DE19855476A1

DE19855476A1 - Lichtemittierendes Halbleiterelement mit einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis, Verfahren zur Herstellung desselben und Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis

Info

Publication number: DE19855476A1
Application number: DE19855476A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Nanishi; Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 1999-06-17
Also published as: NL1010698C2; NL1010698A1; US6146916A; US6362496B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterelement, insbesondere ein lichtemittierendes Halb leiterelement, bei dem ein Material auf GaN-Basis verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung des lichtemittieren den Halbleiterelements. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis.

GaN besitzt einen breiten Bandabstand, und Leuchtdioden (LEDs) bei denen GaN verwendet wird, sind daher bekannt als lichtemittierende Halbleiterelemente, die Licht im Bereich von Blau bis Violett emittieren. Wenngleich lichtemittierende Halbleiterelemente, die blaues Licht emittieren, durchaus Schlüsselelemente auf dem Gebiet der Optoelektronik sein könnten, besteht das Problem darin, daß es sehr schwierig ist, einen großen GaN-Kristall von hoher Qualität zu züchten. Aufgrund dieses Problems befaßt sich die Forschung auf dem Gebiet des Züchtens von großen GaN-Kristallen mit der Auswahl eines geeigneten Substrats und mit einem Verfahren zur Ab scheidung der GaN-Kristalle.

In diesem Zusammenhang wurde bei einem herkömmlichen Verfah ren versucht, ein Einkristallsaphirsubstrat zu verwenden, um darauf die GaN-Schicht mit Hilfe des metallorganischen chemi schen Aufdampfverfahrens (nachfolgend bezeichnet als "MOCVD- Verfahren") abzuscheiden. Bei diesem Verfahren liegt jedoch die Schwierigkeit darin, eine GaN-Schicht mit einer Kristal linität von hoher Qualität aufzubringen. Diese Schwierigkeit ist auf einen großen Unterschied zwischen den Gitterkonstan ten des Saphirsubstrats und des GaN zurückzuführen (ein be sonderer Unterschied zwischen den Gitterkonstanten der beiden beträgt sogar etwa 16,1%), so daß Kristallfehler mit einer Versetzungsdichte von sogar 10⁸ bis 10¹¹/cm² in der aufge brachten GaN-Schicht entstehen.

In den letzten Jahren wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das Probleme wie die oben beschriebenen beheben soll. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine polykristalline oder amorphe kristalline AIN-Schicht als Pufferschicht zwischen einem Saphirsubstrat und einer GaN-Schicht aufgebracht, um den Unterschied zwischen den Gitterkonstanten des Einkri stallsaphirsubstrats und der GaN-Schicht zu verringern, wo durch eine GaN-Schicht mit einer Kristallinität von hoher Qualität aufgebracht werden kann. Es wird auch offenbart, daß bei Verwendung einer ZnO-Schicht als Pufferschicht die GaN-Schicht nicht nur auf das Einkristallsubstrat, sondern auch auf amorphe Kristallsubstrate wie zum Beispiel ein Quarzglas substrat aufgebracht werden kann; und praktische Anwendungen dieses Verfahrens werden derzeit entwickelt (siehe beispiels weise die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 8-139361).

Selbst bei diesen Verfahren aus dem zugehörigen Stand der Technik, wo die GaN-Schicht unter Verwendung einer Puffer schicht wie zum Beispiel einer AIN-Schicht oder einer ZnO-Schicht auf einem Substrat ausgebildet wird, stellt das MOCVD-Verfahren ein Kernverfahren dar, das zum Aufbringen der GaN-Schicht verwendet wird.

Trotz der technischen Entwicklung haben jedoch herkömmliche lichtemittierende Halbleiterelemente die im folgenden be schriebenen Probleme.

Das bisher vorwiegend als Substrat für eine GaN-Schicht ver wendete Einkristallsaphirsubstrat erhöht insbesondere die Produktionskosten, weil des Substrat teurer ist.

Außerdem wird bei beiden obengenannten Verfahren aus dem Stand der Technik das MOCVD-Verfahren verwendet. Bei dem MOCVD-Verfahren muß ein Substrat zum Zeitpunkt des Aufdamp fens jedoch auf eine hohe Temperatur von 1000 bis 1200°C er hitzt werden, um eine thermische Zersetzungsreaktion für die Kristallabscheidung nutzen zu können. Eine derart hohe Tempe ratur führt zu den folgenden Problemen. Erstens sind die Sub strate, die zum Aufbringen einer GaN-Schicht verwendet werden können, auf jene begrenzt, die eine hohe Wärmebeständigkeit besitzen. Zweitens erhält ein Substrat aufgrund der hohen Temperatur einen starken Effekt, der auf einen Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und des GaN zurückzuführen ist. Ein besonderes Beispiel ist ein Element, bei dem die GaN-Schicht auf ein Einkristallsaphir substrat aufgebracht wurde. Wenn bei diesem Beispiel das Sub strat, auf das eine GaN-Schicht bei etwa 1000°C aufgebracht wird, von etwa 1000°C auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, schrumpft das Substrat in stärkerem Maße als die GaN-Schicht infolge eines Unterschiedes (etwa 34%) zwischen den Wär meausdehnungskoeffizienten des Einkristallsaphirsubstrats und der GaN-Schicht. Dies führt oft zu Verformungen, Rissen und Gitterfehlern in der GaN-Schicht, was in einer Verschlechte rung der Kristallqualität resultiert. Infolgedessen ist es schwierig, ein Element mit einer ausreichenden lichtemittie renden Wirkung zu erhalten.

Aus den obigen Gründen besteht ein Bedarf an einem lichtemit tierenden Halbleiterelement, das eine Schicht auf GaN-Basis mit einer ausgezeichneten Kristallinität und einer ausrei chenden lichtemittierenden Wirkung enthält, und das zu nied rigen Kosten produziert werden kann. Außerdem besteht ein Be darf an einem Verfahren zur Herstellung des lichtemittieren den Halbleiterelements und einem Verfahren zur Ausbildung ei ner Halbleiterschicht auf GaN-Basis mit einer ausgezeichneten Kristallinität.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Element und ein Ver fahren, das diesen Bedürfnissen genügt.

Das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der Erfindung umfaßt: ein Glas- oder Siliciumsubstrat mit einem Erwei chungspunkt von 800°C oder weniger; eine ZnO-Pufferschicht auf dem Glassubstrat; und eine Halbleiterstruktur mit wenig stens einer lichtemittierenden Schicht aus einem Halbleiter auf GaN-Basis.

Die lichtemittierende Schicht wird vorzugsweise nach einem ECR-MBE-Verfahren hergestellt. Das lichtemittierende Halblei terelement kann des weiteren eine amorphe Halbleiterpuffer schicht auf GaN-Basis zwischen der ZnO-Pufferschicht und der lichtemittierenden Schicht enthalten. Die lichtemittierende Schicht kann aus einem GaN-Halbleiter oder einem InGaN-Halb leiter bestehen.

Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis umfaßt die folgenden Schritte: Ausbilden einer ZnO-Puffer schicht auf einem von einem Glassubstrat und einem Si liciumsubstrat; und epitaxiales Aufwachsen einer Halbleiter schicht auf GaN-Basis auf die ZnO-Pufferschicht mit Hilfe ei nes Elektronenzyklotronresonanz-Molekularstrahlepitaxie- Verfahrens (ECR-MBE-Verfahrens).

Das Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halb leiterelements umfaßt die folgenden Schritte: Ausbilden einer ZnO-Pufferschicht auf einem von einem Glassubstrat und einem Siliciumsubstrat; und epitaxiales Aufwachsen einer lichtemit tierenden Schicht, die aus einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis besteht, auf der ZnO-Pufferschicht mit Hilfe eines ECR-MBE-Ver fahrens.

Diese Verfahren können des weiteren den Schritt der Ausbil dung einer amorphen Halbleiterpufferschicht auf GaN-Basis auf der ZnO-Pufferschicht vor dem epitaxialen Aufwachsen umfas sen.

Das epitaxiale Aufwachsen wird vorzugsweise bei einer Tempe ratur von 850°C oder weniger und mehr bevorzugt bei 700°C oder weniger durchgeführt. Die ZnO-Schicht kann auf dem Sub strat ausgebildet werden, und das Substrat besteht aus Boro silicat und besitzt einen Erweichungspunkt von etwa 700 bis 800°C.

Die Halbleiterschicht auf GaN-Basis bzw. die lichtemittieren de Schicht kann eine GaN-Schicht oder eine InGaN-Schicht sein.

Da ein ECR-MBE-Verfahren zur Ausbildung einer Schicht auf GaN-Basis herangezogen wird, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, Stickstoffgas im Plasmazustand mit Hilfe des ECR-Verfahrens zuzuführen, und in einem Maß, das der da bei auftretenden Anregungsenergie entspricht, kann die Sub strattemperatur abgesenkt werden.

Die Absenkung der Temperatur zum Zeitpunkt des Aufbringens der Schicht erlaubt daher die Verwendung von Materialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt, und demzufolge vergrößert sich der Auswahlbereich für die Substratmaterialien. Beispielswei se ist es schwierig, bei den herkömmlichen Verfahren preis günstigere Borosilicatglasmaterialien für das Substrat zu verwenden, aber nun ist es möglich, solche Materialien zu verwenden, wodurch die Produktionskosten für das lichtemit tierende Halbleiterelement gesenkt werden.

Die Absenkung der Substrattemperatur verhindert auch nachtei lige Wirkungen infolge der Unterschiede zwischen den Wär meausdehnungskoeffizienten des Substrats und des GaN. Im Ver gleich mit anderen Materialien liegen außerdem GaN und ein Glassubstrat näher beieinander, was den Wärmeausdehnungs koeffizienten angeht (insbesondere beträgt der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von GaN und dem von dem Glasmaterial etwa 10%; zum Vergleich beträgt der Un terschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von GaN und dem von einem Saphirsubstrat etwa 34%.), und sie haben eine höhere Dehnbarkeit, auf der aufgebrachten GaN-Schicht entstehen keine Risse, so daß eine GaN-Schicht von hoher Qua lität und mit hoher Emissionsleistung produziert werden kann.

Zur Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere derzeit bevorzugte Formen dargestellt, wobei es sich jedoch versteht, daß die Erfindung nicht auf die hier gezeig ten genauen Anordnungen und Instrumentierungen begrenzt ist.

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer ECR-MBE-Vorrichtung, die verwendet wird zum Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis und zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer GaN-Schicht, die auf gebracht wurde nach einem Verfahren gemäß einer ersten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm, in dem ein Aufdampfverfahren für eine GaN-Schicht gemäß der ersten Ausführungsform der Erfin dung dargestellt ist;

Fig 4 eine graphische Darstellung des von der GaN-Schicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltenen Photolumineszenz-Spektrums;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer InGaN-Schicht, die nach einem Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebracht wurde;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des von der In GaN-Schicht gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltenen Photolumineszenzspektrums;

Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschau lichung eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß ei ner dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 8A, 8B und 8C schematische Querschnittsansichten zur Veranschaulichung von lichtemittierenden Elementen gemäß Va rianten der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläu tert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ECR-MBE (Elek tronenzyklotronresonanz-Molekularstrahlepitaxie)-Vorrichtung, die verwendet wird zum Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis und zur Herstellung eines lichtemittierenden Halb leiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie die Fi gur zeigt, umfaßt die ECR-MBE-Vorrichtung drei Kammern, d. h. eine Plasmaerzeugungskammer 2, eine Bedampfungskammer 3 und eine Substratwechselkammer 4.

Bei der ECR-MBE-Vorrichtung wird Stickstoffgas in die Plasma erzeugungskammer 2 mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwin digkeit über einen Massenstromregler (nicht dargestellt) ein geleitet, und das eingeleitete Stickstoffgas wird mit Mikro wellen von 2,45 GHz und einem Magnetfeld von 875 G beauf schlagt, um eine Elektronenzyklotronresonanz (ECR) herbeizu führen, wodurch Plasma erzeugt wird. Das entstandene Stick stoffgasplasma wird dann durch ein divergentes Magnetfeld ge zwungen, von der Plasmaerzeugungskammer 2 in die Bedampfungs kammer 3 zu strömen.

Die Bedampfungskammer 3 umfaßt einen Substrathalter 12 mit einer Heizvorrichtung, und ein Substrat 11 wird von dem Sub strathalter 12 gehalten. Die Bedampfungskammer 3 umfaßt des weiteren eine Einrichtung 13 zum Aufbringen von Spannung, die eine Gleichstromvorspannung zwischen einer Vakuumkammer und dem Substrathalter 12 aufbringt, die die Bedampfungskammer 3 bilden. Dadurch kann ionisiertes Ausgangsmaterial wirksam an dem Substrat 11 befestigt werden. Gleichzeitig wird der Auf prall überflüssiger Ionen auf das Substrat 11 verhindert, um den Ionenemissionsschaden zu reduzieren, so daß eine qualita tive Verbesserung für die auf dem Substrat 11 ausgebildeten Kristallschichten realisiert werden kann. In der Kammer be findet sich auch eine Knudsen-Zelle 14, die ein Metall Ga als Ga-Quelle zuführt, und eine weitere Knudsen-Zelle 15, die ein Metall In als In-Quelle zuführt. Diese Materialien reagieren mit dem im Plasmazustand befindlichen Stickstoffgas, das aus der Plasmaerzeugungskammer 2 einströmt, um eine GaN-Schicht oder eine InGaN-Schicht auf dem Substrat 11 zu bilden. Da das Stickstoffgas im Plasmazustand zugeführt wird, kann zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Substrats 11 auf einen Wert ab gesenkt werden, der der Anregungsenergie entspricht. Infolge dessen ist das epitaxiale Aufwachsen einer Schicht auf GaN- Basis bei einer Temperatur von 850°C oder weniger möglich. Als Vorrichtung zur Beurteilung der Bedingungen einer Schicht auf dem Substrat 11 sind eine RHEED-Elektronenkanone 16 und eine Schirmvorrichtung 17 angebracht.

In der Substratwechselkammer 4 ist eine Substratbeförderungs stange 18 angebracht, die das Substrat 11 in die Bedampfungs kammer 3 befördert. Die Substratbeförderungsstange 18 ist mit einer Heizvorrichtung zum Vorheizen des Substrats ausgestat tet. Diese Stange 18 ermöglicht eine kontinuierliche Ausbil dung von Schichten auf dem Substrat und reduziert die Menge an entstehendem Gas, das beim Vorheizen des Substrats 11 in der Bedampfungskammer 3 entsteht.

Die Bedampfungskammer 3 und die Substratwechselkammer 4 be sitzen jeweils eine Absaugvorrichtung (beispielsweise eine Turbomolekularpumpe und eine Drehkolbenölpumpe; nicht darge stellt), und die beiden Kammern sind durch ein Schieberventil 19 voneinander getrennt. Dadurch kann in der Bedampfungskam mer 3 ein minimaler Anteil an Restmolekülen von Verunreini gungen und eine erhöhte Menge an Vakuumluft bleiben.

Erste Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine GaN-Schicht auf einem Glassubstrat mit Hilfe der oben beschriebenen ECR-MBE-Vorrichtung 1 ausgebildet. Es folgt nun eine Beschreibung von einem Substrat, Materialien und einem Verfahren, die bei dieser Ausführungsform verwendet werden.

Als Substrat wird bei dieser Ausführungsform ein preisgünsti ges Borosilicatglassubstrat 21 (nachfolgend einfach als Glas substrat bezeichnet) verwendet. Das Borosilicatglassubstrat besitzt vorzugsweise einen Erweichungspunkt von 800°C oder weniger, und noch mehr bevorzugt einen Erweichungspunkt im Bereich von 700 bis 800°C. Es versteht sich, daß der Erwei chungspunkt des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Glassubstrates zumindest höher liegt als eine Maximaltempera tur, auf die der Substrathalter 12 erwärmt wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein preisgünstiges Borosilicatglas mit einem Erweichungspunkt von etwa 775°C verwendet.

Es sei darauf hingewiesen, daß eines der Merkmale der vorlie genden Erfindung darin besteht, daß das Glassubstrat mit ei nem relativ niedrigen Erweichungspunkt als Substrat zum epi taxialen Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis verwendet werden kann. Im allgemeinen ist das Glassubstrat mit einem hohen Erweichungspunkt teuer, und ein Quarzglassub strat mit einem Erweichungspunkt von mehr als 1000°C ist noch teurer. Bei Substraten, die kollektiv als Glassubstrat be zeichnet werden, variiert der Erweichungspunkt stark, und die Tatsache, daß ein Glassubstrat mit einem niedrigen Erwei chungspunkt zum epitaxialen Aufwachsen einer Halbleiter schicht auf GaN-Basis verwendet werden kann, bringt einen großen Vorteil bei der Realisierung einer kommerziellen Mas senproduktion eines lichtemittierenden Halbleiterelements, das blaues Licht emittiert.

Auf diesem Glassubstrat 21 wird mit einem Verfahren wie zum Beispiel einem Hochfrequenz-Magnetronzerstäubungsverfahren eine ZnO-Pufferschicht 22 in einer Dicke von etwa 3 µm aufge bracht. Diese Schicht 22 ist eine zur C-Achse ausgerichtete polykristalline Schicht.

Die zum Aufbringen der GaN-Schicht verwendeten Materialien sind ein Metall Ga einer Reinheit von 8N (99,999999%) als Material der Gruppe III und Stickstoffgas einer Reinheit von 5N als Gas der Gruppe V. Zunächst wird ein Glassubstrat 21 auf die Substratbeförderungsstange 18 der ECR-MBE-Vorrichtung 1 aufgesetzt. Dann wird vorgebacken, um freies Wasser und Ad sorptionsgas aus dem Glassubstrat 21 oder der ZnO-Puffer schicht 22 zu entfernen. Das Glassubstrat 21 wird in die Bedampfungskammer 3 befördert, und darin erfolgt 30 Minu ten lang bei 700°C eine thermische Reinigung für das Substrat 21, so daß man eine gereinigte Oberfläche einer ZnO-Puffer schicht 22 erhält. Dann erfolgt 20 Minuten lang unter denen Tabelle 1 dargestellten Bedampfungsbedingungen eine Tieftemperaturbedampfung, um eine GaN-Pufferschicht 23 mit einer Dicke von etwa 20 nm auszubilden. Diese bei einer nied rigen Temperatur aufgebrachte Pufferschicht 23 ist amorph und soll die Kristallinität einer Einkristall-GaN-Schicht 24 ver bessern, die in einem späteren Schritt aufgebracht wird und weggelassen werden kann. Die Bedampfungskammer 3 wird auf et wa 10^-7 Torr gehalten.

Tabelle 1

Nachdem die Pufferschicht 23 bei einer niedrigeren Temperatur aufgebracht wurde, erfolgt das epitaxiale Aufwachsen einer GaN-Schicht 24 für 120 Minuten bei einem Druck von etwa 10^-7 Torr unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen.

Tabelle 2

Infolge der Durchführung des obengenannten Verfahrens wird die in Fig. 2 gezeigte Schichtstruktur erzeugt. Ein Zeitdia gramm dieses Aufdampfverfahrens für die GaN-Schicht ist in Fig. 3 dargestellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann in der Reihe der Aufdampfschritte dieser Ausführungsform die Substrattemperatur auf 700°C oder niedriger gehalten werden (wenngleich dies oben nicht beschrieben ist, kann das Auf dampfen bei Anwendung des Hochfrequenz-Magnetronzerstäubungs verfahrens bei etwa 200°C erfolgen). Dadurch können Materia lien mit niedrigerem Schmelzpunkt und Erweichungspunkt für das Substrat verwendet werden, was den Auswahlbereich für das Substratmaterial erhöht. Es ist sehr schwierig, ein Glassub strat mit einem so niedrigen Erweichungspunkt nach einem her kömmlichen Verfahren zu verwenden.

Nun werden die optischen Eigenschaften der nach dem obenge nannten Verfahren aufgebrachten GaN-Schicht erläutert. Als Verfahren zur Beurteilung der optischen Eigenschaften wird ein Photolumineszenzspektrum mit einer Anregungslichtquelle in Form eines He-Cd-Lasers bei einer Temperatur von 77 K oder niedriger gemessen. Das Meßergebnis ist in Fig. 4 darge stellt. In Fig. 4 stellt die horizontale Achse die Lichtemis sionswellenlänge λ dar, und die vertikale Achse stellt die Leuchtkraft dar (Einheit: a.u.). Wie aus dieser Figur er sichtlich ist, kann für die bei dieser Ausführungsform herge stellte GaN-Schicht ein Emissionspektrum hauptsächlich in der Nähe eines Bandendes (360 nm) bestätigt werden.

Gemäß einer weiteren Untersuchung der Erfinder wurde festge stellt, daß ZnO bei einer Temperatur von etwa 900°C oder mehr selbst unter einem geringen Vakuum vermutlich verdampft wird. Man nimmt daher an, daß eine ZnO-Pufferschicht verschwinden könnte während der Ausbildung einer GaN-Schicht nach einem herkömmlichen MBE-Verfahren oder einem CVD-Verfahren, die mit einer Temperatur von 900°C oder mehr arbeiten müssen, und es ist nicht sicher, ob die ZnO-Pufferschicht dann noch vorhan den ist, um wirklich als Pufferschicht wirken zu können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dagegen die Substrat temperatur während der Ausbildung einer GaN-Schicht erfolg reich auf etwa 700°C oder weniger gesenkt werden, wenn man mit einem ECR-MBE-Verfahren arbeitet. Dadurch wird die Zer setzung bzw. Verdampfung der ZnO-Pufferschicht ausgeschaltet. Demzufolge ist es möglich, aufgrund des Vorhandenseins der echten ZnO-Pufferschicht eine GaN-Schicht mit einer Kristal linität von hoher Qualität auszubilden.

Zweite Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, er folgt das epitaxiale Aufwachsen einer InGaN-Schicht auf ein Glassubstrat mit Hilfe der oben beschriebenen ECR-MBE-Vor richtung 1. Es werden nun ein Substrat, Materialien und ein Verfahren beschrieben, die bei dieser Ausführungsform verwendet werden.

Bei dieser Ausführungsform sind die zum Aufbringen einer In- GaN-Schicht verwendeten Materialien ein Metall Ga einer Rein heit von 8N (99,999999%) als Material der Gruppe III und ein weiteres Metall derselben Reinheit wie das Metall In. Weitere Materialien und das bei dieser Ausführungsform verwendete Substrat sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungs form.

Was ein Aufdampfverfahren angeht, so sind die Aufdampfbedin gungen für eine InGaN-Pufferschicht 33, die bei einer niedri gen Temperatur aufgebracht wird, und jene für eine InGaN-Schicht 34 jeweils auf die in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen eingestellt. Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Tabelle 3

Aufgrund der Durchführung des obengenannten Verfahrens er folgt das epitaxiale Aufwachsen der InGaN-Schicht 5 auf das Glassubstrat 31. Ein Zeitdiagramm dieses Aufdampfverfahrens für die GaN-Schicht ist in Fig. 3 dargestellt. Auch bei der Reihe von Aufdampfschritten gemäß dieser Ausführungsform kann die Substrattemperatur auf 700°C oder niedriger gehalten wer den.

Die optischen Eigenschaften der in den obigen Schritten her gestellten InGaN-Schicht sind in Fig. 6 dargestellt. Als Ver fahren zur Beurteilung der optischen Eigenschaften wird das gleiche Verfahren wie bei der ersten Ausführungsform verwen det. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, kann für die gemäß dieser Ausführungsform hergestellte InGaN-Schicht ein Emissi onsspektrum hauptsächlich in der Nähe eines Bandendes (380 nm) bestätigt werden.

Dritte Ausführungsform

Fig. 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines lichtemittierenden Halbleiterelements 40. Das lichtemittie rende Halbleiterelement umfaßt ein Glassubstrat 41, eine ZnO-Puffer schicht 42 auf dem Glassubstrat 41 und eine Halbleiter struktur 50 auf der ZnO-Pufferschicht 42. Die Halbleiter struktur 50 umfaßt eine n-GaN-Auflageschicht 44, eine p-GaN-Auf lageschicht 46 und eine aktive InGaN-Schicht 45, die zwi schen die n-GaN-Auflageschicht 44 und die p-GaN-Auf lageschicht 46 eingefügt ist. Die Halbleiterstruktur 50 umfaßt des weiteren eine GaN-Pufferschicht 43, die zwischen der n-GaN-Auflageschicht 44 und der ZnO-Pufferschicht 42 an geordnet ist. Eine n-leitende Elektrode 47 ist jeweils auf einer Seitenfläche der n-GaN-Auflageschicht 44, der GaN-Puffer schicht 43 und der ZnO-Pufferschicht 42 ausgebildet. Eine p-leitende Elektrode 48 ist auf der Oberseite der p-GaN-Auf lageschicht 46 ausgebildet.

Die Halbleiterstruktur 50 ist auf der ZnO-Pufferschicht 42 genauso ausgebildet wie im Zusammenhang mit der ersten und zweiten Ausführungsform erläutert, wobei das Metall Zn, das Metall Mg und Si als Quellen für Dotierstoffe verwendet wer den. Insbesondere wird die nichtdotierte amorphe GaN-Puffer schicht 43 mit einer Dicke von 0,02 µm als erstes auf der ZnO-Pufferschicht 42 ausgebildet. Dann werden nacheinander die Si-dotierte n-GaN-Auflageschicht 44 mit einer Dicke von 3 µm und einer Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3, die Zn-dotierte aktive InGaN-Schicht 45 mit einer Dicke von 0,01 µm und einer Störstellenkonzentration von 1 × 10²⁰ cm^-3, und die Mg-dotierte p-GaN-Auflageschicht 46 mit einer Dicke von 0,8 µm und einer Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 auf der GaN-Pufferschicht 43 ausgebildet.

Gemäß dieser Ausführungsform kann die Halbleiterstruktur 50 mit einer ausgezeichneten Kristallinität bei einer Temperatur von 700°C oder weniger auf dem Glassubstrat 41 ausgebildet werden. Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 40 kann daher blaues Licht emittieren, ohne an den im herkömmlichen Stand der Technik auftretenden Problemen zu leiden.

Weitere Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in den obengenannten Ausführungsformen beschriebenen Auf dampfbedingungen begrenzt, und sie kann in einem hierin be schriebenen beabsichtigten Bereich variiert werden. Bei spielsweise wird in den oben beschriebenen Ausführungsformen ein Borosilicatglassubstrat verwendet, um aber nicht darauf beschränkt zu sein, können auch andere Siliciumsubstrate, bei denen es sich ebenfalls um preisgünstige Substrate handelt, verwendet werden, wie in Fig. 8A, 8B und 8C gezeigt ist, die den Fig. 2, 5 und 7 entsprechen, mit Ausnahme der Verwen dung der Siliciumsubstrate 21a, 31a und 41a anstelle der Glassubstrate 21, 31 und 41. In diesem Fall können andere IC-Bau teile auf demselben Substrat, auf dem auch eine GaN-Schicht aufgebracht wird, ausgebildet werden.

Bei den obengenannten Ausführungsformen wird die Schicht auf GaN-Basis bei etwa 680°C ausgebildet. Die Schicht auf GaN-Basis kann jedoch auch bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 500°C ausgebildet werden, um die Kristallinität weiter zu verbessern. In diesem Fall kann das Glassubstrat mit einem Erweichungspunkt von weniger als 700°C verwendet werden. Andererseits kann im Falle der Verwendung eines Sili ciumsubstrates eine Schicht auf GaN-Basis bei einer Tempera tur von 850°C oder weniger ausgebildet werden, da ein Sili ciumsubstrat bei dieser Temperatur nicht schmilzt oder sich verformt.

Wenngleich die Ausbildung der GaN-Schicht und der InGaN-Schicht und ein lichtemittierendes Halbleiterelement mit der GaN-Schicht und der InGaN-Schicht als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert wurden, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung auf die Ausbildung einer Schicht aus Ga_1-xIn_xN, Ga_1-xAl_xN, Ga_1-xB_xN und eines Mischkri stalls derselben, d. h. aus Materialien auf GaN-Basis, ange wandt werden kann.

Wenngleich das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß der dritten Ausführungsform eine doppelte Heterostruktur besitzt, kann das lichtemittierende Halbleiterelement des weiteren auch eine einfache Heterostruktur oder eine Homostruktur be sitzen und besitzt eine Leuchtdiodenstruktur oder eine Laser struktur, solange das lichtemittierende Halbleiterelement ei ne Schicht auf GaN-Basis als lichtemittierende Schicht ent hält, die Licht im Bereich von Blau bis Violett emittiert.

Es wurden hier zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung offenbart, doch gelten die verschiedenen Ausführungsar ten der hierin offenbarten Prinzipien als im Rahmen der nach folgenden Ansprüche liegend. Daher versteht es sich, daß der Rahmen der Erfindung nur durch die sonstigen Angaben in den Ansprüchen begrenzt werden soll.

Wenngleich die vorliegende Erfindung in bezug auf spezielle Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, wenden für den Fachmann viele andere Varianten und Abwandlungen und noch an dere Verwendungsmöglichkeiten offensichtlich. Die vorliegende Erfindung sollte daher vorzugsweise nicht durch die hierin enthaltene spezielle Offenbarung, sondern nur durch die bei gefügten Ansprüche begrenzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis, umfassend die folgenden Schritte:
Ausbilden einer ZnO-Pufferschicht auf einem von einem Glas substrat und einem Siliciumsubstrat; und
epitaxiales Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis auf der ZnO-Pufferschicht mit Hilfe eines Elektronenzyklo tronresonanz-Molekularstrahlepitaxie (ECR-MBE)-Verfahrens.

2. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 1, des weiteren umfassend den Schritt der Ausbildung einer amorphen Halbleiterpufferschicht auf GaN-Basis auf der ZnO-Pufferschicht vor dem Schritt des epi taxialen Aufwachsens.

3. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des epitaxia len Aufwachsens bei einer Temperatur von 850°C oder weniger durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 3, bei dem die ZnO-Schicht auf dem Glassubstrat ausgebildet wird und das Glassubstrat aus Boro silicat besteht und einen Erweichungspunkt von etwa 700 bis 800°C besitzt.

5. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterschicht auf GaN-Basis eine GaN-Schicht ist.

6. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterschicht auf GaN-Basis eine InGaN-Schicht ist.

7. Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend:
ein Glassubstrat mit einem Erweichungspunkt von 800°C oder weniger;
eine ZnO-Pufferschicht auf dem Glassubstrat; und
eine Halbleiterstruktur mit wenigstens einer lichtemittieren den Schicht aus einem Halbleiter auf GaN-Basis.

8. Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 7, bei dem die lichtemittierende Schicht nach einem Elektronen zyklotronresonanz-Molekularstrahlepitaxie (ECR-MBE)-Verfahren hergestellt wird.

9. Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 7, des weiteren umfassend eine amorphe Halbleiterpufferschicht auf GaN-Basis zwischen der ZnO-Pufferschicht und der licht emittierenden Schicht.

10. Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 7, bei dem die lichtemittierende Schicht aus einem GaN- Halbleiter besteht.

11. Lichtemittierendes Halbleiterelement nach Anspruch 7, bei dem die lichtemittierende Schicht aus einem InGaN- Halbleiter besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements, umfassend die folgenden Schritte:
Ausbilden einer ZnO-Pufferschicht auf einem von einem Glas substrat und einem Siliciumsubstrat; und
epitaxiales Aufwachsen einer lichtemittierenden Schicht, die aus einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis besteht, auf der ZnO-Pufferschicht mit Hilfe eines Elektronenzyklotronreso nanz-Molekularstrahlepitaxie (ECR-MBE)-Verfahrens.

13. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements nach Anspruch 12, des weiteren umfassend den Schritt der Ausbildung einer amorphen Halbleiterpuffer schicht auf GaN-Basis auf der ZnO-Pufferschicht vor dem Schritt des epitaxialen Aufwachsens.

14. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des epitaxialen Aufwachsens bei einer Temperatur von 850°C oder weniger durchgeführt wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements nach Anspruch 14, bei dem die ZnO-Schicht auf dem Glassubstrat ausgebildet wird, und das Glassubstrat aus Borosilicat besteht und einen Erweichungspunkt von etwa 700 bis 800°C besitzt.

16. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterelements nach Anspruch 12, bei dem die lichtemit tierende Schicht eine GaN-Schicht ist.

17. Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf GaN-Basis nach Anspruch 12, bei dem die lichtemittierende Schicht eine InGaN-Schicht ist.