DE3124456A1 - Halbleiterbauelement sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Halbleiterbauelement sowie verfahren zu dessen herstellung

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Description

  • Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Her-
  • stellung Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Ein Halbleiterbauelement wird gewöhnlich aus einem einkristallinen, halbleitenden Vollmaterial mit einer definierten Kristallstruktur hergestellt. Eine der herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen besteht darin, daß man einen einkristallinen Halbleiterblock zieht, den Halbleiterblock in dünne Halbleiterscheiben zerschneidet und Halbleiterbauelemente, beispielsweise Mikroschaltungen oder dgl., auf den Halbleiterscheibchen ausbildet. Eine andere Art der Herstellung von Halbleiterbauelementen besteht darin, daß die Halbleiterbauelemente auf einer einkristallinen Schicht hergestellt werden, die durch epitaktisches Wachstum auf einem vorgegebenen Halbleitermaterial auf einer Halbleiterscheibe durch Aufwachsen aus der flüssigen Phase oder aus der Dampfphase ausgebildet wird. In jedem Fall werden bei den herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterbauelementen einkristalline Halbleitersubstrate benötigt.
  • Um einkristalline Halbleiter herzustellen, sind eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig, und es muß viel Mühe darauf verwendet werden, aus dem Halbleitermaterial einen Einkristall herzustellen. Die einkristallinen Halbleiterblöcke, die oben erwähnt wurden, können als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterbaue@ementen unter bestimmten Umst.inden nicht verwendet werden, weil Kristalifehler an den Randbereichen der Einkristallblöcke auftreten. Selbst wenn das Material für die Herstellung von Halbleiterbauelementen geeignet ist, sind Halbleiterblöcke mit großem Volumen erforderlich, um ein einziges Halbleiterbauelement herzustellen, weil der Halbleiterblock in Scheiben geschnitten werden muß, die eine bestimmte Dicke haben müssen, um die erforderliche mechanische Festigk@it zu haben. Folglich sind Halbleiterbauclemente, bei deren @@@@@@llung einkristalline substrate verwende@ werden müssen, kommerziell weniy befriedigend. Die Kosten für das Substratplättchen und damit auch für das fertige Halbleiterbauelement werden hoch.
  • Nach umfangreichen Versuchen zu Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen kam man auf Dünnschicht-Halbleiterbauelemente. Diese Dünnschicht-Halbleiterbauelemente werden die Komponenten des Halbleitermaterials auf einer Substratfläche durch physikalische Aufdampfverfahren, beispielsweise durch Vakuum-Aufdampfverfahren, Ionenplattierungsverfahren, Ionenstrahl-Aufdampfverfahren oder dgl aufgebracht, um eine Halbleiter-Dünnschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp auszubilden, auf der eine Halbleiter-Dünnschicht mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hergestellt wird. Mit dieser Technik ist es möglich, Halbleiter-Dünnschichten herzustellen, deren Kristallqualität sehr gut ist, und deren Kristallachse von der Kristallachse des Substrates bestimmt wird, wenn ein Einkristallsubstrat verwendet wird, um die Halbleiterschicht darauf abzuscheiden. Diese Verfahren sind jedoch nicht vollständig befriedigend unter dem Gesichtspunkt, daß man die Kosten des gesamten Halbleiterbauelementes möglichst gering halten will, weil immer noch teuere Einkristall-Substrate erforderlich sind.
  • Die Kosten für Halbleiterbauelemente könnten erheblich reduziert werden, wenn man als Substrate beliebige, kostengünstige Materialien verwenden könnte, die weder eine definierte Form noch eine Kristallstruktur aufweisen, beispielsweise Glasplatten, Platten aus rostfreiem Stahl, Kunststoff oder dgl. Wenn man jedoch Halbleiter-Dünnschichten durch physikalische Aufdampfverfahren auf solch einem Substrat aufträgt, das keine definierte Kristallstruktur hat, ist die Kristallstruktur der auf diese Art erzeugten Halbleiterschicht amorph, und ihre Haftung an dem Substrat ist nicht stark genug. Folglich kann man mit einem solchen Substrat keine Halbleiterbauelemente herstellen.
  • In jüngster Zeit werden Verbindungshalbleiter-Dünnschichten in großem Umfang in verschiedenen elektronischen Bauelementen, beispielsweise bei lichtemittierenden Halbleiterbauelementen und bei Ultrahochfr@guenz-@alble@terb@@@lementen, verwendet.
  • Als Beispiel seien erwähnt lichtemittierende Dioden, die Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum abstrahlen, beispielsweise lichtemittierende Dioden unter Verwendung von GaAsP oder GaP, die rotes oder gelbes Licht abstrahlen, oder lichtemittierende Dioden unter Verwendung von GaP, die grünes Licht abstrahlen und lichtemittierende Dioden unter Verwendung von GaN, die grünes Licht abstrahlen und in jüngster Zeit von großem Interesse sind. Es hat sich gezeigt, daß bestimmte Halbleiterverbindungen sich nicht dazu eignen, Verbjndunqshalbleiter-Dünnschichten guter Kristallqualität zu bilden, weil ein geeignetes Einkristallsubstrat nicht zur Verfügung steht, auf dem die Verbindungshalbleiter-Dünnschicht gezogen werden könnte Bisher wird ein lichtemittierendes GaN-Halbleiterbauelement dadurch hergestellt, daß man eine GaN-Schicht auf der (0001)-Ebene eines einkristallinen Saphirsubstrats durch Aufwachsen aus der Dampfphase abscheidet. Durch dieses Verfahren wächst eine GaN-Schicht vom n-Leitfähigkeitstyp auf. Man gibt dann Zn, welches als Akzeptor in Bezug auf die @@N-Schicht wirkt, zu, um eine GaN-Schicht mit i-Leitfähigkeit zu erzeugen, und das lichtemittierende Halbleiterbauelement mit einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur wird erzeugt, indem man die i-leitende GaN-Halbleiterschicht ausnutzt. Bei dem lichtemittierenden GaN-Halbleiterbauelement, bei dem Saphir als Substrat verwendet wird, ist die Abweichung der Gitterkonstanten des Substrates von der Gitterkonstanten des GaN, das auf dem Substrat gezogen werden soll, gleich 16,4%. Ferner muß das Substrat auf eine Temperatur von etwa 10000C bis 12000C aufgeheizt werden, wenn das GaN auf dem Substrat abgeschieden wird.
  • Daher sind Fehler aufgrund der fehlenden Übereinstimmung der Gitterkonstanten und Kristalldeformationen in einer auf diese Weise hergestellten GaN-Schicht unvermeidlich. Dies ist vollständig umbefriedigend, weil dadurch keine Lichtemission mit genügender Helligkeit von dem lichtemittierenden Bauelement erzielt werden kann. Darüber hinaus ist das auf dieser herkömmliche Weise hergestellte, lichtemittierende Halbleiterbauelement immer noch teuer, weil ein einkristallines Saphirsubstrat erforderlich ist. Daher wurde dieses Verfahren bisher noch nicht in die Praxis umgesetzt.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, wobei ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere eine ausgezeichnete Kristallqualität, und ein hoher Wirkungsgrad im Betrieb erzielt und die Herstellung mit geringen Kosten ermöglicht werden soll. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in der in den Produktansprüchen angegebenen Weise gekennzeichnet, während das erfindungsgemäße Verfahren in dem ersten Verfahrensanspruch charakterisiert ist.
  • Erfindungsgemäß kann das Halbleiterbauelement mit geringen Kosten hergestellt werden, und die Erfindung ist bei verschiedenen elektronischen Halbleiterbauelementen in großem Umfang einsetzbar.Bei der Anwendung der Erfindung auf lichtemittierende Halbleiterbauelemente haben diese einen hohen Wirkungsgrad beim Abstrahlen von Licht und haben eine hohe Helligkeit bei der Emission. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Verbindungshalbleiter-Bauelemente in der Dünnschichttechnik mit II - VI - oder III - V - Verbindungen hergestellt werden, wobei es bisher für unmöglich gehalten wurde, solche Dünnschichten mit guter Kristallqualität herzustellen.
  • Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung geht man bei der Herstellung des Halbleiterbauelementes von einem kostengünstigen Substrat aus einem Material aus, das weder eine definierte Form noch eine Kristallstruktur aufweist, beispielsweise von einer Glasplatte, einer Platte aus rostfreiem Stahl oder von einer Kunststoffplatte. Auf das Substrat wird eine kristalline Deckschicht gezogen, deren Kristallachse bevorzugt nach der C-Achse orientiert ist und deren Gitterkonstanten nahe bei der Gitterkonstanten des Halbleitermaterials liegt, das danach auf der Deckschicht gezogen werden soll. Auf der Deckschicht wird dann die Halbleiter-Dünnschicht durch epitaktisches Wachstum gezogen, wobei die Deckschicht als Keim für das kristalline Wachstum der Ilaibleiterschicht dient, da die Deckschicht aufgrund der bevorzugten Orientierung ihrer Kristallachse und ihrer Gitterkonstanten als Keim geeignet ist.
  • Dadurch wird eine Halbleiterschicht mit ausgezeichneter Kristallqualität erzeugt, auf der Halbleiterbauelemente oder weitere Schichten hergestellt werden können. Es hat sich gezeigt, daß ZnO und GaN eine hexagonale Kristallstruktur haben, und daß die Abweichung der Gitterkonstanten des ZnO von der Gitterkonstanzen des GaN nur 0,46% auf der (002)-Ebene und etwa 0,5% auf den anderen Ebenen beträgt, und daß eine ZnO-Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung leicht auf einem amorphen Substrat, beispielsweise Glas, hergestellt werden kann. Ferner hat ZnO eine verbotene Zone mit einem Bandabstand von 3,2 eV bei Zimmertemperatur, und es gibt nur einen geringen Absorptionsverlust bei Emission im blauem Bereich. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert daher ein Halbleiterbauelement, das als lichtemittierendes Bauelement dient und das besteht aus einem Glassubstrat, einer ZnO-Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung, die auf dem Substrat aufgebracht ist, und eine GaN-Dünnschicht, die durch epitaktisches Wachstum auf der ZnO-Dünnschicht gezogen ist und deren Orientierung durch die bevorzugte Orientierung der Kristallachse der ZnO-Dünnschicht geregelt wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung; Fig. 3 eine mit Hilfe eines Abtastelektronenmikroskops gemachte Aufnahme, die das Wachstum der Deckschicht zeigt, die bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement verwendet wird; Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des in Fig. 4 gezeigten Halbleiterbauelementes; Fig. 6 ein mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestelltes Bild, welches die Schnittstruktur des Halbleiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, Welches bei einer Substrattemperatur von 2500C hergestellt ist; Fig. 7 ein mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestelltes Bild, welches die Schnittstruktur eines Halbleiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, welches bei einer Substrattemperatur von 4500C hergestellt ist; Fig. 8 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik eines Halbleiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 9 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik zur Erläuterung der Art des Stromflusses in einem Halbleiterbauelement nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist das Haibleiterbauelement ein Substrat 1 mit einer Deckschicht 2, die darauf abgeschieden ist, eine Halbleiterschicht 3 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der Deckschicht 2 abgeschieden ist, eine Halbleiterschicht 4 mit einem zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Halbleiterschicht 3 abgeschieden ist, ohm'sche Elektroden 5 und 6, die auf den entsprechenden Halbleiterschichten 3 bzw. 4 durch Aufdampfen angebracht sind, und Anschlußdrähte 7 und 8 auf, die an den ohm'schen Elektroden 5 bzw. 6 befestigt sind.
  • Das Substrat kann aus einem beliebigen kristallinen oder nichtkristallinen Material bestehen, solange es die Heiztemperatur aushält, die während der Zeit des epitaktischen Wachstums der Halbleiterschicht 3 herrscht, wie noch beschrieben wird. Beispielsweise kann als Substrat eine Platte aus rostfreiem Stahl oder aus einem Kunststoffmaterial verwendet werden, wobei diese Substrate zu geringen Preisen erhältlich sind. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Glasplatte als Substrat 1 verwendet.
  • Die Deckschicht 2, die angebracht wird, um die Halbleiterschicht 3 darauf durch epitaktisches Wachstum zu ziehen, ist vorzugsweise nach der C-Achse orientiert. Die Deckschicht 2 muß aus einem Material hergestellt werden, das auf dem amorphen Glassubstrat 1 leicht nach der C-Achse orientiert werden kann, und dessen Gitterkonstante nahe bei der Gitterkonstante der Halbleiterschicht 3 liegt, die später darauf abgeschieden werden soll. Es hat sich gezeigt, daß ein Material mit hexagonaler Kristallstruktur leicht auf dem Substrat 1 mit der bevorzugten Orientierung nach der C-Achse gezogen werden kann.
  • Beispiele solcher Materialien sind BeO und ZnO, die eine hexagonale Wurtzit-Kristallstruktur haben, oder Verbindungen der Gruppen II - VI, beispielsweise das cC-ZnS.Bei der Herstellung der Schicht auf dem Substrat ist es wichtig, solche Dünnschicht-Abscheidungsverfahren zu verwenden, bei denen eine Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung nach der C-Achse erzeugt werden. Zu diesem Zweck können physikalische Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichten aus der Dampfphase, beispielsweise auf Dampf techniken, Sputtertechniken, Spratzen, oder Ionenstrahl-Aufdampfverfahren, angewendet werden. Es hat sich gezeigt, daß, wenn ein Teil des Materials zum Zeitpunkt der Abscheidung ionisiert ist, die bevorzugte Orientierung nach der C-Achse in der Deckschicht 2 verbessert wird, und daß eine Deckschicht 2 mit ausgezeichneter Kristallqualität gebildet wird. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Deckschicht 2 durch das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit reaktiven, ionisierten Agglomeraten angewendet, wobei die in Fig. 2 schematisch dargestellte #Vorrichtung verwendet wird.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung weist einen geschlossenen Tiegel 11 mit wenigstens einer Düse 11a auf, wobei das zu verdampfende Material 12 in dem Tiegel 11 enthalten ist. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Be in den Tiegel 11 eingefüllt, wenn BeO als Deckschicht 2 verwendet wird. Wenn ZnO als Deckschicht 2 verwendet wird, wird Zn in den Tiegel 11 eingefüllt. Der Tiegel 11 ist mit einer heizung 19 umgeben, die die erforderliche Wärmeenergie an den Tiegel 11 abgibt, um das Material 12 in dem-Tiegel 11 zu verdampfen.
  • Eine Ionisationskammer ist oberhalb des Tiegels 11 vorgesehen.
  • Um die Ionisationskammer herum ist eine Anordnung zur Erzeugun tronenquelle weist einen Draht 15, der Elektronen emittiert, wenn er mit Strom versorgt und aufgeheizt wird, und eine netzförmige Anode 16 auf. Die Anode 16 wird in Bezug auf den Draht 15 auf einem positiven Potential gehalten, so daß die von dem Draht 15 emittierten Elektronen beschleunigt werden. Die so beschleunigte#n Elektronen treffen auf den aus der Düse 11a des Tiegels 11 ausgesprühten Dampf in der Ionisationskammer auf und erzeugen dadurch ionisierte Dampfteilchen.
  • Ein Substrathalter 13 hält das Substrat 1, welches gegenüber der Düse 11a des Tiegels 11 angeordnet ist. Ferner ist ein Verschluß 18 vorgesehen, um die Abschirmung des Substrates 1 von dem Dampfstrahl zu ermöglichen. Um ein mit dem aus der Düse 11 abgesprühten Dampf reagierendes Gas zuzuführen, ist eine Gaszufuhrleitung 21 mit einer Gasinjektionsdüse 21a vorgesehen, die in der Nähe der Düse 11 liegt. Eine ringförmige Beschleunigungselektrode 17 zur Beschleunigung des ionisierten Dampfes kann zwischen der Ionisationskammer und dem Substrat 1 vorgesehen sein Ferner ist eine Heizung 22 vorgesehen, um das Substrat 1 auf der richtigen Temperatur zu halten. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung ist in einem Vakuumgefäß (nicht gezeigt) zusammen mit dem Substrat eingeschlossen, auf dem die Deckschicht 2 ausgebildet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Deckschicht 2 unter Verwendung der in Fig.
  • 2 gezeigten Vorrichtung in folgender Weise hergestellt.
  • Zuerst wird das Vakuumgefäß, welches die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung enthält, auf Hochvakuum evakuiert. Dann wird °2 durch die Gaszufuhrleitung 21 und die Düse 21a in die Vakuumkammer eingeleitet, und der Druck in der Vakuumkammer wird bei etwa 6,5 x 10 2 Pa (5x10 4 Torr) gehalten.
  • Dann wird die Heizung 19 betätigt, um den Tiegel 11 aufzuheizen, so daß das Material 12 in dem Tiegel 11 geschmolzen und verdampft wird. Die Temperatur zur Aufheizung des Tiegels 11 wird so gewählt, daß der Dampfdruck in dem Tiegel 11 wenigstez, 102 mal o roß wie der Druck in dem den Tiegel 11 umgebellden Itaum i<jL. D<#r Ionisations-Elektronenstrom, der von dem Draht 15 zu der Anode 16 fließt, beträgt etwa 300mA, und das Substrat 1 wird auf eine Temperatur von etwa 2000C durch die Heizung 22 aufgeheizt.
  • Das Material 12, welches in dem Tiegel 11 aufgeheizt und verdampft wird, wird durch die Düse 11a aus dem Tiegel in den den Tiegel umgebenden Außenraum, der unter Hochvakuumatmosphäre gehalten wird, aufgrund der Druckdifferenz abgegeben. Der ausgesprühte Dampf kommt in einen unterkühlten Zustand aufgrund der adiabatischen Expansion zum Zeitpunkt des Austritts aus der Düse 11a und wird dadurch zum Teil in Agglomerate umgesetzt, die große Ansammlungen von etwa 500 bis 2000 Dampfatomen aufweisen, die lose durch Van der Waals-Kräfte miteinander verbunden sind. Die Agglomerate und die Dampfatome haben eine kinetische Energie, die der Geschwindigkeit entspricht, mit der sie aus der Düse 11a austreten, und diese Teilchen werden auf das Substrat 1 gerichtet. Wenn der Dampf aus der Düse 11a austritt, wird ein kleines Volumen O2-Gas aus der Gaszufuhrleitung 21 durch die Düse 21a in den Dampfstrahl eingeleitet. Da die Düse 21a in der Nähe der Düse 11a des Tiegels 11 liegt, wird das 02-Gas zusammen mit dem aus der Düse 11a abqesprühten Dampf auf das Substrat 1 gerichtet. Die Agglomerate, das O-Gas und einfache Dampfatome werden durch die Elektronen, die von dem Draht 15 abgegeben und durch die Elektrode 16 beschleunigt werden, ionisiert, wenn diese Teilchen durch die Ionisationskammer hindurchtreten. Es hat sich gezeigt, daß die Ionisationsrate der Agglomerate etwa bei 30% liegt, und daß die Ionisationsrate des Oa-Gases und der einfachen Dampfatome einige Prozent beträgt, wenn der zur Ionisation dienende Elektronenstrom 300mA beträgt.
  • Auf diese Weise treffen die ionisierten Agglomerate, das 02-Gas und einfache Dampfatome auf das Substrat 1 mit der kinetischen Energie auf, die ihnen zum Zeitpunkt des Austritts aus der Düse 11a erteilt wurde. Gegebenenfalls werden diese Teilchen auch durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt, die durch die Beschleunigungselektrode 17 angelegt wird. Zusammen mit den ionisierten Teilchen treffen auch die nicht-ionisierten, neutralen Agglomerate, einfachen Dampfatome und das 02-Gas auf das Substrat auf. Wenn die Agglomerate auf das Substrat 1 auftreffen, werden die Agglomerate in einzelne, atomare Teilchen aufgebrochen, die sich über der Oberfläche des Substrates verteilen, so- daß eine Deckschicht 2 erzeugt wird, die aus einer BeO- oder ZnO-Dünnschicht besteht. Bei der Bildung der Deckschicht 2 findet ein Oberflächenwanderungseffekt, ein Ionisa-tionseffekt und ein chemischer Reaktionseffekt des °2-Gases statt, wobei diese Effekte für das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten spezifisch sind und sich vorteilhaft #bei der Ausbildung der Deckschicht 2 auswirken.
  • Die auf diese Weise erzeugte Deckschicht 2 ist transparent. Aus den Röntgenbeugungsbildern und den RHEED-Mustern kann man ersehen, daß die Deckschicht 2 eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse senkrecht zu der Substratoberfläche hat. Fig. 3 ist das Bild eines Abtast-Elektronenmikroskops, welches den Querschnitt der BeO-Deckschicht 2 zeigt, die auf dem Glassubstrat 1 aufgebracht worden ist. Der Schnitt ist entlang der Wachstumsrichtung der BeO-Schicht gelegt. Aus dieser Vergrößerung ist ersichtlich, daß die Deckschicht-2 auf dem Substrat 1 mit einer bevorzug@en orien@@erung nach der C-ALIl'3e aulwächst. Auf ähnliche Weise kann eine ZnO-Deckschicht 2 mit einer bevorzugten Orientierung nach der C-Achse erzeugt werden, wenn ZnO als Material für die Deckschicht verwendet wird.
  • Es hat sich gezeigt, daß die BeO-Deckschicht 2, die auf dem Substrat aufgebracht ist, eine Isolierschicht mit einem hohen spezifischen Widerstand von über 10103# cm hat. Wenn ZnO für die Deckschicht 2 verwendet wird, hat diese Deckschicht einen spezifischen Widerstand von etwa 102 bis 10 a cm. Es ist jedoch möglich, den spezifischen Widerstand der ZnO-Schicht auf so niedrige Werte wie 10 h cm zu reduzieren, wenn man eine Verunreinigungssubstanz, beispielsweise Te, das als Donor in dem ZnO wirkt, zum Zeitpunkt der Abscheidung der ZnO-Schicht in einer Menge von 0,1 bis 0,5 Gewichts-% zugibt. So kann der Widerstand der Deckschicht 2 je nach den Materialien der Halbleiterschicht, die auf der Deckschicht 2 aufwachsen soll, oder je nach den Anwendungsfällen der Halbleiterschicht eingestellt werden. Die Dicke der Deckschicht 2 wird je nach den Anwendungszwecken des Halbleiterbauelementes bestimmt. So ist beispielsweise eine verhältnismäßig dünne Deckschicht 2 für die Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen bevorzugt. Im allgemeinen ist die Deckschicht 2 etwa 0,1 bis 1 pm dick.
  • Die Halbleiterschicht 3, die man durch epitaktisches Wachstum auf der Deckschicht 2 aufwachsen läßt, und deren Kristallorientierung durch die bevorzugte Orientierungsachse der Deckschicht 2 geregelt wird, muß aus einem Halbleitermaterial bestehen, dessen Gitterkonstante nahe bei der Gitterkonstanten der Deckschicht 2 liegt, so daß Gitterfehler in der zu erzeugenden Halbleiterschicht 3 aufgrund fehlender Abstimmung der Gitterkonstanten reduziert werden. Wenn die Deckschicht 2 aus einer BeO-Schicht besteht, werden vorzugsweise solche Halbleitermaterialien verwendet, bei denen der Fehlbetrag zu der Gitterkonstanten des BeO weniger als 20% beträgt. Beispiele solcher Materialien sind SiC und AlN, die als Halbleiterlaser, lichtemittierende Dioden und dgl. verwendbar sind. Beispiele von Materialien, deren Gitterkonstanten nahe bei der Gitterkonstanten einer ZnO-Deckschicht 2 liegen, sind SiC, AlN, GaN und CdS. Wie oben erwähnt wurde, kann eine Elalbleiterschicht 3, die im wesentlichen frei von Gitterfehlern aufgrund mangelnder Abstimmung der Gitterkonstanten ist, dadurch hergestellt werden, daß man Halbleitermaterialien aussucht, deren Gitterkonstanten von der Gitterkonstanten der Deckschicht 2 um weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10%, abweichen. Die Halbleiterschicht 3, die man durch epitaktisches Wachstum auf der Deckschicht 2 aufwachsen läßt/ indem man die Halbleitermaterialien, der Gitterkonstanten nahe bei der der Deckschicht 2 liegen, abscheidet, hat eine ausgezeichnete Kristallqualität, weil ihre Kristallorienierung durch die bevorzugte Orientierungsachse der Deckschicht 2 geregelt wird und weil man die Halbleiterschicht unter Ausnutzung der bevorzugten Orientierungsachse der Deckschicht 2 als Keim für das kristalline Wachstum aufwachsen läßt.
  • Die Halbleiterschicht 3 kann durch eine beliebige Abscheidungstechnik erzeugt werden. Um eine Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität bei einer geringen Wachstumstemperatur herzustellen, ist es jedoch vorteilhaft, als Aufdampfverfahren das reaktive Agglomerat-AufdampEverEahren mit ionisierten Agglomeraten zu verwenden und dazu die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung einzusetzen. Man kann das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten auch mit einer Vielzahl von Tiegeln ausführen, in denen jeweils die Bestandteile der Verbindungshalbleitermaterialien enthalten sind.
  • Diese Verfahren ermöglichen es, die Aktivierung der Dampfteilchen zum Zeitpunkt der Abscheidung durch die Anwesenheit von Ionen zu unterstüzten und eine Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität bei einer Wachstumstemperatur von so geringen Werten wie 4000C bis 6000C zu bilden, weil die kinetische Energie der Agglomerate zum Zeitpunkt des Ausströmens aus der Düse wirksam zum epitaktischen Wachstum der Halbleiterschicht 3 mit beiträgt. Die gute Abstimmung der Gitterkonstanten mit der Halbleiterschicht 3 und der Deckschicht 4 ist ebenfalls wichtig, um eine Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität zu erzeugen, weil die Gitterbindungsenergie beider Schichten erheblich reduziert werden kann.
  • Die Halbleiterschicht 4 des Halbleiterbauelementes kann zur Verwirklichung einer beliebigen, herkömmlichen Anordnung dienen. Beispielsweise kann eine p-n-Grenzschicht-Anordnung, eine Metall-Isolator -Halbleiter-Anordnung oder eine Schottky-Grenzschicht-Anordnung hergestellt werden je nach der Art der Halbleiterschicht 3 und der Betriebsweise und dem Anwendungszweck des Halbleiterbauelementes. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Halbleiterschicht 4 eine solche Sicht verwendet, die den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschicht 3 besitzt. Wenn die Halbleiterschicht 3 beispielsweise eine n-Leitfähigkeit hat, wird eine Halbleiterschicht mit p-Leitfähigkeit auf der Halbleiterschicht 3 abgeschieden, um eine p-n-Grenzschicht zwischen den Halbleiterschichten 3 und 4 zu erzeugen.
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Verbindungshalbleiter, beispielsweise SiC, AlN, GaN und CdS, als Materialien zur Verwendung beim Aufwachsen lassen der Halbleiterschicht 3 auf der Oberfläche der Deckschicht 2 erwähnt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Materialien nicht auf die Verbindungshalbleiter beschränkt sind. Vielmehr können einfache Substanzen mit Halbleitereigenschaften verwendet werden, um die Halbleiterschicht 3 zu erzeugen. Beispielsweise hat C als kristalline Struktur ein Diamantgitter und eine Gitterkonstante von a=3,56. Dadurch wird es möglich, die Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität zu erzeugen, weil die Gitterkonstanten von C und ZnO nahe beieinander liegen. In den Fällen, wo eine einkristalline Halbleiterschicht nicht erforderlich ist, beispielsweise eine Solarzelle unter Verwendung von polykristallinem Silicium hergestellt wird, kann eine in hohem Maße polykristalline Si-Schicht dadurch erzeugt werden, daß man-das Silicium auf der BeO-Deckschicht 2, die vorzugsweise nach der C-Achse orientiert ist, durch das reaktive Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten ab scheidet und die Siliciumschicht auf der Deckschicht 2 unter Ausnutzung der Orientierungsachse der BeO-Deckschicht als Keim für das kristalline Wachstum aufwachsen läßt.
  • Im folgenden wird ein Halbleiterbauelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit den Fig.
  • 4 bis 9 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterbauelement beschrieben, das als lichtemittierendes GaN-Halbleiterbauelement dient.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist das lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement ein Substrat 31 auf, auf dem eine transparente, leitfähige Dünnschicht 32 abgeschieden ist. Eine ZnO-Deckschicht 33 ist auf der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 aufgebracht, und eine GaN-Dünnschicht 34 ist auf der ZnO-Deckschicht 33 abgeschieden. Eine GaN-Dünnschicht 35 vom i-Leitfähigkeitstyp (Intrinsik-Leitfähigkeit) ist auf der GaN-Dünnschicht 34 abgeschieden, und eine Metallelektrode 36 ist auf der Oberfläche der GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit ausgebildet. Anschlußdrähte 37 und 38 sind mit der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 bzw. mit der Metallelektrode 36 verbunden.
  • Das Substrat 31 kann aus einem beliebigen kristallinen oder amorphen Substrat bestehen, so lange es die Heiztemperatur bei dem epitaktischen Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 aushält.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Glassubstrat 31 verwendet, so daß das von dem Halbleiterbauelement emittierte Licht durch das Substrat 31 durchbeobachtet werden kann. Die transparente, leitfähige Dünnschicht 32 wird auf dem Substrat 31 durch Vakuumaufdampfung, Aufsprühen, CVD-Abscheidung oder dgl.
  • erzeugt. Diese Dünnschicht 32 besteht aus In203 oder SnO2 und dient als Elektrode für die das Licht emittierende Halbleiterbauelement.
  • Die ZnO-Deckschicht 33, die auf der transparenten, leitfähigen Dünnschicht 32 abgeschieden ist, erfordert eine bevorzugte Orientierung. Im allgemeinen läßt sich bei dem ZnO leicht eine Orientierung nach der C-Achse erreichen. Daher sind Ionenstrahl-Aufdampfverfahren, Sputterverfahren oder Agglomerat-Aufdampfverfahren geeignet, um die ZnO-Deckschicht 33 herzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel wird die ZnO-Deckschicht 33 durch das reaktive Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten hergestellt, wobei die Vorrichtung von Fig. 5 benutzt wird. Da die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung mit der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung identisch ist, erübrigt sich eine detaillierte Beschreibung der Vorrichtung, und die entsprechenden Teile der Vorrichtung haben die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2.
  • Das in Fig. 4 gezeigte Halbleiterbauelement weist eine ZnO-Deckschicht 33 auf, die auf der transparenten, leitfähigen Dünnschicht 32 unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung in folgender Weise ausgebildet worden ist.
  • Zuerst wird das Vakuumgefäß, welches die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung enthält, bis auf ein Hochvakuum evakuiert. In diesem Zustand wird 02-Gas durch die Gaszufuhrleitung 21 und die Düse 21a in-die Vakuumkammer eingeführt, und der Druck in der Vakuumkammer wird bei etwa 6,5x1O#2 Pa (5x10 4 Torr) gehalten.
  • Die Heizung 19 wird eingeschaltet, um den Tiegel 11 zu erhitzen, so daß das Material 39 (Zn) in dem Tiegel 11 geschmolzen und verdampft wird. Die Temperatur zum Aufheizen des Tiegels wird so gewählt, daß der Dampfdruck in dem Tiegel 11 bei wenigstens dem 1O2-fachen des Druckes im Umcjebungsrauni des Tiegels 11 gehalten wird. Der Elektronenstrom für die Ionisierung, der von dem Draht 15 zu der Ionisationselektrode 16 strömt, wird auf etwa 300mA eingestellt, und das Substrat 1 wird auf eine Temperatur von etwa 2000C durch die Heizung 22 aufgeheizt.
  • Das Material 39 (Zn), das in dem Tiegel 11 aufgeheizt und verdampft wird, wird durch die Düse 11a in den den Tiegel 11 umgebenden Außenraum, der unter Hochvakuumatmosphäre gehalten wird, aufgrund der Druckdifferenz ausgesprüht Der Dampfstrahl wird durch adiabatische Expansion zum Zeitpunkt des Ausströmens aus der Düse 11a in einen unterkühlten Zustand überführt und in Zn-Agglomerate umgesetzt, welches große Ansammlungen von etwa 500 bis 2000 Zn-Atomen sind, die lose durch Van der Waals-Kräfte miteinander verbunden sind. Die Zn-Agglomerate haben eine kinetische Energie entsprechend der Geschwindigkeit, mit der sie aus der Düse 11a ausströmen, und bewegen sich in Richtung auf das Substrat 1. Wenn der Dampf aus der Düse 11a austritt, wird ein kleines Volumen 02-Gas aus der Gaszufuhrleitung 21 über die Düse 21a in den Dampfstrahl eingeführt. Die Düse 21a befindet sich in -der Nähe der Düse 11a des Tiegels 11, so daß das 02-Gas zusammen mit dem aus der Düse 11a austretenden Dampfstrahl zu dem Substrat 31 hin transportiert wird.
  • Die Zn-Agglomerate und das 02-Gas werden durch Elektronen teilweise ionisiert, die von dem Draht 15 emittiert und durch die Anode 16 beschleunigt werden, wenn sie durch die Ionisationskammer hindurchtreten. Es hat sich gezeigt; daß die Ionisationsrate der Zn-Agglomerate etwa 30% beträgt, und daß die Ionisationsrate des O2-Gases und der Zn-Atome, die keine Agglomerate bilden, einige Prozent beträgt, wenn ein Elektronenstrom von 300mA zur Ionisation zur Verfügung steht.
  • Auf diese Weise treffen die ionisierten Zn-Agglomerate, die ionisierten 02~Teilchen und die ionisierten Zn-Atome auf das Substrat 1 mit der kinetischen Energie auf, die sie beim Austritt aus der Düse 11a erhalten. Ggfs. werden diese ionisierten Teilchen durch eine Beschleunigungsspannung beschleunigt, die an der Beschleunigungselektrode 17 anliegt. Zusammen mit den ionisierten Teilchen treffen die nicht-ionisierten, neutralen Zn-Agglomerate, die neutralen 02-Teilchen und die neutralen Zn-Atome auf das Substrat auf. Wenn die Zn-Agglomerate auf das Substrat 1 auftreffen, werden die Agglomerate in einzelne Atome aufgebrochen und verteilen sich über der Oberfläche des Substrats, so daß die ZnO-Deckschicht 33 erzeugt wird. Bei der Bildung der ZnO-Deckschicht 33 spielt der Oberflächenwanderungseffekt, der Ionisationseffekt, und der Effekt der chemischen Reaktion des 02-Gases eine Rolle, und diese Effekte werden vorteilhaft bei der Bildung der ZnO-Deckschicht 33 ausgenutzt. Der Oberflächenwanderungseffekt bedeutet, daß die einzelnen Atome der Agglomerate aufgrund ihrer kinetischen Energie auf der Oberfläche der sich aufbauenden Schicht wandern, bis sie einen Gitterplatz einnehmen.
  • Die auf diese Weise erzeugte ZnO-Deckschicht 33 ist transparent. Aus der Betrachtung der Röntgenbeugungsaufnahmen und der ZIEED-Muster ist ersichtlich, daß die Deckschicht 33 eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse senkrecht zu der Oberfläche der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 hat.
  • Die ZnO-Deckschicht 33 ist etwa 0,2 Fm bis 0,3 pm dick und hat einen spezifischen Widerstand von 10° bis 103acm. Dieser spezifische Widerstand kann auf so niedrige Werte wie 10 h cm dadurch herabgesetzt werden, daß man eine Verunreinigungssubstanz, beispielsweise Te, das als Donor in dem ZnO wirkt, zum Zeitpunkt der Abscheidung der ZnO-Deckschicht in einer Menge von 0,1 bis 0,5 Gewichts-% zugibt.
  • Die GaN-Dünnschicht 34 läßt man heteroepitaktisch auf die ZnO-Deckschicht 33 in der bevorzugten Orientierung nach der C-Achse aufwachsen. Die GaN-Dünnschicht 34 kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die GaN-Dünnschicht 34 im reaktiven Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten in der selben Weise hergestellt wie die ZnO-Deckschicht 33, wie oben erläutert wurde. Es wird die Vorrichtung nach Fig. 5 verwendet.
  • Um die GaN-Dünnschicht 34 herzustellen, wird Ga oder GaN als Füllmaterial'für den Tiegel 11 verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird GaN-Pulver mit 99,999% Reinheit in den Tiegel 11 eingefüllt. Der Tiegel 11 wird auf eine Temperatur von 90000 bis 10000C durch die Heizung 19 aufgeheizt, um zu ermöglichen, daß das GaN sublimiert und aus der Düse 11a in Form eines GaN-Dampfstrahles austritt, der GaN-Agglomerate sowie Ga-Atome und N-Atome enthält, die als Zerfallsprodukt zum Zeitpunkt des Austritts des Dampfstrahls aus der Düse 11a anfallen. Zusätzlich wird N2-Gas in die Vakuumkammer von der Gaszufuhrleitung 21 durch die Düse 21a zugeführt. Die Düse 21aliegt in der Nähe der Diisc 11a des Tiegels 11, so daß das N2-Gas und der GaN-Dampfstrahl auf die ZnO-Deckschicht 33 auftreffen können, um die GaN-Dünnschicht 34 darauf zu bilden, nachdem-die Teilchen durch die Ionisationskammer bestehend aus der Kathode 15 und der Anode 16 (Ionisationselektrode) hindurchgetreten sind, wo sie zum Teil ionisiert wurden. Das Abscheiden des GaN auf der ZnO-Deckschicht 33 wird nur durch die kinetische Energie bewirkt, die den Teilchen beim Austreten aus dem Tiegel 11 erteilt wird, indem man den Druck in der Vakuumkammer nach dem Einführen des N -Gases auf etwa 6,5x10-2 Pa (5x10 4 Torr) hält, den Elektronenstromzur Ionisation, der von der Kathode 15 abfließt, auf 300mA einstellt, das Substrat auf eine Temperatur von 2000C bis 6000C aufheizt und eine Beschleunigungsspannung an die Beschleunigungselektrode 17 von OV angelegt wird.
  • Die auf diese Weise erzeugte GaN-Dünnschicht 34 hat ausgezeichnete Kristalleigenschaften, weil die GaN-Agglomerate, die Ga-Atome und die N-Atome, die auf die ZnO-Deckschicht 33 auftreffen, mit einer bevorzugten -Orientierung in das Gitter eingebaut werden, die durch die Orientierungsachse der ZnO-Deckschicht 33 geregelt wird. Es hat sich gezeigt, daß die Kristallqualität der GaN-Dünnschicht 34 durch die Heiztemperatur des Substrates 31 steuerbar ist. Die Fig. 6 und 7 zeigen mit einem Elektronenstrahlmikroskop hergestellte Bilder der Laminatstruktur des Substrates, der ZnO-Deckschicht und der GaN-Dünnschicht im Schnitt, die bei einer Substrattemperatur von 2500C bzw 4500C hergestellt wurden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist die GaN-Dünnschicht, die man auf der ZnO-Deckschicht bei einer Temperatur von 250° C aufwachsen läßt, amorph.
  • Im Gegensatz dazu ist die GaN-Dünnschicht, die man durch epitaktisches Wachstum auf der ZnO-Deckschicht aufwachsen läßt, kristallin und mit einer bevorzugten Orientierung, die durch die C-Achse der ZnO-Deckschicht geregelt ist, wenn die Substrattemperatur auf 450 C erhöht wird, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist. Das kristalline Wachstum der GaN-Dünnschicht bei einer solchen niedrigen Substrattemperatur beruht darauf, daß Ionen vorhanden sind, die die Aktivierung der Dampfteilchen zum Zeitpunkt der Abscheidung fördern, und auf der kinetischen Energie der Agcjlomerate. Die kinetische Energie der GaN-Agglomerate, die ihnen beim Austreten aus der Düse 11a erteilt wird, wirkt sich bei dem epitaktischen Wachstum der Dünnschicht vorteilhaft aus, wie oben erläutert wurde. Die gute Abstimmung der Gitterkonstanten der GaN-Dünnschicht 34 und der ZnO-Deckschicht 33, wodurch nur eine Fehlabstimmung von weniger als 0,5% vorhanden ist, trägt ebenfalls zu dem ausgezeichneten Kristallwachstum der GaN-Dünnschicht bei, weil die Gitterbindungsenergie der ZnO-Deckschicht 33 und der GaN-Dünnschicht 34 erheblich reduziert werden können. Die geringe Substrattemperatur beim Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 ermöglicht es auch, die Kristalldeformationen in der getero-Grenzschicht (heterojunction) zu reduzieren und die thermische Diffusion von Verunreinigungssubstanzen von der Seite der Deckschicht zu der Seite der Dünnschicht, die gerade aufwächst, zu vermeiden. Die herkömmlichen Verfahren zum Abscheiden von GaN auf einem Saphirsubstrat durch epitaktisches Wachstum aus der Dampfphase erfordert es, daß das Substrat auf eine Temperatur von 9000C bis 12000C aufgeheizt wird, was im Gegensatz zu der Substrattemperatur beim Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 bei der vorliegenden Erfindung steht. Im Hinblick auf die Unterschiede in der Substrattemperatur ist es ersichtlich, daß nur wenige Kristalldeformationen oder Kristallfehler aufgrund einer Fehlabstimmung der Gitterkonstanten in der GaN-Dünnschicht 34 nach#dem'Ausführungsbeispiel der Erfindung vorhanden sind.
  • Das in Fig. 4 gezeigte, lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement ist ein lichtemittie#rendes Halbleiterbauelement mit einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur. Dazu wird die GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit auf der GaN-Dünnschicht 34 abgeschieden. Die GaN-Dünnschicht ist, wenn keine Verunreinigungssubstanzen zugegeben werden, ein Halbleiter mit n-Leitfähigkeit, der eine Menge N-Löcher enthält. Folglich wird bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit, die als Isolierschicht dient, durch Aufdampfen einer kleinen Menge von Zn gebildet, das in einem zusätzlichen Tiegel enthalten ist, der in der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung angeordnet wird; oder man verwendet eine Wolfram-Heizeinrichtung und fährt mit dem Aufwachsen lassen der GaN-Dünnschicht 35 auf der GaN-Dünnschicht 34 fort, so daß Zn, welches eine Donor-Verunreinigungssubstanz in der GaN-Dünnschicht kompensiert, in die GaN-Dünnschicht eingeführt werden kann. Bei dem in Fig. 4 gezeigten, lichtemittierenden GaN-Halbleiterbauelement hat die GaN-Dünnschicht 34 eine Dicke von 0,2 pm und einen spezifischen Widerstand von 50aAcm. Die GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit hat eine Dicke von 0,5 pm bis 2 üm und einen spezifischen Widerstand-von bis 1O1#cm.
  • Die Elektrode 36 wird dadurch hergestellt, daß man Zn oder Al auf der Oberfläche der GaN-Dünnschicht 35 mit der i-Leitfähigkeit aufdampft und das aufgedampfte Zn oder Al einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 2000C während einer Stunde in einer Vakuumatmosphäre unterwirft.
  • Die Anschlußdrähte 37 und 38 werden an der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 bzw. an der Metallelektrode 36 angeschlossen Die Metallelektrode 36 kann weggelassen werden, wenn ein Wolframdraht als Zuleitungsdraht 38 verwendet wird, und wenn ein Punktkontakt an die GaN-Dünnschicht 35 durch den Wolframdraht hergestellt wird.
  • Das in Fig. 4 gezeigte, lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement ergibt eine blaue oder bläulich-weiße Emission zwischen der GaN-Dünnschicht 34 und der GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit, wenn eine Gleichspannung von etwa 5 bis 10 V an die Anschlußdrähte 37 und 38 angelegt wird, wobei der Anschlußdraht 37 negativ und der Anschlußdraht 38 positiv wird.
  • Die Emission kann durch die ZnO-Deckschicht 33, die transparente, leitfähige Schicht 32 und das Substrat 31 beobachtet werden. Wenn die Gleichspannung an die Anschlußdrähte 37 und 38 angelegt wird, emittiert das Halbleiterbauelement zwischen der GaN-Dünnschicht 35 und der Elektrode 36.
  • Fig. 8 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes von Fig. 4. Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, zeigt das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Strom-Spannungs-Charakteristik, die symmetrisch in Bezug auf die Polarität der Antriebsspannung ist und eine Hysteresekurve hat, wenn die Spannung erhöht und herabgesetzt wird. Ferner kann ein den Strom begrenzender, negativer Widerstand bei einer Spannung von etwa 5 bis 10 V beobachtet werden.
  • Um die Art des Stromflusses in dem Halbleiterbauelement von Fig. 4 zu prüfen, wird eine Spannung an die Anschlußdrähte 37 und 38 angelegt, so daß der Anschlußdraht 37 negativ und der Anschlußdraht 38 positiv wird. Die Strom-Spannungs-Charakteristik bei Zimmertemperatur ist in Fig. 9 gezeigt. Das Resultat der Messungen zeigt, daß das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Strom-Spannungs-Charakteristik zeigt, die sich von dem Ohmschen Bereich .(1OCV1), der in Fig. 9(a) gezeigt ist, zu einem quadratischen Bereich (IcCV2), der in Fig. 9(b) gezeigt ist, erstreckt. Ferner ist zu ersehen, daß der durch das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fließende Strom ein raumladungsbegrenzter Strom ist, der durch die Gleich IOCVn (n=1, 2 oder 3) ausgedrückt wird statt durch den Strom nach dem Fowler-Nordheim-Modell, der durch die Gleichung Iz V exp (-b/V 1/2) ausgedrückt wird Obwohl ein Halbleiterbauelement mit einer Metall-Isolator-Halbleiter-Anordnung oben als Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist zu beachten, daß das lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist. Vielmehr ist es möglich,# lichtemittierende Halbleiterbauelemente mit p-n-Grenzschicht dadurch herzustellen, daß man eine GaN-Dünnschicht mit p-Leitfähigkeit abscheidet, die dadurch gebildet wird, daß man das Wachstum der GaN-Dünnschicht auf der GaN-Dünnschicht 34 fortsetzt, während man Ge verdampft, das als Akzeptor-Verunreinigungssubstanz in der GaN-Dünnschicht 35 wirkt, die auf der GaN-Dünnschicht 34 wächst. Als alternatives Ausführungsbeispiel kann eine GaN-Dünnschicht mit p-Leitfähigkeit direkt auf der ZnO-Deckschicht 33 aufgebracht werden, weil ZnO n-Leitfähigkeit besitzt.
  • Leerseite

Claims (17)

  1. Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung.
    Ansprüche Halbleiterbauelement mit einem Substrat, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Deckschicht (2, 33) auf dem Substrat (1, 31), wobei die Deckschicht eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse aufweist, und durch eine Halbleiterschicht (3, 34), die auf der Deckschicht (2, 33) aufgewachsen ist, wobei die bevorzugte Orientierung der Kristallachse dert Halbleiterschicht durch die Orientierung der Kristallachse der Deckschicht geregelt wird.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (2, 33) im wesentlichen aus einem Material mit hexagonaler Kristallstruktur besteht.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht im wesentlichen aus BeO besteht.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht im wesentlichen aus ZnO besteht.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht im wesentlichen aus einer III-V -Verbindung besteht.
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht im wesentlichen aus einer II-VI-Verbindung besteht.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht im wesentlichen aus einer einfachen Substanz mit Halbleitereigenschaften besteht.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht im wesentlichen aus einem Halbleitermaterial aus der Gruppe bestehend aus Si, SiC und AlN besteht.
  9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht im wesentlichen aus einem Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, SiC, AlN, GaN und CdS besteht.
  10. 10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Gitterkonstanten zwischen der Gitterkonstante der Deckschicht und der Gitterkonstante der Halbleiterschicht weniger als 20% beträgt.
  11. 11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht im wesentlichen aus ZnO und die Halbleiterschicht im wesentlichen aus GaN besteht.
  12. 12. Halbleiterbauelement mit einem Substrat, gekennzeichnet durch eine Deckschicht (2), die auf dem Substrat (1) abgeschieden ist und eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse aufweist, eine erste Halbleiterschicht (3) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der Deckschicht (2) aufgewachsen ist, und deren Kristallachse durch die bevorzugte Orientierung der Kristallachse der Deckschicht geregelt wird, eine zweite Halbleiterschicht (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Halbleiterschicht (3) abgeschieden ist, und durch Elektroden (5, 6) auf den entsprechenden Oberflächen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht (3, 4).
  13. 13. Halbleiterbauelement mit einem Substrat, gekennzeichnet durch eine Leiterschicht (32) auf dem Substrat (31), eine ZnO-Dünnschicht (33)° auf der Leiterschicht (32), wobei die ZnO-Dünnschicht (33) eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse aufweist, eine erste GaN-Dünnschicht (34), die durch epitaktisches Wachstum auf der ZnO-Dünnschicht (33) aufgewachsen ist und deren Kristallachse durch die bevorzugte Orienticrungsachse der ZnO-Dünnschicht geregelt wird, eine zweite GaN-Dünnschicht (35) mit i-Leitfähigkeit, die auf der ersten GaN-Dünnschicht (34) aufgewachsen ist, und durch eine Elektrode (36) auf der zweiten GaN-Dünnschicht (35).
  14. 14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste GaN-Dünnschicht (34) einen ersten Leitfähigkeitstyp und die zweite GaN-Dünnschicht (35) den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist.
  15. 15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1,12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Ma-Material ausyeMwAhlt aus der GrUp1>e besLehe aus Glas, rostfreiem Stahl und Kunststoff aufweist.
  16. 16. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Keim für die Halbleiterschicht auf das Substrat eine kristalline Deckschicht aufgedampft wird, deren bevorzugte Orientierung nach der C-Achse ausgerichtet ist, die senkrecht auf der Substratoberfläche steht.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen der Deckschicht das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit wenigstens teilweise ionisierten Agglomeraten verwendet wird.
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