DE19931300A1 - Halbleiterphotonikvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Eine Halbleiterphotonikvorrichtung enthält ein Substrat (2), eine ZnO-Pufferlage (3) auf dem Substrat (2) und auf der ZnO-Pufferlage (3) eine Halbleiterverbindungslage (4-8), dargestellt durch In¶x¶Ga¶y¶Al¶z¶N, worin x + y + z = 1, 0 x 1, 0 y 1 und 0 z 1 sind, wobei die ZnO-Pufferlage (3) eine Dicke von etwa 3500 x 10·-10· m (Å) oder darüber hat und in Richtung einer c-Achse ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterphotonikvorrichtung und ein Verfahren zur Bildung eines ZnO-Films. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Halbleiterphotonikvorrichtung, die eine Halbleiterverbindung aus den Gruppen III-V, z. B. GaN, InGaN, GaAlN oder InGaAlN verwendet. Außerdem bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zur Bildung eines ZnO-Films auf einem Substrat, z. B. einem Siliciumsubstrat oder einem Glassubstrat.

Als Materialien für Halbleiterphotonikvorrichtungen, wie Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LDs), die blaues oder ultraviolettes Licht emittieren, sind Verbindungen aus den Gruppen III-V bekannt, die sich durch die allgemeine Formel In_xGa_yAl_zN darstellen, worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 sind. Die Halbleiterverbindungen weisen einen starken Lumineszenzeffekt auf, da es sich um Verbin­ dungen mit direktem Übergang handelt und die Emissions­ wellenlängen abhängig vom Indiumgehalt eingestellt werden können. Auf diese Weise haben die Halbleiterbestandteile Aufmerksamkeit als Stoffe für lichtemittierende Vorrichtun­ gen erregt.

Weil es schwierig ist, große In_xGa_yAl_zN-Einkristalle herzu­ stellen, wird ein sogenanntes Heteroepitaxial-Wachstums­ verfahren angewendet, bei dem ein Kristallfilm auf einem aus einem anderen Stoff bestehenden Substrat gezüchtet wird, und im allgemeinen wird er auf einem C-Ebenen- Saphirsubstrat gezüchtet. Da C-Ebenen-Saphirsubstrate jedoch teuer sind und außerdem einen großen Gitterversatz aufweisen, bilden sich in den gezüchteten Kristallen viele Kristallfehler mit einer Fehlstellendichte von 10⁸/cm² bis 10¹¹/cm², und somit ist es nicht möglich, hochwertige Kristallfilme mit besonders guter Kristallinität zu bilden, was ein Problem darstellt.

Um den beim Züchten von In_xGa_yAl_zN auf einem C-Ebenen- Saphirsubstrat entstehenden Gitterversatz zu verringern und um Kristalle mit nur wenigen Fehlstellen zu erhalten, hat man ein Verfahren entwickelt, bei dem eine polykristalline oder amorphe AlN-Pufferschicht oder eine bei niedrigem Druck abgeschiedene GaN-Pufferschicht auf das C-Ebenen- Saphirsubstrat aufgebracht wird. Da mit diesem Verfahren der Gitterversatz zwischen dem C-Ebenen-Saphirsubstrat und der Pufferlage und gleichzeitig auch zwischen der Pufferlage und dem In_xGa_yAl_zN verringert wird, läßt sich ein Kristallfilm mit wenigen Fehlstellen bilden. Das bei diesem Verfahren verwendete C-Ebenen-Saphirsubstrat ist jedoch teuer und der Aufbau kompliziert, was zu einer weiteren Kostensteigerung führt.

Weiterhin hat man ein SiC-Substrat untersucht und einen geringen Gitterversatz festgestellt. Jedoch ist das SiC- Substrat im Vergleich mit dem C-Ebenen-Saphirsubstrat viel teurer (etwa 10 mal so teuer wie das C-Ebenen-Saphir­ substrat), was nachteilig ist.

Dementsprechend wurde die Herstellung einer Halbleiter­ photonikvorrichtung mit preiswerten Silicium- oder Glas­ substraten gewünscht. Zu diesem Zweck kann eine auf In_xGa_yAl_zN basierende Lichtemissionsvorrichtung durch Abscheidung eines ZnO-Films (Pufferlage) auf dem Substrat gebildet werden, der ein in c-Achsenrichtung ausgerichtetes Hexagonalsystem aufweist, und darauf kann ein GaN enthaltender Halbleiter gebildet wurden.

Wenn man eine ZnO-Pufferlage auf ein Si-Substrat aufbringt, kann man dadurch die Substratkosten auf etwa ein Zehntel der Kosten eines C-Ebenen-Saphirsubstrats senken und so die Gesamtkosten verringern. Außerdem kann, im Gegensatz zu einem C-Ebenen-Saphiersubstrat, das ein Isoliermaterial ist, ein Si-Substrat leitfähig sein, und eine p-leitende Elektrode und eine n-leitende Elektrode können auf der Oberseite und der Unterseite der Lichtemissionsvorrichtung vorsehen sein, und so den Aufbau der Vorrichtung vereinfachen.

In der Vergangenheit war es nicht möglich, nur durch die Bildung eines in c-Achsenrichtung ausgerichteten ZnO-Filmes auf einem Si-Substrat einen dünnen GaN enthaltenden Film mit guten kristallinen Eigenschaften abzuscheiden. Da die Ausrichtung des ZnO-Films in c-Achsenrichtung die Kristallinität des dünnen GaN enthaltenden Films deutlich beeinflußt, muß, um einen dünnen Film mit genügend GaN darauf zu erhalten, ein ZnO-Film mit der bestmöglichen Ausrichtung zu der c-Achse gebildet werden.

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterphotonikvorrichtung, die die oben beschriebenen technischen Probleme löst, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen ZnO-Film (eine ZnO-Pufferlage) mit zufriedenstellender c-Achsenausrichtung auf einem Substrat so zu bilden, dass eine genügend GaN in zufriedenstellender Qualität enthaltende Halbleiterlage darauf abgeschieden werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung des ZnO-Films, wird ein in c-Achsenrichtung ausgerichteter ZnO- Film auf einem Substrat gebildet, und durch Festlegen der Filmdicke auf etwa 3500 × 10^-10 m (Å) oder darüber erhält man einen ZnO-Film mit zufriedenstellenden Rockingkurven­ kennwerten.

Bei der Erfindung wird in einer Halbleiterphotonikvorrich­ tung, die eine durch In_xGa_yAl_zN dargestellte Halbleiter­ verbindungslage verwendet (wobei x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 sind), eine ZnO-Pufferlage mit zufriedenstellenden Rockingkurvenkennwerten in einer Dicke von etwa 3500 × 10^-10 m (Å) oder dicker, ausgerichtet in Richtung der c-Achse auf einem Substrat gebildet, und auf der ZnO-Pufferlage wird eine GaN enthaltende Halbleiterlage gebildet.

Erfindungsgemäß kann, da die Halbwertsbreite der Rocking­ kurve der in c-Achsenrichtung ausgerichteten ZnO-Lage auf 3,5° oder weniger gesetzt werden kann, eine zufrieden­ stellende c-Achsenausrichtung erreicht werden, und die auf der ZnO-Pufferlage gebildete Halbleiterlage kann eine zufriedenstellende Kristallinität aufweisen.

Die Dicke der ZnO-Pufferlage wird bevorzugt höher gewählt, so dass die ZnO-Pufferlage eine Halbwertsbreite der Rockingkurve von 3,5° oder weniger aufweist, und besonders bevorzugt wird die Halbwertsbreite der Rockingkurve auf 2,5° oder weniger festgelegt.

Um die Erfindung zu veranschaulichen, sind in den Zeichnungsfiguren einige bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt, jedoch sollten diese so verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten genauen Anordnungen und Vorrichtungen beschränkt ist.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Halbleiterphotonikvorrichtung als eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Richtungswechsel der Achsen der auf einem Substrat gezüchteten Kristalle darstellt.

Fig. 3 ist die schematische Darstellung einer Rockingkurve.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Dicke einer auf einem Siliciumsubstrat gebildeten ZnO-Pufferlage und der Halbwertsbreite der Rockingkurve zeigt.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Halbleiterphotonikvorrichtung einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Halbleiterphotonikvorrichtung noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen unter Bezug auf die Zeichnungs­ figuren erläutert. Fig. 1 zeigt als eine Ausführungsform der Erfindung eine Halbleiterphotonikvorrichtung, die eine Doppel-Heteroübergangsstruktur hat, wie eine lichtemittie­ rende Laserdiode, in der eine InGaN-Lage 6 als Lumineszenz­ lage dient. In der Halbleiterphotonikvorrichtung 1 sind eine ZnO-Pufferlage 3, die einen kleinen spezifischen Widerstand hat, auf einem leitenden Si-Substrat 2 und weiterhin eine n-leitende GaN-Lage 4, eine n-leitende AlGaN-Lage 5, eine InGaN-Lage (Lumineszenzlage) 6, eine p- leitende AlGaN-Lage 7 und eine p-leitenden GaN-Lage 8 auf der ZnO-Pufferlage 3 in dieser Reihenfolge abgeschieden. Die n-leitende GaN-Lage 4, die n-leitende AlGaN-Lage 5, die InGaN-Lage (Lumineszenzlage) 6, die p-leitende AlGaN-Lage 7 und die p-leitende GaN-Lage 8 bilden eine Struktur mit Doppel-Heteroübergang. Weiterhin sind eine n-leitende Elektrode 9 auf der gesamten unteren Oberfläche des Si- Substrats 2 und eine p-leitende Elektrode 10 partiell auf der oberen Oberfläche der p-leitenden GaN-Lage 8 vorgesehen. Beim Anlegen einer Spannung zwischen der p- leitenden Elektrode 10 und der n-leitenden Elektrode 9 wird Strom von der p-leitenden Elektrode 10 in die InGaN-Lage 6 injiziert, um Licht auszusenden, und das von der InGaN-Lage 6 ausgesendete Licht tritt aus dem nicht mit der p- leitenden Elektrode 10 versehenen Bereich der p-leitenden GaN-Lage 8 nach außen.

In der unter Bezug auf das bekannte Beispiel beschriebenen Halbleiterphotonikvorrichtung 1 ist es, wenn die n-leitende GaN-Lage 4 eine gute Kristallinität aufweisen soll, wichtig, dass die auf dem Si-Substrat gebildete ZnO- Pufferlage 3 eine zufriedenstellende c-Achsenausrichtung aufweist. Entsprechend wurden in der Erfindung ZnO-Filme mit verschiedenen Filmdicken auf Si-Substraten (SiO₂/Si- Substraten) gebildet, deren Oberflächen oxidiert und deren Rockingkurven gemessen wurden.

Zunächst wird eine Rockingkurve beschrieben. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind bei der Abscheidung eines ZnO-Films auf einem Substrat 11 die Kristallachsen nach der Abschei­ dung weiterer Kristallschichten einheitlich ausgerichtet, obwohl die Kristallachsen der ersten Kristallschicht (wie von den Pfeilen dargestellt) aufgrund des Gitterversatzes relativ zum Substrat nach dem Zufallsprinzip in viele verschiedene Richtungen weisen. Um den Zufallsgrad der Richtungen der Kristallachsen in dünnen Filmen und Kristallen zu bestimmen, wird eine Rockingkurve unter Verwendung eines Röntgenstrahldiffraktometers gemessen. Das heißt, - ein zu messendes Substrat wird Röntgenstrahlen ausgesetzt, und die reflektierten Strahlen werden von einem Detektor aufgefangen, während der Einfallswinkel der Strahlen im Verhältnis zum Substrat verändert wird.

Genauer gesagt wird, während die Lage der Röntgenstrahlen unverändert bleibt, das zu messende Substrat um eine zum Substrat parallele Rotationsachse gedreht, so dass das Lot des Substrats seine Richtung ändert, und gleichzeitig wird auch die Lage des Detektors in Reaktion auf die Rotation des Substrats gedreht, so dass er die gleichmäßig vom Substrat reflektierten Strahlen erfassen kann. Auf diese Weise wird, während der Winkel des zu messenden Substrats verändert wird, die Stärke der reflektierten Strahlen erfaßt. Ein Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und dem reflektierten Strahl ist, wenn das Ausgangssignal des Detektors seinen Peak erreicht, mit 2 θ_p angegeben, und beim in c-Achsenrichtung ausgerichteten ZnO liegt dieser Signalpeak bei 2 θ_p = 34,4°. Dann wird die Lage der Röntgenstrahlen fixiert und der Detektor an der Position fixiert, bei der die Peakposition erreicht ist. Danach wird die Intensität der Röntgenstrahlen gemessen, während nur das Substrat in der Nähe der Peakposition gedreht wird.

Die Verteilung der gemäß obiger Beschreibung erhaltenen Röntgenstrahlintensitäten bildet eine Rockingkurve, und der Detektor ist bei θ_p = 17,2° fixiert. Eine Abweichung des gemessenen Peaks der Rockingkurve von 17,2° entspricht der Schrägstellung der c-Achse. Die Verteilung der aufgefange­ nen Röntgenstrahlintensitäten bei relativen Winkeln, wenn anstelle der Peakposition (17,2°) 0° eingesetzt wird, ist in der Rockingkurve 12 der Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3. zeigt die waagrechte Koordinate den Winkel (die Neigung) der c-Achse und die senkrechte Koordinate die Intensität. Die Ausrichtung eines auf dem Substrat 1 angeordneten Kristalls kann mit der Halbwertsbreite (volle Breite bei halbem Maximum, bezeichnet als FWHM)) der Rockingkurve 12 bewertet werden. Das heißt, wenn es bei den Achsenaus­ richtungen des Kristalls große Abweichungen gibt, wie das von der durchgehenden Linie in Fig. 3 dargestellt ist, ver­ läuft die Rockingkurve 12 flach, und ihre Halbwertsbreite K2 verbreitert sich. Wenn dagegen die Achsenausrichtungen des Kristalls vereinheitlicht werden, wie das mit der gestrichelten Linie in Fig. 3 dargestellt ist, verläuft die Rockingkurve 12 steil, und ihre Halbwertsbreite K1 wird kleiner.

Fig. 4 fasst die Messergebnisse des Verhältnisses der Dicke eines ZnO-Filmes zur Halbwertsbreite der Rockingkurve im Hinblick auf die c-Achsenausrichtung des auf einem Si- Substrat (SiO₂/Si-Substrat) abgeschiedenen ZnO-Films zusam­ men. Wie aus Fig. 4 deutlich wird, verringert sich, wenn die Dicke des ZnO-Films auf 0,35 µm (3500 Å) oder mehr vergrößert wird, die Halbwertsbreite der Rockingkurve deutlich auf 4,5° oder weniger. Insbesondere wird die Dicke des ZnO-Films bevorzugt auf 0,5 µm (5000 Å) oder mehr festgelegt, und so verringert sich die Halbwertsbreite der Rockingkurve auf 3,5° oder weniger. Noch bevorzugter wird durch Festlegen der Dicke des ZnO-Films auf 0,7 µm (7000 Å) oder mehr die Halbwertsbreite der Rockingkurve auf 2,5° oder weniger verringert. Auf diese Weise kann ein praktischer Nutzen erzielt werden.

Daher kann, wenn die Halbleiterphotonikvorrichtung 1 so hergestellt wird, dass die Dicke der ZnO-Pufferlage 3 auf dem Si-Substrat bei etwa 3500 × 10^-10 m (Å) oder mehr, bevorzugt bei etwa 5000 × 10^-10 m (Å) und noch bevorzugter bei etwa 7000 × 10^-10 m (Å) gebildet wird, eine ZnO- Pufferlage 3 mit zufriedenstellender c-Achsenausrichtung gebildet werden, und auf der ZnO-Puffer-Lage 3 kann mit dem MOCVD- oder dem MBE-Prozess eine n-leitende GaN-Lage 4 mit zufriedenstellender Kristallinität abgeschieden werden.

Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform das Si- Substrat, dessen Oberfläche oxidiert ist, verwendet wird, kann man auch dann einen in c-Achsenrichtung ausgerichteten ZnO-Film mit denselben Eigenschaften erhalten, wenn man ein Si-Substrat verwendet, dessen Oberfläche nicht oxidiert ist.

Andere Ausführungsformen

Diese Erfindung läßt sich auch bei anderen Halbleiter­ photonikvorrichtungen anwenden, die keine Doppel-Hetero­ übergangsstruktur und keine InGaN-Lage 6 aufweisen, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Z.B. können bei einer Halbleiter­ photonikvorrichtung 31, wie sie Fig. 5 zeigt, eine ZnO- Pufferlage 33, eine n-leitende GaN-Lage 34 und eine p- leitende GaN-Lage 35 auf einem Si-Substrat 32 gebildet sein, und eine n-leitende Elektrode 36 kann auf der unteren Oberfläche des Si-Substrats 32 und ein p-leitende Elektrode 37 auf der p-leitenden GaN-Lage 35 gebildet werden. Auch läßt sich, obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, eine Lumineszenzlicht erzeugende Vorrichtung her­ stellen, in der eine ZnO-Pufferlage, eine bei niedriger Temperatur abgeschiedene GaN-Pufferlage, eine n-leitende GaN-Lage und eine p-leitende GaN-Lage auf einem Glas­ substrat abgeschieden sind. Ferner kann ein C-Ebenen- Saphirsubstrat als Substrat verwendet werden.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann diese Vorrichtung weiterhin eine Halbleiterphotonikvorrichtung 41, z. B. eine Laser­ diode oder eine lichtemittierende Diode vom Kanten­ emissionstyp sein, bei der eine ZnO-Pufferlage 43 auf einem Si-Substrat 42, eine Mantellage 44 aus n-leitendem GaN, eine aktive Lage 45 aus p-leitendem GaN, und eine Mantellage 46 aus p-leitendem GaN abgeschieden sind und bei der ein SiO₂-Film 47 in dem oberen Bereich mit Ausnahme des Zentrums der p-leitenden GaN-Mantellage 46, eine p-leitende Elektrode 48 über dem SiO₂-Film 47 und der p-leitenden GaN- Mantellage 46 und eine n-leitende Elektrode 49 auf der unteren Oberfläche des Si-Substrats 42 gebildet sind.

Während oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert wurden, lassen sich innerhalb des von den nachfolgenden Ansprüchen umfassten Bereichs verschieden­ artige Ausführungsformen der hier beschriebenen Prinzipien ableiten. Deshalb sollte deutlich sein, dass die Erfindung lediglich durch die in den beiliegenden Ansprüchen ange­ gebenen Merkmale beschränkt ist.

Claims (10)

1. Halbleiterphotonikvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein Substrat (2; 32; 42);
eine ZnO-Pufferlage (3; 33; 43) auf dem Substrat (2; 32; 42); und
eine Halbleiterverbindungslage (4-8; 34, 35; 44-46) auf der Pufferlage (3; 33; 43), dargestellt durch In_xGa_yAl_zN, wobei x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 sind, wobei der ZnO-Puffer eine Dicke von etwa 3500 × 10^-10 m (Å) oder darüber hat und in Richtung einer c- Achse ausgerichtet ist.

2. Halbleiterphotonikvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in c-Achsenrichtung ausgerichtete ZnO-Pufferlage eine Halbwertsbreite der Rockingkurve von 4,5° oder darunter hat.

3. Halbleiterphotonikvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in c-Achsenrichtung ausgerichtete ZnO-Pufferlage eine Halbwertsbreite der Rockingkurve von 3,5° oder darunter hat.

4. Halbleiterphotonikvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in c-Achsenrichtung ausgerichtete ZnO-Pufferlage eine Halbwertsbreite der Rockingkurve von 2,5° oder darunter hat.

5. Halbleiterphotonikvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Silicium ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterphotonikvor­ richtung durch Bilden eines in c-Achsenrichtung auf einem Substrat ausgerichteten ZnO-Films, dadurch gekennzeichnet, dass der ZnO-Film in einer Dicke von 3500 × 10^-10 m (Å) oder dicker gebildet wird, wodurch ein ZnO-Film mit zufriedenstellenden Rockingkurvenkennwerten erzielt wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterphotonik­ vorrichtung, indem ein in c-Achsenrichtung ausgerichteter ZnO-Film auf einem Substrat und dann eine Halbleiter­ verbindungslage auf der ZnO-Pufferlage gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der ZnO-Film in einer Dicke von 3500 × 10^-10 m (Å) oder dicker ausgebildet wird, wodurch man einen ZnO-Film mit zufriedenstellenden Rocking­ kurvenkennwerten erhält.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, dass der ZnO-Film in einer Dicke von 5000 × 10^-10 m (Å) oder dicker gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ZnO-Film in einer Dicke von 7000 × 10^-10 m (Å) oder dicker gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Substrat Silicium ist.