, und die Geschwindigkeit des Vorgangs wird erhöht.
- In dem Vorverfahren wird das für das Plasmaverarbeiten eingesetzte Plasma unter Einsatz einer Hochfrequenzentladung erzeugt. Wenn Plasma unter Einsatz der Hochfrequenzentladung erzeugt wird, ist es möglich, das Vorverfahren unter Einsatz des Plasmaverarbeitens auf einem Substrat aus einem Isoliermaterial durchzuführen.
- Das auf dem Substrat 11 durchgeführte Vorverfahren kann auch ein Nassverfahren umfassen. Beispielsweise wird ein bekanntes RCA-Reinigungsverfahren auf einem Substrat aus Silicium durchgeführt, um die Oberfläche des Substrats mit Wasserstoff zu sättigen. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Bilden einer Zwischenschicht auf dem Substrat in dem Zerstäubungsverfahren stabilisiert, welches nachstehend eingehend beschrieben wird.
- In dieser Ausführungsform wird, nachdem das Plasmaverarbeiten auf dem Substrat 11 in dem Vorverfahren durchgeführt worden ist, die Zwischenschicht 12 aus einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat in einem Zerstäubungsverfahren gebildet, welches nachstehend beschrieben wird, und die n-Typ Halbleiterschicht 14, einschließlich die Unterschicht 14a wird auf der Zwischenschicht 12 gebildet. Auf diese Weise wird die Kristallinität eines Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiters deutlich verbessert, und die Emissionseigenschaften einer Lichtemissionsvorrichtung werden verbessert, was aus den folgenden Beispielen ersichtlich wird.
- Als ein Mechanismus zum Durchführen des Plasmaverarbeitens auf dem Substrat 11 zum Erzielen der vorstehend beschriebenen Wirkungen wird folgendes eingesetzt: ein Mechanismus, bei dem eine an die Oberfläche des Substrats 11 anhaftende Verunreinigung unter Einsatz des Umkehrzerstäubens entfernt wird, um die Oberfläche des Substrats 11 zu exponieren, so dass zwischen der Oberfläche des Substrats und einer Gruppe-III-Nitridverbindung eine Kristallgitterübereinstimmung erzielt wird.
- In dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird das Plasmaverarbeiten auf der Oberfläche des Substrats 11 in einer Mischatmosphäre von Ionenkomponenten und Radikalkomponenten ohne Ladung durchgeführt.
- Wenn beispielsweise nur die Ionenkomponenten auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen werden, um eine Verunreinigung von der Oberfläche des Substrats zu entfernen, wird übermäßig hohe Energie aufgetragen, wobei die Oberfläche des Substrats beschädigt wird und die Qualität der auf dem Substrat gezüchteten Kristalle beeinträchtigt wird.
- In dem Vorverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird, wie vorstehend beschrieben, das Plasmaverarbeiten in einer Mischatmosphäre aus Ionenkomponenten und Radikalkomponenten durchgeführt, um eine reaktive Spezies mit angemessener Energie mit dem Substrat 11 umzusetzen. Deshalb ist es möglich, beispielsweise eine Verunreinigung von der Oberfläche des Substrats 11 ohne Beschädigung der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Um diese Wirkungen zu erzielen, wird eine kleine Menge Ionenkomponenten, verwendet, um die Beschädigung der Oberfläche des Substrats zu verhindern; weiterhin wird die Oberfläche eines Substrats im Plasma verarbeitet, um eine Verunreinigung von der Oberfläche des Substrats zu entfernen.
- [Zerstäubungsverfahren]
- Das Zerstäubungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform verwendet ein Zerstäubungsverfahren zur Bildung der Zwischenschicht 12 auf dem Substrat 11. In dem Zerstäubungsverfahren wird beispielsweise die Zwischenschicht 12 durch Aktivieren und Umsetzen eines Metallausgangsmaterials mit Gas, einschließlich einem Gruppe V-Element, in Plasma gebildet.
- In dem Zerstäubungsverfahren ist im allgemeinen eine Technik eingesetzt worden, welche Plasma in einem magnetischen Feld beschränkt, um die Plasmadichte zu erhöhen, wodurch die Abscheidungseffizienz erhöht wird. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Oberfläche des Zerstäubungszieles durch Änderung der Magnetposition gleichförmig zu machen. Es kann ein Verfahren zum Bewegen des Magneten in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Art des Zerstäubungsapparates ausgewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, den Magneten hin und her zu schwingen oder zu drehen.
- Es ist bevorzugt, ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren einzusetzen, welches die Position eines Magneten einer Kathode verändert, um die Abscheidung durchzuführen, da das Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren die Abscheidungseffizienz erhöhen kann, wenn die Zwischenschicht 12 auf der Seitenoberfläche des Substrats 11 gebildet wird, was nachstehend eingehend beschrieben wird.
- In einem in
8 gezeigten Zerstäubungsapparat ist ein Magnet 42 unter einem Metallobjekt 47 angebracht (unterer Bereich in8 ), und der Magnet 42 wird unter dem Metallzielmaterial 47 durch eine Treibvorrichtung (nicht gezeigt) hin und her geschwungen. Stickstoffgas und Argongas werden in die Kammer 41 eingespeist, und eine Zwischenschicht wird auf dem an einem Heizgerät 44 befestigten Substrat 11 gebildet. In diesem Fall wird, wie vorstehend beschrieben, da der Magnet 42 unter dem Metallzielmaterial 47 hin und her geschwungen wird, Plasma auf die Kammer 41 eingeschränkt. Deshalb ist es möglich, eine gleichförmige Zwischenschicht auf der Seitenoberfläche 11b des Substrats 11 sowie der Frontoberfläche 11a zu bilden. - Wenn das Zerstäubungsverfahren eingesetzt wird, um die Zwischenschicht 12 zu bilden, umfassen andere wichtige Parameter als die Temperatur des Substrats 11 beispielsweise den Partialdruck von Stickstoff und den Innendruck eines Ofens.
- Es ist bevorzugt, dass der Innendruck eines Ofens, wenn die Zwischenschicht 12 durch das Zerstäubungsverfahren gebildet wird, mindestens 0,3 Pa ist. Wenn der Innendruck des Ofens unter 0,3 Pa ist, ist die Stickstoffmenge gering, und es besteht die Gefahr, dass das Zerstäubungsmetall an das Substrat 11 anhaftet, ohne nitrifiziert zu werden. Die Obergrenze des Innendrucks des Ofens ist nicht besonders eingeschränkt, der Ofen muss jedoch einen ausreichenden Innendruck haben, um Plasma zu erzeugen.
- Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis der Fließgeschwindigkeit von Stickstoff (N2) zu der Fließgeschwindigkeit von Ar im Bereich von 20 bis 80 % liegt. Wenn das Verhältnis der Fließgeschwindigkeit von Stickstoff zu der Fließgeschwindigkeit von Argon unter 20 % ist, besteht die Gefahr, dass ein Zerstäubungsmetall an das Substrat 11 anhaftet, ohne nitrifiziert zu werden. Wenn das Verhältnis der Fließgeschwindigkeit von Stickstoff zu der Fließgeschwindigkeit von Argon über 80 % ist, ist die Argonmenge relativ gering, so dass die Zerstäubungsrate verringert wird. Es ist stärker bevorzugt, dass das Verhältnis der Fließgeschwindigkeit von Stickstoff (N2) zu der Fließgeschwindigkeit von Ar im Bereich von 50 bis 80 % liegt.
- Wenn die Zwischenschicht 12 gebildet wird, ist die Abscheidungsrate vorzugsweise im Bereich von 0,01 nm/s bis 10 nm/s. Wenn die Abscheidungsrate unter 0,01 nm/s ist, wird kein Film gebildet, sondern es werden verstreute Inselformen gebildet. Folglich ist es schwierig, die gesamte Frontoberfläche des Substrats 11 zu bedecken. Wenn die Abscheidungsrate höher als 10 nm/s ist, wird kein Kristallfilm, sondern ein amorpher Film gebildet.
- Wenn die Zwischenschicht 12 durch das Zerstäubungsverfahren gebildet wird, ist es bevorzugt, ein reaktives Zerstäubungsverfahren zu verwenden, welches ein Gruppe V-Ausgangsmaterial in einen Reaktor einführt.
- Im allgemeinen wird in dem Zerstäubungsverfahren mit Erhöhung der Reinheit des Zielmaterials die Qualität eines dünnen Films, beispielsweise die Kristallinität eines dünnen Films, verbessert. Wenn die Zwischenschicht 12 durch das Zerstäubungsverfahren gebildet wird, kann ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter als Zielmaterial eingesetzt werden, das als Ausgangsmaterial dient, und das Zerstäuben kann in Inertgasplasma, wie Argongasplasma, durchgeführt werden. In dem reaktiven Zerstäubungsverfahren kann ein Gruppe III-Elementmetall oder ein Gemisch davon, das als Ausgangsmaterial eingesetzt wird, eine Reinheit haben, die höher ist als der Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter. Deshalb kann das reaktive Zerstäubungsverfahren die Kristallinität der Zwischenschicht 12 erhöhen.
- Wenn die Zwischenschicht 12 gebildet wird, ist die Temperatur des Substrats 11 im Bereich von 300 bis 800°C, stärker bevorzugt 400 bis 800°C. Wenn die Temperatur des Substrats 11 unter der Untergrenze ist, ist es schwierig, dass die Zwischenschicht 12 die gesamte Oberfläche des Substrats 11 bedeckt, und die Oberfläche des Substrats 11 neigt dazu, exponiert zu sein. Wenn die Temperatur des Substrats 11 über der Obergrenze liegt, wird die Wanderung des Metallausgangsmaterials übermäßig aktiviert, und die Zwischenschicht kann nicht als Pufferschicht dienen.
- Als ein Verfahren zum Umwandeln eines Metallausgangsmaterials in Plasma unter Einsatz des Zerstäubens, um einen Mischkristall als Zwischenschicht abzuscheiden, kann ein beliebiges der folgenden Verfahren verwendet werden. Ein Verfahren, bei dem ein Zielmaterial aus einem Gemisch von Metallmaterialien (eine Legierung wird nicht notwendigerweise gebildet) vorher präpariert wird; und ein Verfahren, bei dem zwei Zielmaterialien aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden und die Zielmaterialien gleichzeitig zerstäubt werden. Wenn beispielsweise ein Film mit einer festgelegten Zusammensetzung gebildet wird, kann ein Zielmaterial aus einem Materialgemisch eingesetzt werden. Wenn mehrere Filme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet werden, kann eine Vielzahl von Zielmaterialien in der Kammer bereitgestellt werden.
- Eine allgemein bekannte Nitridverbindung kann als Stickstoffausgangsmaterial in dieser Ausführungsform ohne jegliche Beschränkung eingesetzt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass Ammoniak oder Stickstoff (N2), das verhältnismäßig kostengünstig und leicht zu behandeln ist, als das Ausgangsmaterial eingesetzt wird.
- Die Verwendung von Ammoniak ist bevorzugt, weil es eine hohe Zersetzungseffizienz hat und bei einer hohen Wachstumsgeschwindigkeit abgeschieden werden kann. Ammoniak hat jedoch eine hohe Reaktivität und Toxizität. Deshalb erfordert Ammoniak eine Entgiftungsvorrichtung oder einen Gasdetektor, und es ist erforderlich, dass ein für einen Reaktor eingesetztes Element aus einem Material mit hoher chemischer Beständigkeit eingesetzt wird.
- Wenn Stickstoff (N2) als Ausgangsmaterial eingesetzt wird, kann ein einfacher Apparat verwendet werden, es ist jedoch schwierig, eine hohe Reaktionsrate zu erzielen. Wenn ein Verfahren zum Zersetzen von Stickstoff mit beispielsweise einem elektrischen Feld oder durch Erhitzen und Einführen in einen Apparat verwendet wird, ist es möglich, eine Abscheidungsrate zu erzielen, die für die industrielle Herstellung ausreicht, die jedoch geringer ist als bei der Verwendung von Ammoniak. Deshalb ist Stickstoff bezüglich der Herstellungskosten am stärksten bevorzugt.
- Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 gebildet wird, so dass die Seitenoberfläche des Substrats 11 bedeckt wird. Zudem ist es am stärksten bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 gebildet wird, so dass die Seitenoberfläche und die rückwärtige Oberfläche des Substrats 11 bedeckt werden. Wenn jedoch eine Zwischenschicht durch ein Abscheidungsverfahren gemäß dem Stand der Technik gebildet wird, ist es erforderlich, ein Maximum von 6 bis 8 Abscheidungsvorgängen durchzuführen, so dass es lange dauert, die Zwischenschicht zu bilden.
- Als weiteres Abscheidungsverfahren kann das folgende eingesetzt werden: ein Verfahren, bei dem ein Substrat in einer Kammer angeordnet wird, ohne dass das Substrat gehalten wird, wobei eine Zwischenschicht auf der gesamten Oberfläche des Substrats gebildet wird. In diesem Fall wird jedoch, wenn ein Erhitzen des Substrats erforderlich ist, der Herstellungsapparat kompliziert.
- Deshalb wird, wie vorstehend beschrieben wurde, beispielsweise ein Zersetzungsverfahren in Betracht gezogen, das ein Substrat hin und her schwingt oder dreht, um die Position des Substrats in der Zerstäubungsrichtung eines filmbildenden Materials während der Abscheidung zu verändern. In diesem Verfahren wird ein Film auf der Frontoberfläche und der Seitenoberfläche des Substrats durch ein Verfahren gebildet, und ein Film wird auf der rückwärtigen Oberfläche des Substrats durch das nächste Abscheidungsverfahren gebildet. D.h., dass es möglich ist, einen Film auf der gesamten Oberfläche des Substrats durch insgesamt zwei Verfahren zu bilden.
- Zudem kann das folgende Verfahren eingesetzt werden: ein Verfahren, bei dem ein filmbildendes Material von einer großen Quelle erzeugt wird, die Position, an der das Material erzeugt wird, verändert wird, und ein Film auf der gesamten Oberfläche eines Substrats gebildet wird, ohne dass das Substrat bewegt wird. Ein Beispiel des Verfahrens ist ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren, das einen Magneten hin und her bewegt oder dreht, um die Position eines Magneten einer Kathode in einem Zielmaterial während der Abscheidung zu bewegen. Wenn das Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren zur Bildung eines Films eingesetzt wird, können sowohl das Substrat als auch die Kathode bewegt werden. Zudem kann die Kathode, die eine Materialquelle ist, in der Nachbarschaft des Substrats angeordnet werden, um Plasma bereitzustellen, so dass das Substrat umgeben wird, ohne dass strahlenförmiges Plasma zu dem Substrat gegeben wird. In diesem Fall ist es möglich, gleichzeitig einen Film auf der Frontoberfläche und der Seitenoberfläche des Substrats zu bilden.
- Als Verfahren zum Erzeugen von Plasma kann ein beliebiges der folgenden Verfahren eingesetzt werden: ein Zerstäubungsverfahren wie in dieser Ausführungsform, bei dem Hochspannung mit einem spezifischen Vakuumgrad angelegt wird, um eine Entladung zu erzeugen; ein PLD-Verfahren, bei dem ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte zur Erzeugung von Plasma gestrahlt wird; und ein PED-Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl zur Erzeugung von Plasma gestrahlt wird. Unter den vorstehend genannten Verfahren ist das Zerstäubungsverfahren bevorzugt, da es das einfachste Verfahren ist und für die Massenproduktion geeignet ist. Wenn ein DC-Zerstäubungsverfahren verwendet wird, wird die Oberfläche eines Zielmaterials aufgeladen, und die Abscheidungsrate neigt zur Instabilität. Deshalb ist es bevorzugt, ein Zerstäubungsverfahren mit pulsierendem Gleichstrom oder ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren einzusetzen.
- In dem Zerstäubungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird ein Zerstäubungsverfahren eingesetzt, um eine Zwischenschicht auf dem Substrat zu bilden, das in dem Vorverfahren einem Umkehrzerstäuben ausgesetzt worden war. Deshalb gibt es zwischen dem Substrat und dem Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristall keine Gitterfehlstellen, so dass es möglich ist, eine Zwischenschicht mit hoher und stabiler Kristallinität zu erhalten.
- Die Struktur der Licht emittierenden Vorrichtung 1, erhalten durch das Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform, welche das Vorverfahren und das Zerstäubungsverfahren umfasst, wird im folgenden eingehend beschrieben.
- [Substrat]
- In dieser Ausführungsform kann das Substrat 11 aus einem beliebigen Material gebildet sein, solange ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiterkristall auf der Oberfläche des Substrats epitaxial wachsen kann. Das Substrat kann beispielsweise aus einem beliebigen der folgenden Materialien gebildet sein: Saphir, SiC, Silicium, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Manganoxid, Zirkoniumoxid, Manganzinkeisenoxid, Magnesiumaluminiumoxid, Zirkoniumborid, Galliumoxid, Indiumoxid, Lithiumgalliumoxid, Lithiumaluminiumoxid, Neodymgalliumoxid, Lanthanstrontiumaluminiumtantaloxid, Strontiumtitanoxid, Titanoxid, Hafnium, Wolfram und Molybdän. Unter diesen Materialien ist Saphir besonders bevorzugt.
- Wenn die Zwischenschicht ohne Verwendung von Ammoniak gebildet wird, wird eine Unterschicht, die nachstehend beschrieben wird, durch ein Verfahren unter Verwendung von Ammoniak gebildet, und es wird ein Oxidsubstrat oder ein Metallsubstrat aus einem Material, das Ammoniak bei einer hohen Temperatur kontaktiert, um chemisch modifiziert zu werden, unter den Substratmaterialien eingesetzt, wobei die Zwischenschicht gemäß dieser Ausführungsform auch als Überzugsschicht dient. Deshalb ist diese Struktur wirksam, die chemische Modifikation des Substrats zu verhindern.
- [Zwischenschicht]
- In dem laminierten Halbleiter 10 gemäß dieser Ausführungsform wird die Einkristallzwischenschicht 12 aus einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat 11 durch das Zerstäubungsverfahren gebildet. Die Zwischenschicht 12 wird durch das Zerstäubungsverfahren gebildet, welches die Reaktion zwischen einem Metallausgangsmaterial und Gas, einschließlich einem Gruppe V-Element, in Plasma aktiviert.
- Die Zwischenschicht 12 muss 60 % oder mehr, vorzugsweise 80 % oder mehr der Frontoberfläche 11a des Substrats 11 bedecken. Es ist bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 so gebildet wird, dass 90 % oder mehr der Frontoberfläche des Substrats 11, ausgedrückt als Funktion einer Überzugsschicht des Substrats 11, bedeckt werden. Es ist am stärksten bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 so gebildet wird, dass die gesamte Frontoberfläche 11a des Substrats 11 ohne jeglichen Spalt gebildet wird.
- Wenn die Oberfläche des Substrats 11 exponiert wird, ohne dass sie von der Zwischenschicht 12 bedeckt wird, haben ein Teil der Unterschicht 14a, die auf der Zwischenschicht 12 gebildet worden ist, und der andere Teil der Unterschicht 14a, der direkt auf dem Substrat 11 gebildet worden ist, unterschiedliche Gitterkonstanten. Deshalb wird ein gleichförmiger Kristall nicht erhalten, und es treten Hügel oder Vertiefungen auf.
- In dem Zerstäubungsverfahren kann, wenn eine Zwischenschicht auf dem Substrat 11 gebildet wird, wie in
7a gezeigt, eine Zwischenschicht 12a so gebildet werden, dass nur die Frontoberfläche 11a des Substrats bedeckt wird. Wie in7B gezeigt wird, muss eine Zwischenschicht 12b nicht so ausgebildet werden, dass die Frontoberfläche 11a und die Seitenoberfläche 11b des Substrats 11 bedeckt werden. Wie in7C gezeigt wird, ist es am stärksten bevorzugt, dass eine Zwischenschicht 12c so ausgebildet wird, das die Frontoberfläche 11a, die Seitenoberfläche 11b und die rückwärtige Oberfläche 11c des Substrats 11, ausgedrückt als Funktion einer Überzugsschicht, bedeckt werden. - Wie vorstehend beschrieben wurde, kontaktiert in einem MOCVD-Verfahren in einigen Fällen ein Ausgangsmaterialgas die Seitenoberfläche oder die rückwärtige Oberfläche des Substrats. Wenn Schichten aus Gruppe-III-Nitridverbundhalbleiterkristall, die nachstehend beschrieben werden, durch das MOCVD-Verfahren gebildet werden, um die Reaktion zwischen dem Ausgangsmaterial und dem Substrat zu verhindern, ist es deshalb bevorzugt, dass die in
7C gezeigte Zwischenschicht 12c gebildet wird, um die Seitenoberfläche und die rückwärtige Oberfläche des Substrats zu schützen. - Der Kristall einer Gruppe-III-Nitridverbindung, welche die Zwischenschicht bildet, hat eine hexagonale Kristallstruktur, und es ist möglich, die Abscheidungsbedingungen zu kontrollieren, um einen Einkristallfilm zu bilden. Zudem ist es möglich, den Kristall der Gruppe-III-Nitridverbindung in einen stängelförmigen Kristall abzuändern, der aus einer Textur zusammengesetzt ist, die einen hexagonalen Stängel als Basis aufweist, indem die Abscheidungsbedingungen kontrolliert werden. Der stängelförmige Kristall bedeutet einen Kristall, der in Längsquerschnittansicht eine Stängelform hat, und eine Kristallkörnchengrenze wird zwischen benachbarten Kristallkörnchen gebildet.
- Es ist bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 eine Einkristallstruktur, ausgedrückt als eine Pufferfunktion, aufweist. Wie vorstehend beschrieben wurde, hat der Kristall der Gruppe-III-Nitridverbindung eine hexagonale Kristallstruktur und bildet eine Textur mit einem hexagonalen Stängel als Basis. Der Kristall der Gruppe-III-Nitridverbindung kann in der ebenen Richtung unter Bildung einer Einkristallstruktur wachsen, indem die Abscheidungsbedingungen kontrolliert werden. Wenn die Zwischenschicht 12 mit der Einkristallstruktur auf dem Substrat 11 gebildet wird, wirkt deshalb die Pufferfunktion der Zwischenschicht effektiv, und eine auf der Zwischenschicht gebildete Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht wird ein Kristallfilm mit guter angepasster Anordnung und Kristallinität.
- Wenn die Zwischenschicht 12 aus einem Polykristall gebildet wird, der ein Aggregat von stängelförmigen Kristallen ist, ist der Mittelwert der Breiten der Körnchen der stängelförmigen Kristalle vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 nm, stärker bevorzugt 1 bis 80 nm, bezogen auf die Funktion einer Pufferschicht. Wenn die Pufferschicht aus einem Aggregat stängelförmiger Kristalle gebildet wird, um die Kristallinität einer Kristallschicht aus einem auf der Zwischenschicht gebildeten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter zu verbessern, ist es erforderlich, die Breite der Körnchen jedes stängelförmigen Kristalls in geeigneter Weise zu kontrollieren. Im speziellen ist es bevorzugt, dass der Mittelwert der Breiten der Kristallkörnchen innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs liegt. Die Breite der Körnchen jedes stängelförmigen Kristalls kann aus einem Foto einer Querschnitts TEM leicht gemessen werden.
- Wenn die Zwischenschicht auf einem Polykristall gebildet wird, ist es bevorzugt, dass das Körnchen jedes Kristalls eine im wesentlichen stängelförmige Form hat, und die Zwischenschicht aus einem Aggregat von zylindrischen Körnchen gebildet wird.
- In der vorliegenden Erfindung ist die Breite der Körnchen der Abstand zwischen den Kontaktflächen von Kristallen, wenn die Zwischenschicht ein Aggregat von zylindrischen Körnchen ist. Wenn die Körnchen als Inselformen verstreut sind, bedeutet die Breite der Körnchen die Länge der Diagonallinie des längsten Teils der Oberfläche des Kristallkörnchens, das mit der Oberfläche des Substrats in Kontakt kommt.
- Die Dicke der Zwischenschicht 12 ist vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 nm, stärker bevorzugt 20 bis 100 nm.
- Wenn die Dicke der Zwischenschicht 12 weniger als 10 nm ist, wird eine ausreichende Pufferfunktion nicht erzielt. Wenn andererseits die Dicke der Zwischenschicht 12 über 500 nm ist, dient die Zwischenschicht als Pufferschicht, die Abscheidungszeit wird jedoch erhöht, was zu einer geringen Produktivität führt.
- Die Zwischenschicht 12 wird vorzugsweise aus einer Al enthaltenden Zusammensetzung, stärker bevorzugt einer AlN enthaltenden Zusammensetzung gebildet.
- Die Zwischenschicht 12 kann aus einem beliebigen Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter der allgemeinen Formel AlGaInN gebildet sein. Die Zwischenschicht 12 kann zudem aus einem ein Gruppe V-Element, wie As oder P, enthaltenden Material gebildet sein.
- Es ist bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 aus GaAlN als die Al enthaltende Zusammensetzung gebildet wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der Al-Gehalt 50 % oder mehr ist.
- Es ist zudem bevorzugt, dass die Zwischenschicht 12 aus AlN gebildet wird, wenn die Zwischenschicht aus einem Aggregat von stängelförmigen Kristallen gebildet wird. In diesem Fall ist es möglich, ein Aggregat von stängelförmigen Kristallen effektiv zu bilden.
- [Laminierter Halbleiter]
- Wie
1 zeigt, wird in dem laminierten Halbleiter 10 eine Licht emittierende Halbleiterschicht, die die n-Typ Halbleiterschicht 14, die Licht emittierende Schicht 15 und die p-Typ Halbleiterschicht 16 umfasst, die jeweils aus einem Nitridverbindungshalbleiter gemacht sind, auf dem Substrat 11 mit der dazwischen liegenden Zwischenschicht 12 gebildet. - Die n-Typ Halbleiterschicht 14 umfasst mindestens eine Unterschicht 14a aus einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter, und die Unterschicht 14a wird auf der Zwischenschicht 12 gebildet.
- Wie vorstehend beschrieben wurde, kann eine Kristalllaminierte Struktur mit derselben Funktion wie der in
1 gezeigte laminierte Halbleiter auf der Unterschicht 14a aus einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter gebildet werden. Wenn beispielsweise eine Halbleiter-laminierte Struktur für eine Licht emittierende Vorrichtung gebildet wird, kann eine n-Typ Leiterschicht, die mit einem n-Typ Dotierungsmittel dotiert ist, wie Si, Ge oder Sn, oder eine p-Typ Leiterschicht, die mit einem p-Typ Dotierungsmittel dotiert ist, wie Mg, gebildet werden. Eine Licht emittierende Schicht kann beispielsweise aus InGaN gebildet sein, und eine Deckschicht kann aus AlGaN gebildet sein. Daher kann eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterkristallschicht mit einer zusätzlichen Funktion auf der Unterschicht 14a gebildet werden, wobei ein Wafer mit einer Halbleiter-laminierten Struktur hergestellt wird. Der Wafer wird eingesetzt, um eine Licht emittierende Diode, eine Laserdiode oder eine elektronische Vorrichtung herzustellen. - Im folgenden wird der laminierte Halbleiter 10 eingehend beschrieben.
- Als die Nitridverbindungshalbleiter sind verschiedene Arten von Galliumnitridverbindungshalbleitern bekannt, die durch die allgemeine Formel AlxGayInzN1-AMA dargestellt sind (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤Z≤1, und X+Y+Z=1. M stellt ein anderes Gruppe V-Element als Stickstoff (N) dar, und 0≤A<1). Die vorliegende Erfindung kann auch eine beliebige Art von Galliumnitridverbindungshalbleitern der allgemeinen Formel AlxGayInzN1-AMA darstellen (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤Z≤1, und X+Y+Z=1; M stellt ein anderes Gruppe V-Element als Stickstoff N dar; und 0≤A<1) zusätzlich zu den bekannten Galliumnitridverbindungshalbleitern.
- Der Galliumnitridverbindungshalbleiter kann andere Gruppe III-Elemente als Al, Ga und In enthalten und kann Elemente, wie Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Be, P, As und B, bei Bedarf enthalten. Zudem kann er Dotierungsmittel, ein Ausgangsmaterial und eine sehr kleine Menge von in einem Rückkopplungsspulenmaterial enthaltenen Dotierungsmitteln, die in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen notwendigerweise enthalten sind, zusätzlich zu den Elementen, die absichtlich zugegeben werden, enthalten.
- Ein Verfahren zum Züchten der Galliumnitridverbindungshalbleiter ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann jedes Verfahren, bei dem ein Nitridverbindungshalbleiter gezüchtet wird, wie ein MOCVD-Verfahren (metallorganische Gasphasenepitaxie), ein HVPE-Verfahren (Hydriddampfphasenepitaxie-Verfahren) oder ein MBE-Verfahren (Molekülstrahlepitaxie) eingesetzt werden, um den Nitridverbindungshalbleiter zu züchten. Das MOCVD-Verfahren ist wegen der Kontrolle der Dicke eines Films und wegen der Massenproduktion bevorzugt. In dem MOCVD-Verfahren wird Wasserstoff (H2) oder Stickstoff (N2) als Trägergas eingesetzt, Trimethylgallium (TMG) oder Triethylgallium (TEG) wird als Galliumquelle eingesetzt, welches ein Gruppe III-Element ist, Trimethylaluminium (TMA) oder Triethylaluminium (TEA) wird als Aluminiumquelle eingesetzt, Trimethylindium (TMI) oder Triethylindium (TEE) wird als Indiumquelle eingesetzt, und Ammoniak (NH3) oder Hydrazin (N2H4) wird als Stickstoffquelle eingesetzt, welches ein Gruppe V-Element ist. Zudem können beispielsweise Materialien auf Si-Basis, wie Monosilan (SiH4) und Disilan (Si2H6), und Materialien auf Ge-Basis, d.h. organische Germaniumverbindungen, wie German (GeH4), Tetramethylgermanium ((CH3)4Ge) und Tetraethylgermanium ((C2H5)4Ge) als Endtyp-Dotierungsmittel eingesetzt werden. In dem MBE-Verfahren kann elementares Germanium als Dotierungsmittelquelle eingesetzt werden. Materialien auf Mg-Basis, wie Bis-cyclopentadienylmagnesium (Cp2Mg) und Bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp2Mg) werden als p-Typ Dotierungsmittel verwendet.
- <N-Typ-Halbleiterschicht>
- Die n-Typ-Halbleiterschicht 14 wird im allgemeinen auf der Zwischenschicht 12 gebildet und umfasst die Unterschicht 14a, eine n-Typ-Kontaktschicht 14b und eine n-Typ-Abdeckschicht 14c. Die n-Typ-Kontaktschicht kann auch als Unterschicht und/oder n-Typ-Abdeckschicht dienen. Die Unterschicht kann auch als n-Typ-Kontaktschicht und/oder n-Typ-Abdeckschicht dienen.
- <Unterschicht>
- Die Unterschicht 14a ist aus einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter hergestellt und ist auf dem Substrat 11 gebildet.
- Die Unterschicht 14a kann aus einem Material, das sich von dem die Zwischenschicht 12 bildenden Material unterscheidet, auf dem Substrat 11 gebildet sein. Die Unterschicht 14a ist vorzugsweise aus AlxGa1-xN hergestellt (0≤x≤1, vorzugsweise 0≤x≤0,5, stärker bevorzugt 0≤x≤0,1) .
- Die Unterschicht 14a ist aus einer Gruppe-III-Nitridverbindung, einschließlich Ga hergestellt, d.h. einem GaN-Verbindungshalbleiter. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Unterschicht aus AlGaN oder GaN gebildet ist.
- Es ist erforderlich, durch Migration eine Versetzungsschleife zu bilden, so dass die Unterschicht 14a nicht der Kristallinität der Zwischenschicht 12 folgt, wenn die Zwischenschicht 12 aus einem Aggregat von stängelförmigen Kristallen aus AlN gebildet ist. Beispielsweise ist die Unterschicht aus einem Ga umfassenden Verbindungshalbleiter auf GaN-Basis gebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Unterschicht aus AlGaN oder GaN gebildet ist.
- Die Dicke der Unterschicht ist vorzugsweise nicht weniger als 0,1 pm, stärker bevorzugt nicht weniger als 0,5 µm und am stärksten bevorzugt nicht weniger als 1 µm. Wenn die Dichte über dem vorstehend genannten Bereich liegt, ist es leicht, eine AlxGa1-xN-Schicht mit hoher Kristallinität zu erhalten.
- Die Unterschicht 14a kann mit einem n-Typ-Dotierungsmittel in einem Konzentrationsbereich von 1×1017 bis 1×1019/cm3 bei Bedarf dotiert sein, oder die Unterschicht 14a kann undotiert sein (<1×1017/cm3). Es ist bevorzugt, dass die Unterschicht 14a undotiert ist, um eine hohe Kristallinität aufrechtzuerhalten. Beispielsweise werden Si, Ge und Sn, vorzugsweise Si und Ge, als n-Typ-Dotierungsmittel eingesetzt, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
- Wenn ein Leitersubstrat als Substrat 11 eingesetzt wird, wird die Unterschicht 14a mit einem Dotierungsmittel dotiert, und die Unterschicht 14a hat eine Schichtstruktur, die es zulässt, dass ein Fluss in Längsrichtung strömt. Auf diese Weise können auf beiden Oberflächen eines Chips der Lichtemissionsvorrichtung Elektroden gebildet werden.
- Wenn ein Isolierungssubstrat als Substrat 11 eingesetzt wird, wird eine Chipstruktur, worin Elektroden auf einer Oberfläche des Chips der Lichtemissionsvorrichtung gebildet werden, eingesetzt. Deshalb ist es bevorzugt, dass die Unterschicht 14a, die auf dem Substrat 11 mit der dazwischen liegenden Zwischenschicht 12 gebildet wird, undotiert ist, um die Kristallinität zu verbessern.
- (Verfahren zum Bilden der Unterschicht)
- Im folgenden wird ein Verfahren zum Bilden der Unterschied gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
- In dieser Ausführungsform kann, nachdem die Zwischenschicht 12 auf dem Substrat 11 durch das vorstehend beschriebene Verfahren gebildet worden ist, die Unterschicht 14a aus einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter auf der Zwischenschicht gebildet werden. Bevor die Unterschicht 14a gebildet wird, ist es nicht besonders erforderlich, ein Glühverfahren durchzuführen. Wenn jedoch ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiterfilm durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren, beispielsweise MOCVD, MBE oder VPE, gebildet wird, werden ein Temperaturerhöhungsverfahren und ein Temperaturstabilisierungsverfahren, die keine Filmabscheidung umfassen, benötigt, und während dieser Verfahren wird ein Gruppe V Ausgangsmaterialgas im allgemeinen in die Kammer eingeführt. Als Ergebnis wird eine Glühwirkung erzielt.
- In diesem Fall kann ein allgemeines Gas als Trägergas ohne jegliche Einschränkungen oder Wasserstoff oder Stickstoff, die allgemein in chemischen Dampfabscheidungsverfahren, wie MOCVD, eingesetzt werden, als Trägergas verwendet werden. Wenn jedoch Wasserstoff als Trägergas eingesetzt wird, kann die Kristallinität der Unterschicht oder die Flachheit einer Kristalloberfläche aufgrund einer Temperaturerhöhung in relativ aktivem Wasserstoff beschädigt werden. Deshalb ist es bevorzugt, die Verfahrensdauer zu verkürzen.
- Ein Verfahren zum Bilden der Unterschicht 14a ist nicht besonders eingeschränkt. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann ein beliebiges Kristallzüchtungsverfahren eingesetzt werden, solange es eine Versetzungsschleife bilden kann. Insbesondere ist MOCVD, MBE oder VPE bevorzugt, einen Film mit hoher Kristallinität zu bilden, da es die vorstehend beschriebene Migration erzeugen kann. Unter diesen Verfahren ist MOCVD stärker bevorzugt, da es einen Film mit der höchsten Kristallinität bilden kann.
- Zusätzlich kann ein Zerstäubungsverfahren eingesetzt werden, um die Unterschicht 14a aus einem Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter zu bilden. Wenn das Zerstäubungsverfahren eingesetzt wird, ist es möglich, die Struktur eines Apparats im Vergleich zu MOCVD oder MBE zu vereinfachen.
- Wenn die Unterschicht 14a durch das Zerstäubungsverfahren gebildet wird, ist es bevorzugt, ein reaktives Zerstäubungsverfahren einzusetzen, das ein Gruppe V Ausgangsmaterial in einen Reaktor einführt. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in dem Zerstäubungsverfahren mit dem Erhöhen der Reinheit des Zielmaterials die Qualität eines dünnen Films, wie die Kristallinität eines dünnen Films, verbessert. Wenn die Unterschicht 14a durch das Zerstäubungsverfahren gebildet wird, kann ein Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter als Zielmaterial eingesetzt werden, das als Ausgangsmaterial dient, und das Zerstäuben kann in einem Inertgasplasma durchgeführt werden, beispielsweise in Argongasplasma. In dem Reaktivzerstäubungsverfahren kann ein Gruppe III Elementmetall oder ein Gemisch davon, das als Zielmaterial eingesetzt wird, eine Reinheit haben, die höher ist als diejenige eines Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiters. Deshalb kann das reaktive Zerstäubungsverfahren die Kristallinität der Unterschicht 14a verbessern.
- Die Temperatur des Substrats 11 ist, wenn die Unterschicht 14a gebildet wird, d.h. die Zersetzungstemperatur der Unterschicht 14a, vorzugsweise nicht niedriger als 800°C, stärker bevorzugt nicht niedriger als 900°C und am stärksten bevorzugt nicht niedriger als 1000°C. Wenn die Temperatur des Substrats 11 während der Zersetzung der Unterschicht 14a hoch ist, ist es wahrscheinlicher, dass Atome wandern, und es ist einfach, eine Versetzungsschleife zu bilden. Zudem muss die Temperatur des Substrats 11, wenn die Unterschicht 14a gebildet wird, niedriger sein als die Kristallzersetzungstemperatur. Beispielsweise ist es bevorzugt, dass die Temperatur des Substrats niedriger als 1200°C ist. Wenn die Temperatur des Substrats 11 während der Abscheidung der Unterschicht 14a in dem vorstehend genannten Bereich liegt, ist es möglich, die Unterschicht 14a mit hoher Kristallinität zu erhalten.
- Zudem ist es bevorzugt, dass der Innendruck eines MOCVD-Ofens im Bereich von 15 bis 40 kPa liegt.
- <N-Typ-Kontaktschicht>
- Es ist bevorzugt, dass ähnlich wie die Unterschicht 14a die n-Typ-Kontaktschicht 14b aus AlxGa1-xN gebildet wird (0≤x ≤1, vorzugsweise 0≤x≤5, stärker bevorzugt 0≤x≤0,1) . Die n-Typ-Kontaktschicht ist vorzugsweise mit einem n-Typ-Dotierungsmittel im Konzentrationsbereich von 1×1017 bis 1×1019/cm3, stärker bevorzugt 1×1018 bis 1×1019/cm3 dotiert, um einen guten Ohm'schen Kontakt mit der negativen Elektrode aufrechtzuerhalten, das Auftreten von Brüchen zu verhindern und eine hohe Kristallinität aufrechtzuerhalten. Beispielsweise werden Si, Ge und Sn, vorzugsweise Si und Ge, als n-Typ-Dotierungsmittel eingesetzt, die vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Abscheidungstemperatur der n-Typ-Kontaktschicht ist dieselbe wie diejenige der Unterschicht.
- Es ist bevorzugt, dass die Galliumnitridverbindungshalbleiter, welche die Unterschicht 14a und die n-Typ-Kontaktschicht 14b bilden, dieselbe Zusammensetzung haben. Die Summe der Dicken der Unterschicht und der n-Typ-Kontaktschicht ist vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20 pm, stärker bevorzugt 2 bis 15 µm und am stärksten bevorzugt 3 bis 12 µm. Wenn die Dicke in dem vorstehend beschriebenen Bereich ist, ist es möglich, die Kristallinität des Halbleiters auf einem hohen Niveau zu halten.
- Es ist bevorzugt, die n-Typ-Abdeckschicht 14c zwischen der n-Typ-Kontaktschicht 14b und der Lichtemissionsschicht 15 bereitzustellen, was nachstehend beschrieben wird. Die n-Typ-Abdeckschicht 14c ermöglicht es, die Unebenheit der äußeren Oberfläche der n-Typ-Kontaktschicht 14b auszugleichen. Die n-Typ-Abdeckschicht 14c kann beispielsweise aus AlGaN, GaN oder GaInN gebildet sein. Zusätzlich kann eine Heteroübergangsstruktur dieser Schichten oder eine Supergitterstruktur einer Vielzahl von Schichten eingesetzt werden. Wenn die n-Typ-Abdeckschicht aus GaInN gebildet ist, ist es bevorzugt, dass der Bandenabstand von GaInN der n-Typ-Abdeckschicht größer ist als derjenige von GaInN der Lichtemissionsschicht 15.
- <N-Typ-Abdeckschicht>
- Die Dicke der n-Typ-Abdeckschicht 14c ist nicht besonders eingeschränkt, sie ist jedoch vorzugsweise im Bereich von 5 bis 500 nm, stärker bevorzugt 5 bis 100 nm.
- Die n-Typ-Dotierungsmittelkonzentration der n-Typ-Abdeckschicht 14c ist vorzugsweise im Bereich von 1×1017 bis 1×1020/cm3, stärker bevorzugt 1×1018 bis 1×1019/cm3.
- Wenn die Dotierungsmittelkonzentration innerhalb des vorstehend erwähnten Bereichs ist, ist es möglich, eine hohe Kristallinität aufrechtzuerhalten und die Betriebsspannung der Lichtemissionsvorrichtung zu reduzieren.
- <P-Typ-Halbleiterschicht>
- Im allgemeinen umfasst die p-Typ-Halbleiterschicht 16 eine p-Typ-Abdeckschicht 16a und eine p-Typ-Kontaktschicht 16b. Die p-Typ-Kontaktschicht kann auch als p-Typ-Abdeckschicht dienen.
- <P-Typ-Abdeckschicht>
- Die p-Typ-Abdeckschicht 16a ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie eine Zusammensetzung hat, die eine Bandenabstandsenergie aufweist, die höher ist als diejenige der Lichtemissionsschicht 15, und sie die Träger in der Lichtemissionsschicht 15 einschränken kann. Es ist bevorzugt, dass die p-Typ-Abdeckschicht 16a aus AldGa1-dN gebildet wird (0≤d≤0,4, vorzugsweise 0, 1≤d≤3) . Wenn die p-Typ-Abdeckschicht 16a aus AlGaN gebildet wird, ist es möglich, Träger in der Lichtemissionsschicht 15 einzugrenzen. Die Dicke der p-Typ-Abdeckschicht 16a ist nicht besonders eingeschränkt, sie ist jedoch bevorzugt im Bereich von 1 bis 400 nm, stärker bevorzugt 5 bis 100 nm. Die p-Typ-Dotierungsmittelkonzentration der p-Typ-Abdeckschicht 16a ist vorzugsweise im Bereich von 1×1018 bis 1×1021/cm3, stärker bevorzugt 1×1019 bis 1×1020/cm3. Dieser p-Typ-Dotierungsmittelkonzentrationsbereich ermöglicht es, einen guten p-Typ-Kristall ohne Beeinträchtigung der Kristallinität zu erhalten.
- <P-Typ-Kontaktschicht>
- Die p-Typ-Kontaktschicht 16b ist aus einer Galliumnitridverbindungshalbleiterschicht zusammengesetzt, die zumindest AleGa1-cN enthält (0≤e<0,5, vorzugsweise 0≤e≤0,2, stärker bevorzugt 0≤e≤0,1). Wenn die Al-Zusammensetzung innerhalb des vorstehenden Bereichs liegt, ist es möglich, eine hohe Kristallinität und einen geringen Ohm'schen Kontaktwiderstand mit einer p-Typ Ohm'schen Elektrode aufrechtzuerhalten (vgl. transparente Elektrode 17, die nachstehend beschrieben wird).
- Wenn die p-Typ-Dotierungsmittelkonzentration im Bereich von 1×1018 bis 1×1021/cm3 ist, ist es möglich, einen geringen Ohm'schen Kontaktwiderstand aufrechtzuerhalten, das Auftreten von Brüchen zu verhindern und eine Kristallinität aufrechtzuerhalten. Es ist stärker bevorzugt, dass die p-Typ-Dotierungsmittelkonzentration im Bereich von 5×1019 bis 5×1020/cm3 ist.
- Beispielsweise kann das p-Typ-Dotierungsmittel Mg sein, wobei es jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
- Die Dicke der p-Typ-Kontaktschicht 16b ist nicht besonders eingeschränkt, sie ist jedoch vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 nm, stärker bevorzugt 50 bis 200 nm. Dieser Dickenbereich ermöglicht es, die Emissionskraft zu erhöhen.
- <Lichtemissionsschicht>
- Die Lichtemissionsschicht 15 ist zwischen der n-Typ-Halbleiterschicht 14 und der p-Typ-Halbleiterschicht 16 gebildet. Wie in
1 gezeigt wird, wird die Lichtemissionsschicht gebildet, indem Barriereschichten 15a aus einem Galliumnitridverbindungshalbleiter und Vertiefungsschichten 15b aus einem Galliumnitridverbindungshalbleiter, einschließlich Indium, abwechselnd laminiert werden,und die Barriereschichten 15a werden so angeordnet, dass die n-Typ-Halbleiterschicht 14 und die p-Typ-Halbleiterschicht 16 kontaktiert werden. - In der in
1 gezeigten Struktur umfasst die Lichtemissionsschicht 15 sechs Barriereschichten 15a und fünf Vertiefungsschichten 15b, die abwechselnd gebildet sind. Die Barriereschichten 15a sind an den obersten und untersten Seiten der Lichtemissionsschicht 15 angeordnet, und die Vertiefungsschicht 15b ist zwischen den Barriereschichten 15a angeordnet. - Die Barriereschicht 15a ist beispielsweise aus einem Galliumnitridverbindungshalbleiter, wie AlcGa1-cN (0≤c<0,3), mit einer Bandenabstandsenergie gebildet, die höher ist als diejenige der Vertiefungsschicht 15b, die aus einem Indium umfassenden Galliumverbindungshalbleiter gebildet ist.
- Die Vertiefungsschicht 15b kann aus Galliumindiumnitrid, beispielsweise aus Ga1-sInsN (0<s<0,4), als der Indium umfassende Galliumnitridverbindungshalbleiter gebildet sein.
- <Transparente positive Elektrode>
- Die transparente positive Elektrode 17 ist eine transparente Elektrode, die auf der p-Typ-Halbleiterschicht 16 des laminierten Halbleiters 10 gebildet worden ist. Das die transparente positive Elektrode 17 bildende Material ist nicht besonders eingeschränkt, die transparente positive Elektrode 17 kann jedoch beispielsweise aus ITO (In2O3-SnO2), AZO (ZnO-Al2O3), IZO (In2O3-ZnO) oder GZO (ZnO-Ga2O3) durch ein bekanntes Verfahren gebildet werden. Zudem kann die transparente positive Elektrode 17 eine beliebige bekannte Struktur ohne Einschränkungen haben.
- Die transparente positive Elektrode 17 kann so gebildet sein, dass die gesamte Oberfläche der p-Typ-Halbleiterschicht 16, die mit Mg dotiert ist, bedeckt wird, oder sie kann in Gitterform oder Baumform ausgebildet sein. Nach dem Formen der transparenten positiven Elektrode 17 wird ein thermisches Glühverfahren durchgeführt, um eine Legierung zu bilden oder die Elektrode transparent zu machen, oder das thermische Glühverfahren wird nicht durchgeführt.
- <Anschlussfläche der positiven Elektrode und negative Elektrode>
- Eine Anschlussfläche 18 einer positiven Elektrode ist eine Elektrode, die auf der transparenten positiven Elektrode 17 gebildet ist.
- Die Anschlussfläche 18 der positiven Elektrode kann aus verschiedenen bekannten Materialien, wie Au, Al, Ni und Cu gebildet werden. Die bekannten Materialien und die Struktur der Anschlussfläche der positiven Elektrode sind jedoch nicht besonders eingeschränkt.
- Es ist bevorzugt, dass die Dicke der Anschlussfläche 18 der positiven Elektrode im Bereich von 100 bis 1000 nm liegt. Zudem hat die Anschlussfläche die Eigenschaften, dass mit zunehmender Dicke die Anschlussfähigkeit verstärkt wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass die Dicke der Anschlussfläche 18 der positiven Elektrode mindestens 300 nm ist. Zudem ist es bevorzugt, dass die Dicke der Anschlussfläche der positiven Elektrode höchstens 50 nm ist, um die Herstellungskosten zu verringern.
- Eine negative Elektrode 19 wird so gebildet, dass sie mit der n-Typ-Kontaktschicht 14b der n-Typ Halbleiterschicht 14 in der Halbleiterschicht, die ein Laminat der n-Typ Halbleiterschicht 14, der Lichtemissionsschicht 15 und der p-Typ-Halbleiterschicht 16, die nacheinander auf dem Substrat 11 gebildet werden, in Kontakt kommt.
- Wenn die Anschlussfläche 17 der negativen Elektrode gebildet wird, werden die Lichtemissionsschicht 15, die p-Typ-Halbleiterschicht 16 und die n-Typ-Halbleiterschicht 14 teilweise entfernt, um einen exponierten Bereich 14d der n-Typ-Kontaktschicht 14b zu bilden, und die negative Elektrode 19 wird auf dem exponierten Bereich gebildet.
- Die negative Elektrode 19 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, dessen Zusammensetzung und Struktur bekannt ist, und die negative Elektrode kann mit Mitteln gebildet werden, die auf diesem technischen Gebiet bekannt sind.
- Wie vorstehend beschrieben wurde, umfasst das Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform das Verfahren, bei dem Plasmaverarbeiten auf dem Substrat 11 durchgeführt wird, und das Zerstäubungsverfahren, welches die Zwischenschicht 12 auf dem Substrat 11 unter Einsatz eines Zerstäubungsverfahrens nach dem Vorverfahren bildet. Auf diese Weise wird die Zwischenschicht 12 mit einer gleichförmigen Kristallstruktur auf dem Substrat 11 gebildet, und es gibt zwischen dem Substrat 11 und der Halbleiterschicht aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter keine Gitterfehlstellungen. Deshalb ist es möglich, einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit hoher Kristallinität auf dem Substrat 11 effektiv zu züchten. Als Ergebnis ist es möglich, die Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung 1 mit hoher Produktivität und guten Emissionseigenschaften zu erhalten.
- Wie vorstehend beschrieben wurde, wird als ein Mechanismus zum Durchführen des Umkehrzerstäubens auf dem Substrat 11 zum Erzielen der vorstehend beschriebenen Wirkungen der folgende Mechanismus eingesetzt. Ein Mechanismus, bei dem eine auf der Oberfläche des Substrats 11 anhaftende Verunreinigung unter Einsatz einer chemischen Reaktion in Plasmagas entfernt wird, so dass eine Kristallgitterübereinstimmung zwischen der Oberfläche des Substrats 11 und einer Gruppe-III-Nitridverbindung erzielt wird.
- Gemäß dem Herstellungsverfahren nach dieser Ausführungsform ist es möglich, das Vorverfahren durchzuführen, so dass das Substrat gute Oberflächenbedingungen durch die vorstehend beschriebene Reaktion hat, ohne dass die Oberfläche des Substrats beschädigt wird, was im Gegensatz zu den sogenannten Bombardierungsverfahren steht, welches eine Verunreinigung von der Oberfläche des Substrats durch physikalische Kollision unter Einsatz eines Argongases entfernt.
- Die Strukturen des Substrats, der Zwischenschicht und der Unterschicht sind nicht auf eine Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung beschränkt. Beispielsweise können die Strukturen auf einen Fall angewandt werden, bei dem ein Ausgangsmaterialgas zu einer Reaktion mit dem Substrat bei einer hohen Temperatur neigt, wenn die Abscheidung unter Einsatz von Materialien mit ähnlichen Gitterkonstanten durchgeführt wird.
- [Lampe]
- Eine Lampe kann durch Kombinieren der erfindungsgemäß hergestellten Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit einem Phosphor mit Hilfe bekannter Mittel gebildet werden. Seit einigen Jahren ist eine Technik zum Kombinieren einer Lichtemissionsvorrichtung mit einem Phosphor bekannt, um die Farbe des Emissionslichts zu ändern, und die erfindungsgemäße Lampe kann diese Technik ohne jegliche Einschränkungen übernehmen.
- Es ist beispielsweise möglich, Licht einer langen Wellenlänge von der Lichtemissionsvorrichtung durch geeignetes Auswählen eines für die Lampe eingesetzten Phosphors zu imitieren. Zudem ist es möglich, eine weißes Licht emittierende Lampe durch Mischen der Emissionswellenlänge der Lichtemissionsvorrichtung und einer durch den Phosphor umgewandelten Wellenlänge zu erzielen.
- Zudem kann die erfindungsgemäß hergestellte Lichtemissionsvorrichtung für verschiedene Lampentypen eingesetzt werden, beispielsweise für kugelförmige Allzwecklampen, eine Seitenansichtslampe für ein Rücklicht einer tragbaren Vorrichtung und eine Deckenlampe für eine Anzeigevorrichtung.
- Wie in
4 gezeigt wird, ist beispielsweise, wenn die Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung 1 mit auf derselben Oberfläche gebildeten Elektroden an eine kugelförmige Lampe montiert wird, die Lichtemissionsvorrichtung 1 an einen (ein Rahmen 21 in4 ) von zwei Rahmen gebunden. Zudem ist die negative Elektrode (vgl. Bezugszeichen 19 in3 ) der Lichtemissionsvorrichtung 1 an einen Rahmen 22 durch einen Draht 24 gebunden, und die Anschlussfläche der positiven Elektrode (vgl. Bezugszeichen 18 in3 ) der Lichtemissionsvorrichtung ist durch einen Draht 23 an einem Rahmen 21 gebunden. Dann wird der Rand der Licht emittierenden Vorrichtung 1 durch eine Form 25 aus einem transparenten Harz versiegelt. Auf diese Weise ist es möglich, eine in4 gezeigte kugelförmige Lampe 2 herzustellen. - Die erfindungsgemäß hergestellte Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung kann beispielsweise auf die Herstellung von fotoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen, wie eine Laservorrichtung und eine Lichtempfangsvorrichtung, und auf elektronische Vorrichtungen, wie ein HBT und ein HEMT, zusätzlich zu der Lichtemissionsvorrichtung angewandt werden.
- [Beispiele]
- Als nächstes wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung unter Bezugnahme auf die Beispiele eingehend beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt ist.
- [Beispiel 1]
- In Beispiel 1 wurde ein Aggregat von stängelförmigen Kristallen aus AlN als Zwischenschicht 12 auf der c-Ebene des Substrats 11 aus Saphir mit Hilfe eines Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahrens gebildet, und eine nicht dotierte GaN-Halbleiterschicht wurde als Unterschicht 14a auf der Zwischenschicht mit Hilfe eines MOCVD-Verfahrens gebildet, wodurch eine Probe gemäß Beispiel 1 erhalten wurde.
- Das Saphirsubstrat 11, dessen eine Oberfläche zu einer Spiegeloberfläche poliert wurde, die für das epitaxiale Wachstum geeignet ist, wurde in einen Zerstäubungsapparat gegeben, ohne einem Vorverfahren, beispielsweise einem Nassverfahren, unterworfen zu werden. Der Zerstäubungsapparat, der eine Radiofrequenz-Stromversorgung und einen Mechanismus aufwies, um die Position eines Magneten in einem Ziel zu verändern, wurde eingesetzt.
- Dann wurde das Substrat 11 auf eine Temperatur von 750°C in dem Zerstäubungsapparat erhitzt, und es wurde nur Stickstoffgas in den Zerstäubungsapparat bei einer Fließgeschwindigkeit von 30 sccm eingeführt, und der Innendruck der Kammer wird bei 0,08 Pa gehalten. Dann wurde ein Hochfrequenz-Vormagnetisierungsstrom von 50 W an das Substrat 11 angelegt, und das Substrat 11 wurde in Stickstoffplasma exponiert (Umkehrzerstäubung). Zur selben Zeit war die Temperatur des Substrat 11 500°C und die Verarbeitungsdauer war 200 Sekunden.
- Dann wurden Argongas und Stickstoffgas in den Zerstäubungsapparat gegeben, während die Temperatur des Substrats 11 bei 500°C gehalten wurde. Dann wurde ein Hochfrequenzvorspannungsstrom von 2000 W an ein Al-Ziel angelegt, um die Zwischenschicht 12 aus AlN auf dem Saphirsubstrat 11 unter den folgenden Bedingungen zu bilden: der Innendruck des Ofens war 0,5 Pa; die Fließgeschwindigkeit des Ar-Gases war 15 sccm; und die Fließgeschwindigkeit des Stickstoffgases war 5 sccm (der Prozentsatz von Stickstoff in dem Gesamtgas war 75%). In diesem Fall war die Abscheidungsrate 0,12 nm/s.
- Der Magnet in dem Ziel wurde sowohl während des Umkehrzerstäubens des Substrats 11 als auch während des Abscheidens hin und her geschwungen.
- Ein AlN-Film (Zwischenschicht 12) wurde mit einer Dicke von 50 nm bei einer festgelegten Abscheidungsrate für eine festgelegte Zeitdauer gebildet, und dann wurde der Plasmavorgang angehalten, um die Temperatur des Substrats 11 zu verringern.
- Dann wurde das Substrat 11 mit der darauf gebildeten Zwischenschicht 12 aus dem Zerstäubungsapparat genommen und dann in einen MOCVD-Ofen gegeben. Dann wurde eine Probe mit einer darauf gebildeten GaN-Schicht (Gruppe-III-Nitridhalbleiter) durch ein MOCVD-Verfahren wie folgt hergestellt.
- Zuerst wurde das Substrat 11 in einen reaktiven Ofen gegeben. Das Substrat 11 wurde auf einen Kohlenstoffhalter zum Erhitzen in einer mit Stickstoffgas gefüllten Handschuhbox geladen. Dann wurde das Stickstoffgas in den Ofen eingeführt, und das Heizgerät wurde betrieben, um die Temperatur des Substrats 11 auf 1150°C zu erhöhen. Nachdem überprüft worden war, dass die Temperatur des Substrats 11 sich bei 1150°C stabilisiert hatte, wurde eine Düse für eine Ammoniakröhre geöffnet, um Ammoniak in den Ofen einzuleiten. Dann wurde Wasserstoff, enthaltend den Dampf von TMGa, in den Ofen eingespeist, um einen Halbleiter auf GaN-Basis abzuscheiden, um die Unterschicht 14a und die auf dem Substrat 11 gebildete Zwischenschicht 12 auszubilden. Die Menge des Ammoniaks wurde so eingestellt, dass das Verhältnis von V zu III 6000 war. Der Halbleiter auf GaN-Basis wurde nach etwa einer Stunde gezüchtet, und eine Düse für eine TMGa-Röhre wurde umgelegt, um die Zufuhr eines Ausgangsmaterials in den Reaktivofen zu beenden, wodurch das Wachstum des Halbleiters beendet wurde. Nach Beendigung des Wachstums des Halbleiters auf GaN-Basis wurde das Heizgerät abgeschaltet, um die Temperatur des Substrats 11 auf Raumtemperatur zu senken.
- Auf diese Weise wurde die Zwischenschicht 12, die eine stängelförmige Kristallstruktur hatte und aus AlN bestand, auf dem Substrat 11 aus Saphir gebildet, und die nicht dotierte Unterschicht 14a aus einem Halbleiter auf GaN-Basis mit einer Dicke von 2 µm wurde auf der Zwischenschicht gebildet, wodurch eine Probe gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde. Das Substrat hatte eine farblose transparente Spiegeloberfläche.
- Die Röntgenstrahl-rocking-Kurve (XRC) der durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhaltenen nicht dotierten GaN-Schicht wurde mit Hilfe eines Vierkristall-Röntgenstrahl-Diffraktometers (PANalytical's X'pert) gemessen.
- In dem Messverfahren wurde ein Cuß-Linienröntgenstrahlgenerator als Lichtquelle eingesetzt, und die Messung wurde für die (0002)-Ebenen durchgeführt, welche symmetrische Ebenen sind, und für die (10-10)-Ebenen, welche asymmetrische Ebenen sind. Im allgemeinen wird im Fall eines Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiters die halbe Breite des XRC-Spektrums der (0002)-Ebene als Index für die Flachheit (Mosaikausmaß) des Kristalls genommen und die halbe Breite des XRC-Spektrums der (10-10)-Ebene wird als Index für die Versetzungsdichte (Biegung) genommen. Die Messung ergab, dass die (0002)-Ebene der durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gebildeten nicht dotierten GaN-Schicht eine halbe Breite von 100 Bogensekunden hatte und die (10-10)-Ebene davon eine halbe Breite von 320 Bogensekunden hatte.
- Die Zwischenschicht 12 und die Unterschicht 14a wurden unter denselben Abscheidungsbedingungen gebildet. Dann wurden unter den Bedingungen für die Abscheidung der Zwischenschicht 12, die Substrattemperatur und die Verfahrensdauer in dem Vorverfahren geändert. Die Daten für die Röntgenstrahl-Halbwertsbreite eines GaN-Kristalls sind in den
5 und6 gezeigt. - [Beispiel 2]
- In Beispiel 2 wurde eine Ge-dotierte n-Typ-Kontaktschicht 14b auf einem nicht dotierten GaN-Kristall (Unterschicht 14a), der mit einer Dicke von 6 µm gebildet wurde, unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 geformt.
- Dann wurden verschiedene Schichten auf der n-Typ-Kontaktschicht gebildet. Schließlich wurde ein Epitaxialwafer (laminierter Halbleiter 10) mit einer Epitaxialschichtstruktur für die in
1 gezeigte Gruppe-III Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung hergestellt. - Der Epitaxialwafer hatte eine laminierte Struktur, worin die Pufferschicht 12, die aus AlN hergestellt war, eine stängelförmige Kristallstruktur hatte, die Unterschicht 14a aus einem nicht dotierten GaN mit einer Dicke von 6 µm, die n-Typ-Kontaktschicht 14b mit einer Elektronenkonzentration von 1×1019cm-3 aus Ge-dotiertem GaN mit einer Dicke von 2 µm und eine n-Typ-Abdeckschicht In0,1Ga0,9N (n-Typ-Abdeckschicht 14c) mit einer Elektronenkonzentration von 1×1018cm-3 und einer Dicke von 20 nm, die Lichtemissionsschicht 15 (die eine Mehrquantenvertiefungsstruktur hat), und die p-Typ-Halbleiterschicht 16 nacheinander auf dem Saphirsubstrat 11 mit der c-Ebene mit Hilfe desselben Abscheidungsverfahrens wie in Beispiel 1 gebildet wurden. Die Lichtemissionsschicht 15 hatte eine laminierte Struktur, worin sechs GaN-Barriereschichten 15a mit jeweils einer Dicke von 16 nm und fünf nicht dotierte In0,2Ga0,8N-Vertiefungsschichten 15b mit jeweils einer Dicke von 3 nm abwechselnd laminiert wurden, und zwei der GaN-Barriereschichten wurden an den obersten und untersten Seiten der Lichtemissionsschicht angeordnet. Die p-Typ Halbleiterschicht 16 wurde durch Laminieren einer Mg-dotierten p-Typ Al0,1Ga0,9N-Abdeckschicht 16a mit einer Dicke von 5 nm und einer Mg-dotierten p-Typ Al0,02Ga0,98N-Kontaktschicht 16b mit einer Dicke von 200 nm gebildet.
- Während der Herstellung des eine Epitaxialschicht umfassenden Wafers mit der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtungsstruktur wurde die Zwischenschicht 12 aus AlN mit einer stängelförmigen Kristallstruktur auf dem Substrat 11 durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 1 gebildet.
- Dann wurde die Halbleiterlaminatstruktur durch dasselbe Verfahren wie dasjenige zum Bilden der Unterschicht 14a unter Verwendung desselben MOCVD-Apparats gebildet.
- Auf diese Weise wurde ein Epitaxialwafer mit einer Epitaxialschichtstruktur für eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung hergestellt. Die Mg-dotierte p-Typ Al0,02Ga0,98N-Kontaktschicht 16b zeigte p-Typ-Eigenschaften, ohne für das Aktivieren von p-Typ-Trägern einem Glühverfahren unterworfen worden zu sein.
- Dann wurde der Epitaxialwafer (vgl. den in
1 gezeigten laminierten Halbleiter 10) mit der auf dem Saphirsubtrat 11 gebildeten Epitaxialschichtstruktur eingesetzt, um eine Licht emittierende Diode herzustellen (vgl. die in den2 und3 gezeigte Licht emittierende Vorrichtung 1), die eine Art der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung ist. - Zuerst wurden die transparente positive Elektrode 17 aus ITO und die Anschlussfläche 18 der positiven Elektrode mit einer Laminatstruktur aus Titan, Aluminium und Goldschichten, die in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche der transparenten positiven Elektrode 17 gebildet wurden, nacheinander auf der Oberfläche der Mg-dotierten p-Typ-Al0,02Ga0,98N-Kontaktschicht 16b des Wafers durch ein bekanntes fotolithographisches Verfahren gebildet. Dann wurde auf einem Teil des Wafers eine Trockenätzung durchgeführt, um den exponierten Bereich 14d von der n-Typ-Kontaktschicht 14b freizulegen. Dann wurde die negative Elektrode 19, Vierschichtstruktur aus Ni, Al, Ti und Au-Schichten auf dem exponierten Bereich 14d gebildet, wodurch die in
2 und3 gezeigten Elektroden auf dem Wafer gebildet wurden. - Die rückwärtige Oberfläche des Substrats 11 des Wafers mit den auf der p-Typ-Halbleiterschicht und der n-Typ-Halbleiterschicht gebildeten Elektroden wurde zu einer Spiegeloberfläche gemahlen und poliert, und dann wurde der Wafer in einzelne quadratische Chips mit einer Seitenlänge von 350 µm geschnitten. Der Chip wurde auf einen Bleirahmen montiert, wobei jede Elektrode nach oben zeigte, und dann mit dem Bleirahmen mit Hilfe von Golddrähten verbunden, wodurch eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung erhalten wurde. Es wurde zwischen der Anschlussfläche 18 der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung (Licht emittierende Diode) ein Vorwärtsstrom von 20 mA angelegt, um die Vorwärtsspannung zu messen. Es ergab sich eine Vorwärtsspannung von 3,0 V. Zudem wurde der Emissionszustand durch die auf der p-Seite transparente positive Elektrode 17 beobachtet. Es ergab sich eine Emissionswellenlänge von 470 nm und eine Emissionsleistung von 15 mW. Die Emissionseigenschaften der Licht emittierenden Diode wurden von im wesentlichen der gesamten Oberfläche des hergestellten Wafers ohne jegliche Abweichung erhalten.
- Die Umkehrzerstäubungsbedingungen in dem Vorverfahren und die Messergebnisse der Röntgenstrahl-Halbwertsbreite und die Emissionsleistungen sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.
- [Vergleichsbeispiel 1]
- In diesem Beispiel wurde eine Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung auf ähnliche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass eine Zwischenschicht aus AlN auf der c-Ebene eines Substrats aus Saphir ohne Durchführen eines Vorverfahrens unter Einsatz von Umkehrzerstäuben gebildet wurde, und die Unterschicht 14a aus GaN wurde auf der Zwischenschicht mit Hilfe eines MOCVD-Verfahrens gebildet.
- In der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 1 war, wenn ein Strom von 20 mA angelegt wurde, die Vorwärtsspannung 3,0 V, die Emissionswellenlänge war 470 nm und die Emissionsleistung war 10 mW. Als Ergebnis zeigte sich, dass die Emissionsleitung geringer war als diejenige in der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Beispiel 2.
- Die Röntgenstrahl-rocking-Kurve (XRC) der GaN-Unterschicht 14a, die durch das Verfahren nach dem Vergleichsbeispiel 1 gezüchtete wurde, wurde gemessen. Es zeigte sich eine Halbwertsbreite der (0002)-Ebene von 300 Bogensekunden und eine Halbwertsbreite der (10-10)-Ebene von 500 Bogensekunden, war zeigte, dass die Kristallinität der Unterschicht beeinträchtigt war.
- [Beispiele 3 bis 7 und Vergleichsbeispiele 2 und 3]
- In den Beispielen 3 bis 7 und in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 wurden Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtungen auf ähnliche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer dass ein Umkehrzerstäuben in dem Vorverfahren unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen durchgeführt wurde.
- Die Umkehrzerstäubungsverfahren in den Vorverfahren und die Messergebnisse der Röntgenstrahl-Halbwertsbreiten und die Emissionsleistungen sind in Tabelle 1 gezeigt.
- [Beispiel 8]
- In diesem Beispiel wurde, bevor eine Zwischenschicht auf einem Si (111)-Substrat gebildet wurde, Umkehrzerstäuben auf dem in Argonplasma als Vorverfahren durchgeführt, und eine Einkristallschicht aus AlGaN wurde als Zwischenschicht auf dem Substrat unter Einsatz eines Hochfrequenzzerstäubungsapparats vom Rotationskathodentyp gebildet. In diesem Fall war während des Zerstäubens die Temperatur des Substrats 500°C.
- Dann wurde eine Si-dotierte AlGaN-Schicht als Unterschicht auf der Zwischenschicht unter Einsatz eines MOCVD-Verfahrens gebildet. Dann wurde dieselbe Lichtemissionsvorrichtungshalbleiter-Laminatstruktur wie in Beispiel 2 auf der Unterschicht gebildet. In diesem Fall war der Al-Gehalt in der Zwischenschicht 70%, und der Al-Gehalt in der Unterschicht war 15%.
- Dann wurde, nach die Lichtemissionsvorrichtungshalbleiter-Laminatstruktur durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet worden war, der Wafer aus dem Reaktor genommen. Es zeigte sich, dass der Wafer eine Spiegeloberfläche hatte.
- Dann wurde ein Lichtemissionsdiodenchip von dem hergestellten Wafer durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 2 erhalten. In diesem Beispiel wurden Elektroden auf den oberen und unteren Oberflächen der Halbleiterstruktur und des Substrats bereitgestellt.
- Es wurde zwischen den Elektroden ein Vorwärtsstrom von 20 mA angelegt, um die Vorwärtsspannung zu messen. Es ergab sich eine Vorwärtsspannung von 2,9 V. Zudem wurde der Emissionszustand durch die auf der p-Seite transparente positive Elektrode beobachtet. Es ergab sich eine Emissionswellenlänge von 460 nm und eine Emissionsleistung von 10 mW. Die Emissionseigenschaften der Licht emittierenden Diode wurden von im wesentlichen der gesamten Oberfläche des hergestellten Wafers ohne jegliche Abweichung erhalten.
- Die umgekehrten Zerstäubungsbedingungen in dem Vorverfahren und die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
- [Beispiel 9] (Referenzbeispiel)
- In diesem Verfahren wurde, bevor die Zwischenschicht auf einem ZnO (0001)-Substrat gebildet wurde, ein Umkehrzerstäuben auf dem Substrat in O2-Gasplasma als ein Vorverfahren durchgeführt, und es wurde eine Zwischenschicht aus AlN mit einer stängelförmigen Kristallstruktur unter Einsatz eines Gleichstrom-Zerstäubungsapparats gebildet. In diesem Fall war während des Zerstäubens die Temperatur des Substrats 750°C.
- Dann wurde eine Ge-dotierte AlGaN-Schicht als Unterschicht auf der Zwischenschicht unter Einsatz eines MOCVD-Verfahrens gebildet. Dann wurde dieselbe Lichtemissionsvorrichtungshalbleiter-Laminatstruktur wie in Beispiel 2 auf der Unterschicht gebildet.
- In diesem Fall war der Al-Gehalt in der Unterschicht 10%. In diesem Beispiel wurde die Menge des in der Lichtemissionsschicht enthaltenen In-Ausgangsmaterials erhöht, um ein grünes LED-Emissionslicht in einer Wellenlänge von etwa 525 nm herzustellen.
- Dann wurde, nachdem die Lichtemissionsvorrichtungshalbleiter-Laminatstruktur durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet worden war, der Wafer aus dem Reaktor genommen. Es zeigte sich, dass der Wafer eine Spiegeloberfläche hatte.
- Dann wurde ein Lichtemissionsdiodenchip von dem hergestellten Wafer durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 1 erhalten. In diesem Beispiel wurden Elektroden auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Halbleiterschicht und des Substrats angebracht.
- Es wurde zwischen den Elektroden ein Vorwärtsstrom von 20 mA angelegt, um die Vorwärtsspannung zu messen. Es ergab sich eine Vorwärtsspannung von 3.3 V. Zudem wurde der Emissionszustand durch die transparente p-Seite der transparenten positiven Elektrode beobachtet. Es zeigte sich, dass grünes Licht einer Emissionswellenlänge von 525 nm emittiert wurde, und die Emissionsleistung war 10 mW. Die Emissionseigenschaften der Lichtemissionsdiode wurden von im wesentlichen der gesamten Oberfläche des hergestellten Wafers ohne jegliche Abweichung erhalten.
- Die Umkehrzerstäubungsbedingungen in dem Vorverfahren und die Messergebnisse der Röntgenstrahlhalbwertsbreite und die Emissionsleistung in den Beispielen 2 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Vorverfahren Röntgenstrahlhalbwertsbreite (0002) Emissionsleistung Umkehrzerstäubungstemperatur Umkehrzerstäubungsdauer Beispiel 2 500°C 200 sec 50 Bogensekunden 15 mW Beispiel 3 500°C 300 sec 75 Bogensekunden 15 mW Beispiel 4 500°C 60 sec 180 Bogen sekunden 13 mW Beispiel 5 300°C 200 sec 200 Bogensekunden 13 mW Beispiel 6 800°C 200 sec 65 Bogensekunden 15 mW Beispiel 7 800°C 60 sec 140 Bogensekunden 13 mW Beispiel 8 500°C 200 sec 200 Bogensekunden 10 mW Beispiel 9 200°C 300 sec 50 Bogensekunden 10 mW Vgl. Beispiel 1 - 0 300 Bogensekunden 10 mW Vgl.- Beispiel 2 1500°C 600 sec 1000 Bogensekunden 3 mW Vgl. Beispiel 3 500°C 10 sec 400 Bogensekunden 10 mW - Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass in den Proben der Gruppe-III Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtungen (Beispiele 1 bis 9) die Halbwertsbreite der Röntgenstrahl-rocking-Kurve (XRC) der nicht dotierten GaN-Unterschicht 14a im Bereich von 50 bis 200 Bogensekunden war. Deshalb ist die Kristallinität der Halbleiterschicht aus einer Gruppe-III Nitridverbindung erheblich verbessert im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 3, bei denen die Halbwertsbreiten der Röntgenstrahl rocking-Kurve (XRC) der Unterschicht im Bereich von 300 bis 1000 Bogensekunden war. Zudem ist in den Lichtemissionsvorrichtungen gemäß den Beispielen 2 bis 7 die Emissionsleistung im Bereich von 13 bis 15 mW, was deutlich höher als die Emissionsleistung im Bereich von 3 bis 10 mW der Lichtemissionsvorrichtungen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 ist.
- Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäß hergestellte Gruppe-III Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung eine hohe Produktivität und gute Emissionseigenschaften hat.
- INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, die beispielsweise für eine Lichtemissionsdiode (LED), eine Laserdiode (LD), eine elektronische Vorrichtung oder eine Lampe verwendet wird.
Claims (28)
- Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, welches umfasst: ein Vorverfahren, bei dem eine Hochfrequenzstromversorgung eingesetzt wird, um Plasma zu erzeugen und eine Plasmaverarbeitung auf einem Substrat durch Umkehrzerstäuben durchgeführt wird, wobei die Temperatur des Substrats in dem Vorverfahren im Bereich von 300°C bis 800°C ist, die Verfahrensdauer des Vorverfahrens im Bereich von 30 Sekunden bis 3600 Sekunden ist, und die Plasmaverarbeitung in einer Mischatmosphäre von Ionenkomponenten und Radikalkomponenten ohne Ladung durchgeführt wird, wobei in dem Plasma eine kleine Menge Ionenkomponenten verwendet wird, um eine Beschädigung der Oberfläche des Substrats zu verhindern, ein Zerstäubungsverfahren, bei dem nach dem Vorverfahren eine Zwischenschicht aus mindestens einer Gruppe-III-Nitridverbindung auf dem Substrat unter Einsatz eines Zerstäubungsverfahrens gebildet wird, wobei die Temperatur des Substrats im Bereich von 300°C bis 800°C ist und wobei das Vorverfahren und das Zerstäubungsverfahren in derselben Kammer durchgeführt werden; und ein Verfahren, bei dem nacheinander eine n-Typ Halbleiterschicht, einschließlich einer Unterschicht, eine Licht emittierende Schicht und eine p-Typ Halbleiterschicht auf der Zwischenschicht gebildet werden.
- Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach
Anspruch 1 , wobei in dem Vorverfahren Gas, einschließlich Stickstoff, in eine Kammer eingeführt wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach
Anspruch 2 , wobei in dem Vorverfahren der Partialdruck des in die Kammer eingeführten Stickstoffs im Bereich von 1 × 10-2 Pa bis 10 Pa ist. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei in dem Vorverfahren der Innendruck der Kammer im Bereich von 0,1 bis 5 Pa ist. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei die Verfahrensdauer des Vorverfahrens im Bereich von 60 Sekunden bis 600 Sekunden ist. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , wobei in dem Vorverfahren das Umkehrzerstäuben durchgeführt wird, indem Stickstoffplasma unter Verwendung der Hochfrequenzstromversorgung erzeugt wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , wobei die Zwischenschicht so gebildet wird, dass 90 % oder mehr der Oberfläche des Substrats abgedeckt werden. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , wobei das Zerstäubungsverfahren ein Ausgangsmaterial, einschließlich eines Gruppe V-Elementes verwendet. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , wobei in dem Zerstäubungsverfahren die Zwischenschicht durch ein Reaktiv-Zerstäubungsverfahren durchgeführt wird, welches das Ausgangsmaterial, einschließlich des Gruppe V-Elementes in einen Reaktor einführt. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach
Anspruch 8 oder9 , wobei das Gruppe V-Element Stickstoff ist. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach
Anspruch 8 oder9 , wobei Ammoniak als Ausgangsmaterial, einschließlich das Gruppe V-Element, verwendet wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , wobei in dem Zerstäubungsverfahren die Zwischenschicht durch ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren gebildet wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach
Anspruch 12 , wobei in dem Zerstäubungsverfahren die Zwischenschicht durch das Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren gebildet wird, während ein Magnet einer Kathode bewegt wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis13 , wobei in dem Zerstäubungsverfahren, wenn die Zwischenschicht gebildet wird, die Temperatur des Substrats im Bereich von 400°C bis 800°C ist. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , wobei die Unterschicht auf der Zwischenschicht durch ein MOCVD-Verfahren gebildet wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis14 , wobei die Unterschicht auf der Zwischenschicht durch ein Reaktiv-Zerstäubungsverfahren gebildet wird. - Verfahren zum Herstellen einer Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis16 , wobei, wenn die Unterschicht gebildet wird, die Temperatur des Substrats nicht niedriger als 900°C ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis17 , wobei die Zwischenschicht aus einem Einkristall gebildet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis18 , wobei die Zwischenschicht aus einem Stängelkristall gebildet wird. - Verfahren nach
Anspruch 19 , wobei in der Zwischenschicht der Mittelwert der Breiten der Körnchen der Stängelkristalle im Bereich von 1 bis 100 nm ist. - Verfahren nach
Anspruch 19 , wobei in der Zwischenschicht der Mittelwert der Breiten der Körnchen der Stängelkristalle im Bereich von 1 bis 70 nm ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 18 bis21 , wobei die Zwischenschicht so gebildet wird, dass 90 % oder mehr der Frontoberfläche des Substrats bedeckt sind. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 18 bis22 , wobei die Dicke der Zwischenschicht im Bereich von 10 bis 500 nm ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 18 bis23 , wobei die Dicke der Zwischenschicht im Bereich von 20 bis 100 nm ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 18 bis24 , wobei die Zwischenschicht eine Al enthaltende Zusammensetzung aufweist. - Verfahren nach
Anspruch 25 , wobei die Zwischenschicht aus AlN gebildet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 18 bis26 , wobei die Unterschicht aus einem Halbleiter auf GaN-Basis gebildet wird. - Verfahren nach
Anspruch 27 , wobei die Unterschicht aus AlGaN gebildet wird.
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