DE19523158C2 - Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden Halbleiterschichten aus Al¶x¶Ga¶y¶In¶1¶¶-¶¶x¶¶-¶¶y¶N und Verwendung der Halbleiterschichten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden Halbleiterschichten aus Al¶x¶Ga¶y¶In¶1¶¶-¶¶x¶¶-¶¶y¶N und Verwendung der Halbleiterschichten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gleichzei­ tigen Herstellung von zwei epitaxial gezüchteten, selbst­ tragenden Halbleiterschichten aus einer Stickstoffverbin­ dung der Gruppe III und auf die Verwendung der durch dieses Verfahren hergestellten selbsttragenden Halbleiterschich­ ten.
Es ist bekannt, dass ein Halbleiter aus einer Galliumni­ tridverbindung (GaN) verwendet werden kann, um eine licht­ aussendende Diode (LED, Light Emitting Diode) zu erhalten, die blaues Licht aussendet. Dieser Halbleiter ist brauchbar wegen seiner hohen Lichtausbeute, die sich aus einem direk­ ten Elektronenübergang ergib, und seiner Fähigkeit, blaues Licht auszusenden, das eine der drei Primärfarben dar­ stellt.
Ein Halbleiter aus einer Stickstoffverbindung der Gruppe III mit der Formel AlxGayIn1-x-yN einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0 ist ebenfalls als LED-Material bekannt, das Licht im gesamten sichtbaren kurzen Wellenlängenbereich und im ultravioletten Bereich aussendet. Dieser Halbleiter ist brauchbar, weil er eine Energiebandlücke besitzt, die der Wellenlänge von 200 bis 650 nm entspricht, und die Eigen­ schaft des direkten Elektronenübergangs besitzt.
Wie in der US 122 845 A dargelegt, war es allerdings bisher schwierig, einen einkristallinen Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III im großen Maßstab herzustellen, weil der Gleichgewichtsdampfdruck des Stickstoffs als eines der Bestandteile bei der Züchtungs­ temperatur des Halbleiters extrem hoch ist. Wie auch in der US 5 272 108 A erläuterte wurde deshalb bisher immer ein Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe ITT ver­ wendet, der epitaxial auf einem Saphirträger gezüchtet worden war. Insbesondere die LED, die den Halbleiter ein­ setzt, wurde immer mit einem Saphirträger verwendet, was wegen des Saphirträgers zu strukturellen Begrenzungen bei der Gestaltung der Elektroden und zu Ineffizienz bei der Lichtaussendung führt.
Zur Zeit können Elektroden für eine n-Schicht und eine p- Schicht nicht zwischen sich solche Schichten trägen, weil der Träger isolierend ist. Deshalb wurden die Elektroden für solche Schichten ausschließlich auf einer Oberflächen­ schicht der LED gebildet. Diese strukturellen Beschränkun­ gen erforderten unausweichlich zusätzliche Herstellungs­ schritte zur Bildung einer Einkerbung, die die zwei Elek­ troden voneinander isoliert, und eines Loches, in dem die Elektrode für die jeweils untere Schicht der beiden, die p- Schicht oder die n-Schicht, gebildet wird.
Weiter ist es für die LED mit dieser Struktur erforderlich, dass Strome in die untere Schicht parallel zu ihrer Ober­ fläche eingeleitet werden. Infolgedessen wird der spezi­ fische Widerstand der LED unerwünscht hoch, wodurch der Spannungsabfall erhöht und die Joulsche Wärmeenergie, die von der Vorrichtung abgegeben wird, vergrößert werden.
Eine einkristalline ZnO-Schicht wurde als Pufferschicht verwendet, die dazu beiträgt, die Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III mit feiner Kristallinität auf dem Saphirträger wachsen zu lassen, indem sie Gitter­ unterschiede ausgleicht. Allerdings ist die Lichtausbeute einer konventionellen LED trotz der feinen Kristallinität jeder Schicht und der Gitterabstimmung zwischen dem Saphirträger und der ZnO-Pufferschicht und zwischen der ZnO-Schicht und der Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III nicht so gut wie erwartet.
Solch eine Verwendung einer ZnO-Schicht ist beispielsweise aus JP 55-3834 B2 bekannt.
Ferner ist aus der US 5 073 230 A ein Verfahren bekannt, bei dem eine epitaktisch gewachsene Schicht ("Epischicht") auf einem Substrat gewachsen wird, wobei eine sehr dünne Zwischenschicht zwischen Substrat und Epischicht angeordnet ist. Nach dem Aufwachsen wird die dünne Zwischenschicht durch Atzen in einem geeigneten Ätzmittel weggeätzt und somit Substrat und Epischicht voneinander getrennt. Die freigesetzte Epischicht wird anschließend an einem neuen Substrat unter Verwendung der von-der-Waals-Kraft oder eines geeigneten Klebstoffs "angeklebt", und das ursprüng­ liche Substrat kann erneut verwendet werden. In der US 5 073 230 A wird dieses epitaktische Lift-off-Verfahren bei GaAs/AlGaAs-Verbindungshalbleitern eingesetzt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, selbsttragende Halbleiterschichten aus einer Nitridverbindung der Gruppe III herzustellen, die der Formel AlxGayIn1-x-yN einschließ­ lich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED herzustellen mit verbesserter Lichtausbeute, die den einkristallinen Träger der ersten Aufgabe einsetzt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von zwei selbsttragenden Halbleiterschichten aus AlxGayIn1-x-yN bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
  • - Bildung einer Zinkoxidschicht (ZnO) auf jeder Seite eines Saphirträgers;
  • - Bildung einer Halbleiterschicht, die aus einem Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III besteht, der der Formel AlxGayIn1-x-yN einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht, auf jeder der ZnO-Schichten;
  • - Anätzen der ZnO-Schichten mit einem ZnO-spezifischen Ätzmittel und
  • - Abtrennen der zwei Halbleiterschichten vom Saphirträger.
Die ZnO-Schicht ist nicht einkristallin, und ihre Dicke wurde so bemessen, dass sie einen Gittercharakter zwischen dem Gitter des Saphirs und dem Gitter des ZnO aufweist. Es ist nämlich die Kristallinität der ZnO-Pufferschicht im Hinblick auf ihre Reinheit gestört im Vergleich mit der der konventionellen ZnO-Pufferschicht der konventionellen LED. Allerdings ergeben die Halbleiter aus einer Nitridverbin­ dung der Gruppe III, die auf der ZnO-Pufferschicht mit dem Zwischengittercharakter hergestellt wurden, eine verbesser­ te Lichtausbeute. Weiter ermöglicht das Anätzen der ZnO- Zwischenpufferschichten die gleichzeitige Erzeugung von zwei selbsttragenden Halbleitern aus einer Nitridverbindung der Gruppe III, was einen verkürzten Herstellungsschritt ergibt. Weiter ermöglicht die gleichzeitige Herstellung von zwei Halbleitern die Bildung eines symmetrischen Paares von verzerrungsfreien Halbleitern.
Infolgedessen wird ein Wafer aus Halbleitern aus einer Nitridverbindung der Gruppe III mit einer insgesamt feinen Qualität leicht erhalten.
Andere Besonderheiten und Eigenschaften der Erfindung werden offensichtlich bei Betrachten der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, worin Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.
Fig. 1 bis 3 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung von zwei saphirlosen GaN-Halbleiterträgern veranschaulichen, die im Ausführungsbeispiel beschrieben werden.
Fig. 4 bis 6 sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer LED mit dem saphirlosen GaN-Halbleiter­ träger veranschaulichen, der im Ausführungsbeispiel darge­ stellt ist.
Fig. 7 stellt ein Lichtausbeutecharakteristikdiagramm der LED im Beispiel dar.
Fig. 1 bis 3 zeigen eine Reihe von Schritten eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung von zwei selbsttra­ genden, saphirlosen Halbleiterfilmen oder Halbleiterschich­ ten aus einer GaN-Verbindung.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wurde ein einkristalliner Saphirträger 1 mit c(0001)-Ausrichtung, der mit einem organischen Waschlösungsmittel, wie zum Beispiel Methyl­ alkohol, gereinigt wurde, auf einem Halter in einer Kammer für das HF-Zerstäuben angebracht. Nachdem die Kammer auf etwa 0,001 Pa evakuiert worden war, wurde ein Mischgas aus Argon (Ar) und Sauerstoff (O2) in die Kammer eingelassen, um ein ZnO-Target zu zerstäuben. Dadurch wurden ZnO- Zwischenschichten 2a und 2b mit jeweils einer Dicke von 100 nm auf beiden Seiten des Saphirträgers abgeschieden, wie in Fig. 2 dargestellt.
Die Schichten 2a und 2b zeigten eine starke Orientierung in Richtung der c-Achse.
Der Saphirträger, der zwischen den ZnO-Schichten 2a und 2b eingeschlossen war, wurde in eine Kammer für die Behandlung mit der Gasphasenepitaxie unter Verwendung wasserstoffhal­ tiger Gase eingebracht. Nach dem Evakuieren der Kammer wurde Nitridgas in die Kammer eingeleitet und der Saphir­ träger 1 auf 1000°C erhitzt, was eine geeignete Temperatur für das Wachstum einer einkristallinen GaN-Schicht auf jeder der Zwischenschichten 2a und 2b darstellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Orientierungsgrad der ZnO-Schichten 2a und 2b zwischen dem Saphirträger 1 und den GaN-Schichten 3a und 3b verbessert, was es der GaN-Schicht erlaubte, jeweils darauf zu wachsen.
GaCl, das durch die Reaktion von Ga und Chlorwasserstoffgas (HCl) bei hoher Temperatur hergestellt wurde, wurde als Rohmaterial für das Gallium (Ga) eingesetzt. NH3 wurde als Rohmaterialgas für den Stickstoff (N) verwendet. GaCl und NH3 wurden über beiden Oberflächen des Saphirträgers 1 geblasen, um GaN-Wachstum zu ermöglichen. Wie in Fig. 3 dargestellt, wurden durch fünf Stunden langes Wachstum GaN- Halbleiterschichten 3a und 3b mit jeweils 300 µm Dicke auf jeder der ZnO-Zwischenschichten 2a und 2b hergestellt, die den Saphirträger 1 zwischen sich einschlossen.
Daraufhin wurde der Saphirträger mit den ZnO-Schichten 2a und 2b und den GaN-Halbleiterschichten 3a und 3b in eine Ätzlösung aus Salzsäure getaucht. Dann wurde die Ätzlösung auf 60°C erhitzt. Die ZnO-Zwischenschichten 2a und 2b wurden mit einer 10 Minuten langen Behandlung in einer Ultraschallwaschvorrichtung weggeätzt. Dadurch wurden die GaN-Halbleiterschichten 3a und 3b vom Saphirträger 1 durch Auflösen der ZnO-Zwischenpufferschichten abgetrennt. Beide der so erhaltenen GaN-Halbleiterschichten 3a und 3b wiesen Leitfähigkeit vom n-Typ auf, mit einer Elektronenkonzentra­ tion von etwa 3 × 1017/cm3 und einer Elektronenbeweglichkeit von etwa 400 cm2/V.s bei Raumtemperatur.
Die Dicke der ZnO-Pufferschicht betrug in dieser Ausfüh­ rungsform 100 nm. Alternativ kann die Dicke im Bereich von 10 nm bis 1 µm variiert werden. Es ist nicht bevorzugt, eine dünnere ZnO-Pufferschicht als mit einer Dicke von 10 nm zu verwenden, weil sie zu dünn ist, um als effektive Pufferschicht zu funktionieren. Es ist nicht bevorzugt, eine dickere ZnO-Pufferschicht als mit einer Dicke von 1 µm zu verwenden, weil sie zu dick ist, um Gittercharakter zu zeigen zwischen dem Saphir und dem ZnO.
Dann wurde eine LED 10 (Fig. 6) auf einer der GaN-Halblei­ terschichten 3a und 3b mit 300 µm Docke als Träger 3 herge­ stellt durch metallorganische Gasphasenepitaxie, im folgen­ den als MOCVD bezeichnet.
Die in diesem Prozess eingesetzten Gase waren Ammoniak (NH3), ein Trägergas (H2), Trimethylgallium (Ga(CH3)3, im folgenden als TMG bezeichnet), Trimethylaluminium (Al(CH3)3, im folgenden als TMA bezeichnet), Silan (SiH4), Dicyclopentadienylmagnesium (Mg(C5H5)2, im folgenden als Cp2Mg bezeichnet) und Diethylzink (im folgenden als DEZ bezeichnet).
Ein gemäß vorstehend beschriebenem Verfahren hergestellter GaN-Halbleiterträger 3 wurde auf einen Halter in einer Reaktionskammer für die MOVPE-Behandlung angebracht. Nach Evakuieren der Kammer wurden H2 und NH3 eingelassen und die Temperatur des GaN-Halbleiterträgers 3 auf 1000°C gebracht. Das zugegebene NH3-Gas ist unerläßlich, um zu verhindern, dass GaN-Moleküle im GaN-Halbleiterträger 3 in das Innere der Kammer sublimieren.
Dann wurde eine 1 µm dicke GaN-Pufferschicht 4 vom n-Typ auf dem GaN-Halbleiterträger 3 gebildet, wie in Fig. 4 dargestellt, unter den Bedingungen, dass 20 min lang H2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min, NH3 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 l/min, TMG mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,7 × 10-4 mol/min und mit H2 auf 0,86 ppm verdünntes Silan mit einer Strömungsgeschwin­ digkeit von 200 ml/min eingeleitet wurden.
Wie in Fig. 5 dargestellt, wurde eine 0,5 µm dicke GaN-i- Schicht 5 auf der GaN-Pufferschicht 4 gebildet unter den Bedingungen, dass die Temperatur der GaN-Halbleiterschicht 3 bei 900°C gehalten wurde und 10 min lang H2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min, NH3 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 l/min, TMG mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,7 × 10-4 mol/min und Cp2Mg mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 × 10-7 mol/min eingeleitet wurden. Auf dieser Stufe blieb die i-Schicht 5 isolierend.
Dann wurden Elektronenstrahlen einheitlich unter Verwendung eines Diffraktionsgerätes mit reflektierendem Elektronen­ strahl in die i-Schicht 5 eingestrahlt. Die Bestrahlungsbe­ dingungen wurden auf 10 kV für die Beschleunigungsspannun­ gen, 1 µA für den Probenstrom, 0,2 mm/sec für die Geschwin­ digkeit des Abtaststrahles, 60 µm für den Durchmesser der Strahlapertur und 0,0028 Pa für das Vakuum festgelegt. Diese Strahlung verwandelte die isolierende i-Schicht 5 mit einem spezifischen Widerstand von 108 Ω.cm oder mehr in eine Halbleiterschicht mit Leitung vom p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ω.cm. Dadurch wurde eine p- Schicht 5 mit Leitung vom p-Typ erhalten. Entsprechend wurde ein Wafer mit Mehrstrukturschichten erhalten, wie in Fig. 5 dargestellt.
Wie in Fig. 6 dargestellt, wurden zwei Elektroden 6 und 7 mit jeweils 1 mm Durchmesser durch Dampfabscheidung gebildet. Die Elektrode 6 wurde aus Aluminium (Al) auf dem GaN-Halbleiterträger 3 mit n-Schichtcharakter gebildet. Die Elektrode 7, die aus Gold (Au) hergestellt wurde, wurde auf der p-Schicht 5 gebildet.
Der Serienwiderstand der so erhaltenden LED 10 mit PN- Funktion wurde klein, wie gefunden wurde. Obwohl eine konventionelle LED, die ein Loch, das sich von der Oberfläche der p-Schicht 5 zur n-Schicht 3 erstreckt, und eine in diesem Loch gebildete Elektrode für die n-Schicht 3 besitzt, einen Serienwiderstand von 50 Ω in der Verbindung der n-Schicht 3 und der n-Schicht 4 besitzt, besitzt die hergestellte LED 10 einen entsprechenden spezifischen Widerstand von 0,2 Ω. Der spezifische Widerstand der LED 10 verringerte sich also auf 1/250 des Widerstands der konventionellen LED.
Fig. 7 zeigt eine Lichtausbeutecharakteristik der LED 10 bei einer Ansteuerung mit einem Strom von 10 mA. Die LED 10 besitzt ein Leistungsmaximum bei der Wellenlänge von 450 nm und strahlt blaues Licht aus. Weiter wurde gefunden, dass die Leuchteffektivität der LED 10 zweimal so groß war wie die der konventionellen LED.
Die LED 10 mit einer PN-Verbindungsstruktur wurde herge­ stellt. Alternativ kann eine LED mit PIN-Struktur oder auch mit MIS-Struktur verwendet werden.
Die GaN-Schicht 3 wurde als Träger der LED 10 verwendet. Alternativ kann InGaN oder AlGaN als Träger eingesetzt werden.
Weiter kann eine LED mit der Struktur eines Heteroüber­ gangs, die aus heterogenen Halbleitermaterialien herge­ stellt wurde, alternativ verwendet werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden Halbleiterschichten aus AlxGayIn1-x-yN mit folgenden Schritten:
  • - Bildung einer Zinkoxidschicht (ZnO) (2a, 2b) auf jeder Seite eines Saphirträgers (1),
  • - Bildung einer Halbleiterschicht (3a, 3b), die aus einem Halbleiter aus einer Nitridverbindung der Gruppe III besteht, der der Formel AlxGayIn1-x-yN einschließlich x = 0, y = 0 und x = y = 0 entspricht, auf jeder der ZnO -Schichten (2a, 2b),
  • - Anätzen der ZnO-Schichten (2a, 2b) mit einem ZnO- spezifischen Ätzmittel und
  • - Abtrennen der zwei Halbleiterschichten (3a, 3b) vom Saphirträger (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die ZnO-Schichten (2a, 2b) jeweils eine Dicke von 10 nm bis 1 µm besitzen.
3. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 erhaltenen Halbleiterschichten als Substrat bei der Herstellung einer lichtemittierenden Diode (LED) (10).
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