DE19941875C2 - Optoelektronische Halbleitervorrichtung - Google Patents

Optoelektronische Halbleitervorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Halbleitervorrichtung, die einen Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter, wie GaN, InGaN, GaAlN, InGaAlN, umfaßt.
Als Materialien zur Bildung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung, wie eine Licht aussendende Diode (LED) oder eine Laserdiode (LD) zur Erzeugung von Licht im blauen bis hin zu einem ultravioletten Spektralbereich, sind Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V bekannt, welche die allgemeine Formel InxGayAlzN besitzen, worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 gilt. Da eine solche Art von Verbindungs­ halbleiter ein Direkt-Übergangs-Typ ist, besitzt er eine hohe Lichtaussendungseffizienz. Da es weiterhin möglich ist, die Wellenlänge des ausgesandten Lichts durch Regulieren der In-Konzentration zu regulieren, zog der Verbindungshalbleiter das öffentliche Interesse auf sich.
Da es schwierig ist, einen Einkristall im großen Maßstab aus InxGayAlzN herzustellen, wenn ein Film aus einem solchen hergestellt werden soll, wird ein als heteroepitaxiales Wachstum bezeichnetes Verfahren zum Züchten des Kristalls auf Substraten aus un­ terschiedlichen Materialien verwendet; im allgemeinen ist es üblich, daß man den Kris­ tall auf einem C-Oberflächen-Saphir-Substrat oder einem Si-Substrat wachsen läßt.
Da jedoch das C-Oberflächen-Saphir-Substrat und das Si-Substrat kein mit der Verbin­ dung InxGayAlzN abgestimmtes Kristallgitter aufweisen, besteht das Problem, daß eine große Menge an Kristalldefekten mit einer Dichte von 108/cm2-1011/cm2 in den auf dem C-Oberflächen-Saphir oder Si-Substrat gezüchteten Kristallen auftreten. Als Folge da­ von ist es unmöglich, einen Kristallfilm mit einer guten Qualität und einer ausgezeich­ neten Kristallinität zu erhalten.
Demzufolge wurde vorgeschlagen, daß ein ZnO-Film als Pufferfilm auf dem C-Oberflächen-Saphir-Substrat oder dem Si-Substrat gebildet wird. Obwohl es möglich ist, einen orientierten ZnO-Film guter Qualität auf dem C-Oberflächen-Saphir-Substrat und ein Licht aussendendes Element, das durch Ausbilden einer InxGayAlzN-Schicht auf dem ZnO-Film erhalten wird, zu erhalten, besteht das Problem, daß die Herstellung eines solchen Substrates hohe Kosten verursacht. Wenn das Licht aussendende Ele­ ment durch Ausbilden einer InxGayAlzN-Schicht auf dem Si-Substrat mit einem ZnO-Film erhalten wird, kann ein solches Substrat zwar bei geringen Kosten hergestellt werden; es besteht jedoch das Problem, daß es unmöglich ist, einen orientierten ZnO- Film mit guter Qualität zu erhalten, wodurch es weiterhin unmöglich ist, InxGayAlzN mit einer ausgezeichneten Kristallinität auf dem ZnO-Film zu züchten.
DE 199 31 300 A1, die nachveröffentlicht ist, beschreibt ein Siliziumsubstrat mit einem Siliziumdioxidfilm. Auf dem Siliziumdioxidfilm befindet sich ein Zinkoxidfilm in Verbindung mit einer Verbindungshalbleiterschicht, angegeben durch InxGayAlzN, wobei x + y + z = 1 und 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 ist.
Aus Patent Abstracts of Japan: JP 08139361 A, Japanese Patent Office, 1996, ist es bekannt, auf ein Quarzglassubstrat eine Zinkoxidpufferschicht aufzubringen, um darauf eine Leuchtdiode auf GaN-Basis aufzubauen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optoelektronische Halbleitervorrichtung anzugeben, welche eine ausgezeichnete InxGayAlzN-Schicht umfaßt, die unter Verwen­ dung eines Si-Substrates ausgebildet wird.
Diese Aufgabe wird mit einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruches 1 gelöst.
Gemäß den durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Experimen­ ten war es möglich, einen ZnO-Film mit einer guten Kristallinität zu erhalten, wenn ein SiO2-Film auf einem Si-Substrat ausgebildet wurde und ein ZnO-Film auf dem SiO2-Film ausgebildet wurde. Insbesondere, wenn die Oberfläche des Si-Substrats leicht thermisch oxidiert war und sich ein SiO2-Film (thermisch oxidierter Film) mit einer Dicke von 10 nm auf dem Si-Substrat ausgebildet hatte, konnte man einen ZnO-Film mit einer guten Kristallinität erhalten. Zudem, selbst wenn der SiO2-Film auf der Ober­ fläche des Si-Substrats mittels einer physikalischen Abscheidung wie Sputtern ausge­ bildet wurde, war es dennoch möglich, einen ZnO-Film mit einer guten Kristallinität zu erhalten. Daher ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen ZnO-Film mit einer guten Kristallinität auf einem billigen Si-Substrat zu züchten, und es ist auch mög­ lich, einen InxGayAlzN-Kristall darauf zu züchten, wobei der ZnO-Film als Pufferschicht dient. Somit wurde es möglich, bei verminderten Kosten eine optoelektronische Halb­ leitervorrichtung mit InxGayAlzN herzustellen, welche zum Aussenden von Licht im blauen bis hin zum ultravioletten Spektralbereich in der Lage ist.
Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, wobei es sich aber versteht, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten, genauen Anordnungen und Vorrichtungen beschränkt ist.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Struktur einer optoelektroni­ schen Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung darlegt.
Fig. 2 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch die Veränderung von auf einem Substrat in Richtung der Kristallachse gezüchteten Kristallschichten anzeigt.
Fig. 3 ist eine erläuternde Grafik, die eine Rockingkurve darlegt.
Fig. 4 zeigt Messungsdaten, die das Verhältnis zwischen der Dicke eines SiO2-Films und der Rockingkurven-Halbwertsbreite des ZnO-Films darlegen.
Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Halbleiterstruktur 1 einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darlegt. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung mit der Struktur 1 kann eine Licht aussendende Diode oder eine Laserdiode vom Oberflächen- Emissions-Typ sein, wobei jede eine InGaN-Schicht 7 aufweist, die als eine lumineszie­ rende Schicht dient. Genau gesagt, eine derartige Halbleiterstruktur 1 kann durch Aus­ bilden eines SiO2-Films 3 mit einer Dicke von etwa 100 nm auf einem Si-Substrat 2 mittels thermischer Oxidation, gefolgt von dem Ausbilden eines ZnO-Films 4 darauf mit einer Dicke von 350 nm und mit einem niedrigen, spezifischen, elektrischen Widerstand erhalten werden. Als nächstes wird ein als "epitaxiales Wachstum" bezeichnetes Ver­ fahren angewandt, um nacheinander eine GaN-Schicht 5 vom n-Typ, eine AlGaN- Schicht 6 vom n-Typ, die InGaN-Schicht 7 (eine lumineszierende Schicht), eine AlGaN- Schicht 8 vom p-Typ und eine GaN-Schicht 9 vom p-Typ auszubilden. Auf diese Weise werden die GaN-Schicht 5 vom n-Typ, die AlGaN-Schicht 6 vom n-Typ, die InGaN- Schicht 7, die AlGaN-Schicht 8 vom p-Typ und die GaN-Schicht 9 vom p-Typ zur Er­ zeugung einer Doppelheterostruktur verwendet. Weiterhin werden eine Elektrode mit der GaN-Schicht 9 vom p-Typ und eine Elektrode mit der GaN-Schicht 5 vom n-Typ mit bekannten Techniken verbunden.
Wenn auf diese Weise ein SiO2-Film 3 mittels thermischer Oxidation auf dem Si-Substrat 2 ausgebildet wird und ein ZnO-Film 4 darauf ausgebildet wird, ist es mög­ lich, einen ZnO-Film 4 mit einer guten c-Achsen-Orientierung zu erhalten. Als ein Re­ sultat ist es möglich, ein epitaxiales Wachstum einer Schichtenfolge mit einer Doppel­ heterostruktur, beginnend mit einer GaN-Schicht 5 vom n-Typ zu bewirken.
Darüberhinaus ist man in der Lage, einen ZnO-Film 4 mit einer guten Kristallinität zu erhalten, selbst wenn der SiO2-Film 3 nicht mittels thermischer Oxidation, sondern durch ein Sputterverfahren auf dem Si-Substrat 2 ausgebildet wird, und anschließend ein ZnO-Film 4 darauf ausgebildet wird.
Um die Beziehung zwischen dem Vorliegen des SiO2-Films 3 auf dem Si-Substrat 2 und der Kristallinität des ZnO-Films 4 zu untersuchen, wurden mehrere Proben hergestellt und die Qualität der Kristallinität des ZnO-Films 4 durch Untersuchung der Halbwerts­ breite der Rockingkurve bewertet.
Erste Probe
Zuerst wurde als eine Probe der vorliegenden Erfindung ein SiO2-Film 3 mit einer Dicke von 20 nm auf dem Si-Substrat ausgebildet; danach wurde der ZnO-Film 4 mit einer Dicke von 350 nm darauf unter der folgenden Bedingung A ausgebildet.
Bedingung A
Gasströmungsrate: 20 cm3
/min
Gaspartialdruckverhältnis: Ar/O2
= 70/30
Substrat-Erwärmungstemperatur: 200°C
elektrische RF-Leistung: 350 W
Druck: 1,33 Pa.
Als nächstes wurde als eine Probe des Stands der Technik ein ZnO-Film mit einer Dicke von 350 nm direkt auf dem Si-Substrat ausgebildet. Anschließend wurden die Halbwertsbreiten der Rockingkurven des ZnO-Films sowohl bei der Probe der vorlie­ genden Erfindung als auch bei der Probe des Stands der Technik gemessen, und es wurde festgestellt, daß die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe des Stands der Technik W = 4,640° war, während die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe der vorliegenden Erfindung W = 3,74° war.
Zweite Probe
Zuerst wurde als eine Probe der vorliegenden Erfindung ein SiO2-Film 3 mit einer Dicke von 50 nm auf dem Si-Substrat ausgebildet, und anschließend wurde ein ZnO-Film 4 mit einer Dicke von 350 nm darauf unter der folgenden Bedingung B ausgebildet.
Bedingung B
Gasströmungsrate: 20 cm3
/min
Gaspartialdruckverhältnis (Ar/O2
): 70/30
Substrat-Erwärmungstemperatur: 230°C
Elektrische RF-Leistung: 350 W
Druck: 1,33 Pa.
Als nächstes wurde als eine Probe des Stands der Technik ein ZnO-Film mit einer Dicke von 350 nm direkt auf dem Si-Substrat ausgebildet. Anschließend wurden die Halbwertsbreiten der Rockingkurven von ZnO-Filmen sowohl bei der Probe der vorlie­ genden Erfindung als auch der Probe des Stands der Technik gemessen, und es wurde festgestellt, daß die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe des Stands der Technik W = 4,31° war, während die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe der vorliegenden Erfindung W = 3,11° war.
Dritte Probe
Zuerst wurde als eine Probe der vorliegenden Erfindung ein SiO2-Film 3 mit einer Dicke von 100 nm direkt auf dem Si-Substrat ausgebildet, und anschließend wurde ein ZnO-Film mit einer Dicke von 350 nm darauf unter der folgenden Bedingung C ausge­ bildet.
Bedingung C
Gasströmungsrate: 20 cm3
/min
Gaspartialdruckverhältnis: Ar/O2
= 70/30
Substrat-Erwärmungstemperatur: 260°C
Elektrische RF-Leistung: 350 W
Druck: 1,33 Pa.
Als nächstes wurde als eine Probe des Stands der Technik ein ZnO-Film mit einer Dicke von 350 nm direkt auf dem Si-Substrat ausgebildet. Anschließend wurden die Halbwertsbreiten der Rockingkurven des ZnO-Films sowohl bei der Probe der vorlie­ genden Erfindung als auch der Probe des Stands der Technik gemessen, und es wurde festgestellt, daß die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe des Stands der Technik W = 3,84° war, während die Halbwertsbreite der Rockingkurve bei der Probe der vorliegenden Erfindung W = 2,661° war.
Diese Proben und die Meßresultate ihrer Rockingkurven-Halbwertsbreiten sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Als nächstes folgt eine Erläuterung zu der Rockingkurven-Halbwertsbreite W, die zur Bewertung der c-Achsen-Orientierung verwendet wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, zeigen die anfänglich ausgebildeten Kristallschichten, wenn man einen ZnO-Film auf dem Substrat wachsen läßt, daß ihre Kristallachsenrichtungen (durch Pfeile angegeben) statistisch und nicht gleichmäßig sind, da diese Kristallschichten nicht gitterkonform mit dem Substrat sind. Die Kristallachsenrichtungen gleichen sich nach und nach an, wenn die Kristallschichten übereinander laminiert werden. Ferner, wenn eine statistische Vertei­ lung der Kristallachsenrichtungen eines dünnen Kristallfilms zu bewerten ist, kann eine Röntgenstrahlbeugungsvorrichtung zur Messung der Rockingkurve eingesetzt werden. Genauer gesagt, es wird ein Röntgenstrahl auf ein Testsubstrat projiziert, und das reflektierte Licht wird durch einen Lichtdetektor unter Bedingungen detektiert, daß der Einfallswinkel relativ im Verhältnis zu dem Testsubstrat verändert wird.
Um noch genauer zu sein, wo die Position des Röntgenstrahls fixiert wird, wird das Testsubstrat um eine Drehachse gedreht, welche parallel zur Oberfläche des Testsub­ strates angeordnet ist, so daß die Normale des Testsubstrats in ihrer Richtung verän­ dert werden kann. Gleichzeitig wird auch die Position des Detektors in Abstimmung mit der Rotation des Testsubstrats in einer Weise gedreht, daß ein direkt von dem Testsub­ strat reflektiertes Licht durch den Detektor detektiert werden kann. Auf diese Weise kann die Intensität des reflektierten Lichts gemessen werden, während gleichzeitig der Winkel des Testsubstrats verändert wird. Der zwischen dem einfallenden Licht und dem reflektierten Licht gebildete Winkel ergibt sich, nachdem der Detektor eine Position des Maximumwertes ermittelt hat und wird als 2θp definiert. Bei ZnO, das entlang der c-Achse ausgerichtet ist, ergibt sich der Winkel 2θp gleich 34,4°. Anschließend wird die Position des Röntgenstrahls fixiert, und der Detektor wird an der Position des Maximums fixiert, um allein das Testsubtrat rotieren zu lassen und damit die Intensität des Röntgenstrahls zu messen.
Die Intensitätsverteilung des auf diese Weise erhaltenen, reflektierten Röntgenstrahls ist eine Rockingkurve, und die Position, wo der Detektor fixiert wurde, ist θp = 17,2°. Hier entspricht eine Abweichung des Maximums einer gemessenen Rockingkurve weg von einem Winkel von 17,2° einer Neigung der c-Achse des ZnO-Films. Die Verteilung der Röntgenstrahlenintensität, angegeben durch den relativen Winkel, der durch Ersetzen der Peakposition (17,2°) durch 0° erhalten wird, entspricht der Rockingkurve 13, wie in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 wird die horizontale Achse dazu verwendet, um den Winkel (Neigung) der c-Achse darzustellen, während die vertikale Achse dazu verwendet wird, um die Intensität anzugeben. Ob eine gute Kristallorientierung der auf das Substrat 12 laminierten Kristalle vorliegt, kann durch Verfolgen des Halbwertsbreite (auch als volle Breite bei halbem Maximum oder als FWHM abgekürzt bezeichnet) der Rockingkurve 13 bewertet werden. Das heißt, wenn die Kristalle in ihren Axialrichtungen überaus unregelmäßig sind, verändert sich die Rockingkurve 13 in geringer Weise, und ihre Halb­ wertsbreite K2 wird breiter, wie durch eine fette Linie in Fig. 3 gezeigt. Wenn anderer­ seits die Kristalle in ihren axialen Richtungen gleichförmig sind, verändert sich die Rockingkurve 13 auf abrupte Weise, und ihre Halbwertsbreite K1 wird schmal, wie durch eine unterbrochene Linie in Fig. 3 gezeigt.
Deshalb ist es, wie anhand der Meßresultate in Tabelle 1 verständlich wird, durch Vor­ sehen eines SiO2-Films 3 auf dem Si-Substrat und ein weiteres Ausbilden eines ZnO-Films darauf möglich, einen ZnO-Film mit einer guten c-Achsen-Orientierung zu erhalten.
Als nächstes wurde eine Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Dicke des SiO2-Films 3 und des an der c-Achse orientierten Films, die alle auf dem Si-Substrat ausgebildet wurden, durchgeführt. Die Fig. 4 dient dazu, die Meßresultate der Rocking­ kurven-Halbwertsbreite des ZnO-Films unter einer Bedingung anzuzeigen, wo die Dicke von SiO2 sich innerhalb eines Bereichs von 0-150 nm verändert, wobei ZnO-Filme von 350 nm, 1000 nm bzw. 2000 nm ausgebildet werden. Wie an solchen Meßresulta­ ten zu erkennen ist, wird die Rockingkurven-Halbwertsbreite des ZnO-Films kleiner, wenn die Dicke des SiO2-Films 3 größer gemacht wird, womit bewiesen wird, daß die c-Achsen-Orientierung des ZnO-Films sich in gutem Zu­ stand befindet. Weiterhin wird, nachdem die Dicke des SiO2-Films 3 etwa 10 nm über­ stiegen hat, die Rockingkurven-Halbwertsbreite plötzlich klein unabhängig von der Dicke des ZnO-Films. Daher ist es durch Einstellen der Dicke des SiO2-Films 3 auf einen Wert von etwa 10 nm oder mehr möglich, einen ZnO-Film 4 mit einer guten c-Achsen-Orientierung zu erhalten. Zudem, wenn die Dicke des SiO2-Films 3 etwa 30 nm übersteigt, wird die Rockingkurven-Halbwertsbreite gesättigt und befindet sich dadurch in einem stabilisierten Zustand, unabhängig von der Dicke des ZnO-Films. Aus diesem Grund ist es durch Einstellen der Dicke des SiO2-Films 3 auf einen Wert von etwa 30 nm oder mehr möglich, einen ZnO-Film 4 mit einer guten c-Achsen- Orientierung zu erhalten und dadurch gleichmäßige Charakteristika zu erzielen. Daher ist es bevorzugt, die Dicke des SiO2-Films 3 auf einen Wert von etwa 10 nm oder mehr, insbesondere auf einen Wert von etwa 30 nm oder mehr, einzustellen.

Claims (5)

1. Optoelektronische Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Si-Substrat;
einen SiO2-Film auf dem Si-Substrat;
einen ZnO-Film auf dem SiO2-Film, und
eine Verbindungs-Halbleiterschicht, angegeben durch InxGayAlzN, worin x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1 ist, in Verbindung mit dem ZnO-Film,
wobei der SiO2-Film eine Dicke von mindestens 10 nm besitzt.
2. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der SiO2-Film eine Dicke von mindestens 30 nm besitzt.
3. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der SiO2-Film ein thermisch oxidierter Film ist.
4. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der SiO2-Film ein physikalisch abgeschiedener Film ist.
5. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der SiO2-Film ein mit einem Sputterverfahren gebildeter Film ist.
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