DE60008960T2 - II-VI Verbindungshalbleiterkristalle vom Type-P, Verfahren zu ihrer Züchtung und ihre Verwendung in Halbleitereinrichtungen - Google Patents

II-VI Verbindungshalbleiterkristalle vom Type-P, Verfahren zu ihrer Züchtung und ihre Verwendung in Halbleitereinrichtungen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • a) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristalle vom p-Typ, ihr Wachstumsverfahren und Halbleitereinrichtungen, die aus solchen Kristallen gemacht sind.
  • b) Beschreibung der verwandten Technik
  • Den meisten Elementhalbleitern, so wie zum Beispiel Si und Ge und Gruppe- III-V-Verbundhalbleitern, so wie zum Beispiel GaAs kann n- oder p-Typ-Leitfähigkeit gegeben werden, indem Donor- oder Akzeptor-Verunreinigungen dotiert werden.
  • Die Natur, die in der Lage ist, sowohl Halbleiter der n- als auch der p-Typen zu formen; wird bipolar genannt. Wenn ein Gruppe III-V-Verbundhalbleiter benutzt wird, können p- und n-Typ Halbleiter auf demselben Substrat geformt werden. Indem ein Gruppe-III-V-Verbundhalbleiter benutzt wird, können Halbleitereinrichtungen hergestellt werden, welche einen p-n Übergang haben, so wie zum Beispiel Leuchtdioden bzw. Light emitting diodes (LED).
  • Eine verbotene Bandbreite (Bandlücke: Eg) ist ein Wert spezifisch für den Kristall.
  • Eine Licht-Emissions-Wellenlänge λ wird im Allgemeinen durch die folgende Gleichung ausgedrückt. λ = 1240/Egwobei λ eine Licht-Emissions-Wellenlänge (nm) und Eg (eV) eine verbotene Bandbreite eines Halbleiters ist.
  • Der Wert Eg bestimmt die Wellenlänge von Inter-Band-Emissionslicht des Kristalls, d. h. eine Emissionslicht-Farbe. Von den Gruppe-III-V-Verbundhalbleitern GaAs, hat GaAs, welches ein relativ schmales Eg hat, eine verbotene Bandbreite Eg von 1.43 eV. Die Emissionslicht-Wellenlänge von GaAs ist 870 nm im infraroten Bereich. Von den Gruppe-III-V-Verbundhalbleitern hat AIP, welches ein relativ breites Eg hat, eine verbotene Bandbreite Eg von 2.43 eV. Die Emissionslicht-Wellenlänge von AIP ist 510 nm, was grüne Emission ist.
  • Die meisten der Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter haben ein Eg, welches größer ist, als das von Gruppe-III-V-Verbundhalbleitern. Daher kann Lichtemission erwartet werden vom blauen bis zum royal-violetten und zu einem Ultraviolett-Bereich.
  • Im Allgemeinen hat ein Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter eine hohe Ionizität (ionicity) und ist mono-polar Kristalle von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleitern haben nämlich im Allgemeinen nur eine von n- und p-Typ Leitfähigkeiten und Kristalle, welche beide Leitfähigkeiten haben, sind selten.
  • Solch mono-polares Verhalten kann durch Selbstkompensation erklärt werden.
  • Zum Beispiel hat in Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristallen ZnS eine Fehlstelle eines negativen S-Ions, welches eine kleinere Größe hat, eine kleinere Kopplungsenergie als diejenige eines positiven Zn-Ions, welches eine größere Größe hat. Der Effekt, dass positive Zn-Ionen-Fehlstellen Verunreinigungen vom p-Typ kompensieren ist unterscheidend und ZnS vom p-Typ ist schwer herzustellen. Obwohl der Selbst-Kompensationseffekt sich mit dem Typ von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter ändert, kann das Phänomen, dass ZnO vom p-Typ schwierig herzustellen ist auch erklärt werden in der Weise ähnlich zu ZnS. Wenn ZnO-Kristalle vom p-Typ leicht erhalten werden können, können verschiedene Halbleitereinrichtungen, welche ZnO benutzen, hergestellt werden.
  • Weitere Information über das Vorangehende kann erhalten werden aus "REACTIONS OF LITHIUM AS A DONOR AND AN ACCEPTOR IN ZnO", J. Phys. Chem. Solids 1960, 15, pp. 324–334; "PREPARATION AND SOME PROPERTIES OF NITROGEN-MIXED ZnO THIN FILMS", Thin Solid Films 281–282 (1996), pp. 445–448; und "SOLUTION USING A CODOPING METHOD TO UNIPOLARITY FOR THE FABRICATION OF p-TYPE ZnO", Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) L166–L169.
  • Gemäß der Erfindung ist folgendes vorgesehen: Ein Verfahren zum Wachsen von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleitern vom p-Typ wie in Anspruch 1 dargelegt, ein Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter-kristallines Material vom p-Typ wie in Anspruch 8 dargelegt und eine Gruppe-II-VI-Verbundhalbleitereinrichtung, wie in Anspruch 11 dargelegt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristalle vom p-Typ vorzusehen, mehr Spezieller ein Verfahren, um p-Typ ZnO-Kristalle zu Wachsen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristalle vom p-Typ vorzusehen, spezieller p-Typ ZnO-Kristalle und Halbleitereinrichtungen, welche solche Kristalle benutzen.
  • In dieser Beschreibung ist Material, welches ZnO als Host- bzw. Träger- bzw. Gastgeberelement und ZnTe als sein Dotierungs- oder Gastelement enthält einfach als ZnO beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Wachsen von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristallen vom p-Typ vorgesehen, welches folgenden Schritt umfasst: abwechselndes Formen von ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten auf einem Substrat, wobei die ZnO-Schicht nicht mit Verunreinigungen dotiert ist und eine vorbestimmte Verunreinigungskonzentration hat, und die ZnTe-Schicht mit Verunreinigungen N vom p-Typ bis zu einer vorbestimmten Verunreinigungskonzentration oder höher dotiert ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter-kristallines Material vom p-Typ vorgesehen, welches folgendes umfasst: eine Laminierungs- bzw. Schichtstruktur von ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten, die abwechselnd auf einem Substrat gestapelt sind, worin N wenigstens in der ZnTe-Schicht dotiert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gruppe-II-VI-Verbundhalbleitereinrichtung vorgesehen, welche folgendes umfasst: ein Substrat; eine Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterschicht vom n-Typ, welche mit Gruppe-III-Elementen dotiert ist und auf dem Substrat geformt ist; und eine Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterschicht vom p-Typ, welche auf dem Substrat geformt ist und welche ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten abwechselnd laminiert bzw. aufgeschichtet hat, wobei N wenigstens in der ZnTe-Schicht dotiert ist.
  • Wie oben, kann ZnO vom p-Typ gewachsen werden, welches gute Kristallinität und kleinen elektrischen Widerstand hat.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Skizze bzw. die Übersicht einer MBE-Vorrichtung zeigt, die mit einem Kristall-Wachstumsverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt wird.
  • 2 ist eine Querscnittsansicht, welche die Supergitter-Struktur von ZnO-N-dotiertem ZnTe zeigt, welches durch das Kristall-Wachstumsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung gewachsen wurde.
  • 3A und 3B sind Timing- oder Zeitsteuerdarstellungen, welche die Verschluss-Steuersequenzen von Kristall-Wachstumsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, welche die Supergitter-Struktur von ZnO-N-dotiertem ZnTe zeigt, welches durch ein Kristall-Wachstumsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gewachsen wurde.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, welche die Struktur einer LED-Einrichtung zeigt, welche eine p-n-Übergangs-Diode hat, welche als Halbleiter vom p-Typ ein Supergitter von ZnO-N-dotiertem ZnTe benutzt, welches durch das Kristall-Wachstumsverfahren des zweiten Ausführungsbeispiels gewachsen wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • Mit Bezug auf 1 und 3A und 3B, wird ein Verfahren zum Wachsen von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristallen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, beschrieben werden.
  • 1 zeigt eine Kristall-Wachstumsvorrichtung, welche Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beuam epitaxy MBE) benutzt (hierin ab jetzt "MBE-Vorrichtung" genannt), als ein Beispiel für Vorrichtungen zum Wachsen von Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterkristallen.
  • Diese MBE-Vorrichtung A hat eine Kammer 1, in welcher Kristalle gewachsen werden und eine Vakuumpumpe 2, um das Innere der Kammer 1 auf einem Ultrahochvakuum zu halten.
  • Die Kammer 1 hat einen Zn-Anschluß bzw. Zn-Einlaß 11, um Zn zu Verdampfen, einen Te-Anschluß 21, um Te zu Verdampfen, einen O-Radikal-Anschluß 31, um O-Radikale abzustrahlen bzw. zu bestrahlen und einen N-Radikal-Anschluß 41, um N-Radikale Te abzustrahlen bzw. zu bestrahlen.
  • Der Zn-Anschluß 11 hat einen Verschluss bzw. Shutter S1 und eine Knudsen-Zelle (hierin ab jetzt eine K-Zelle genannt) 17, um eine Zn (Reinheit 7N)-Quelle 15 aufzunehmen bzw. unterzubringen und Zn zu Heizen und zu Verdampfen.
  • Der Te-Anschluß 21 hat einen Verschluss S2 und eine K-Zelle 27, um eine Te-(Reinheit 6N)-Quelle 25 aufzunehmen und Te zu Heizen und zu Verdampfen.
  • Der O-Radikal-Anschluß 31 stößt O-Radikale in die MBE-Kammer 1 aus, wobei die O-Radikale erzeugt werden aus Sauerstoffgas, welches als Quellgas in eine elektrodenlose Entladungsröhre eingeführt wurde, indem eine Hochfrequenz (13.56 MHz) benutzt wird. Ein Verschluss S3 ist für einen O-Radikal-Strahl vorgesehen.
  • Der N-Radikal-Anschluß 41 stößt N-Radikale in die MBE-Kammer 1 aus, wobei die N-Radikale aus Stickstoffgas erzeugt werden, welches als Quellgas in eine elektrodenlose Entladungsröhre eingeführt wurde, indem eine Hochfrequenz (13.56 MHz) benutzt wird. Ein Verschluss S4 ist ebenfalls für einen N-Radikal-Strahl vorgesehen.
  • In der Kammer 1 sind ein Substrat-Halter 3 und ein Heizer 3a installiert. Der Substrathalter 3 trägt ein Unterlagensubstrat S, welches für Kristallwachstum benutzt wird und der Heizer 3 (3a) heizt den Substrathalter 3. Eine Temperatur auf dem Substrat S kann mit einem Thermoelement 5 gemessen werden. Die Position des Substrathalters 3 kann durch einen Manipulator 7 verändert werden, welcher Balgen benutzt.
  • Die Kammer 1 hat auch eine reflective high eneurgy electron diffraction (RHEED) Pistole 51 und einen RHEED-Schirm 55, welcher vorgesehen ist, um eine gewachsene Kristallschicht zu überwachen. Indem die RHEED-Pistole 51 und der RHEED-Schirm 55 benutzt werden, können Kristalle gewachsen werden, während der Zustand (Wachstumsmenge und Qualität der gewachsenen Kristallschicht) des Kristallwachstums in der MBE-Vorrichtung A überwacht wird.
  • Ein Controller C kann eine Kristallwachstumstemperatur richtig steuern, eine Dicke der gewachsenen Kristallschicht, einen Grad von Vakuum in der Kammer und Ähnliches.
  • Prozesse des Wachsens von p-Typ-ZnO auf einem ZnO-Substrat werden im Detail beschrieben werden.
  • Alles Kristallwachstum wird durch MBE ausgeführt.
  • Eine Strahlmenge von Zn ist 2 × 10–5 Pa (1.5 × 10–7 Torr) und eine Te-Strahlmenge ist 6 × 10–5 Pa (4.5 × 10–7 Torr).
  • Als eine Sauerstoffstrahl-Quelle wird eine Sauerstoff-HF-Plasmaquelle benutzt. O-Radikal wird erzeugt aus reinem Sauerstoff (Reinheit 6N), welcher in den O-Radikal-Anschluß 31 eingeführt wird, indem ein HF-Oszillator benutzt wird.
  • Als eine Stickstoffstrahl-Quelle wird eine Stickstoff-HF-Plasmaquelle benutzt. N-Radikal wird erzeugt aus reinem Stickstoff (Reinheit 6N), welcher in den N-Radikal-Anschluß 41 eingeführt wird, indem ein HF-Oszillator benutzt wird.
  • In dem O-Radikal-Anschluß 31 wird der Fluss von Sauerstoffgas auf 2 ccm gesetzt und der Druck desselben wird auf 10.67 × 10–3 Pa (8 × 10–5 Torr) gesetzt. In dem N-Radikal-Anschluß 41 wird der Fluss Von Stickstoffgas auf 0.03 ccm gesetzt und der Druck desselben wird auf 2.67 × 10–4 Pa (2 × 10–6 Torr) gesetzt. Die Wachstumstemperatur wird auf 600° C gesetzt.
  • Diese Druckwerte werden mit einer nackten Ionenanzeige bzw. einer nackten Ionen-Druckanzeige gemessen, welche an der Substrathalterposition (Wachstumsposition) montiert ist.
  • Die Einheit "ccm" , welche benutzt wird für die Flussrate der Gasquelle ist eine Flussrate bei 25°C bei einem atmosphärischen Druck bzw. bei einem Druck von einer Atmosphäre, wie wohl bekannt ist.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht von ZnO-Kristallschichten vom p-Typ, welche durch das Verfahren im Ausführungsbeispiel gewachsen wurden. Auf einem ZnO-Substrat 100 wird eine Supergitter-Schicht 105 gewachsen, welche hergestellt ist aus nicht-dotierten ZnO-Schichten und N-dotierten ZnTe-Schichten. Mehr im Speziellen enthält die nicht dotierte ZnO-Schicht Verunreinigungen, welche kleiner sind, als eine vorbestimmte Konzentration, z. B. 1 × 1016 cm–3 und die ZnTe-Schicht enthält Verunreinigungen von einer vorbestimmten Konzentration, z. B. 1 × 1018 cm–3. Die Supergitter-Schicht 105 ist aus einer Laminierung bzw. einem Laminat von ZnO-Schichten 101a, 101b,..., 101z und ZnTe-Schichten 103a, 103b,..., 103z hergestellt, welche abwechselnd gestapelt sind. Jede der ZnO-Schichten 101a, 101b,..., 101z hat vorzugsweise eine Dicke von einer Zwei-Molekül-Schicht oder Dicker oder z. B. eine Dicke einer Zehn-Molekül-Schicht. Jede der ZnTe-Schichten 103a, 103b,..., 103z hat eine Dicke von z. B. Einer Ein-Molekül-Schicht, vorzugsweise eine kritische Film-Dicke oder dünner. Auf dem ZnO-Substrat kann eine ZnO-Pufferschicht geformt sein, auf welcher die Supergitter-Schicht 105 gewachsen wird. Die Gesamtdicke der Supergitter-Schicht 105 ist z. B. 100 nm.
  • 3A und 3B illustrieren die zwei Wachstumsprozesse des Wachsens der ZnO-Kristallschichten, die in 2 gezeigt sind als Öffnen/Schließen Sequenzen der Verschlüsse S1–S4. Von den zwei Wachstumsprozessen wird der Wachstumsprozess, der in 3A gezeigt ist, ein erster Wachstumsprozess genannt und der Wachstumsprozess der in 3B gezeigt ist wird ein zweiter Wachstumsprozess genannt.
  • Bezugnehmend auf 3, welche den ersten Wachstumsprozess zeigt, werden der Verschluss S1 für Zn und der Verschluss S3 für O zur Zeit T1 geöffnet. Zn- und O-Elemente fliegen auf die Oberfläche des Substrats 100 und eine ZnO-Kristallschicht wird gewachsen. Durch Steuern der Wachstumsparameter so wie zum Beispiel einer Zn-Vorratsmenge bzw. Liefermenge und einer Sauerstoffliefermenge werden ZnO-Kristalle in der Einheit einer Molekülschicht gewachsen.
  • In dieser Beschreibung bedeutet eine Ein-Molekül-Schicht eine Kristalleinheit, welche besteht aus einer Zn-Ein-Atom-Schicht und einer O-Ein-Atom-Schicht. Bis eine Kristall-Schicht, welche eine Dicke einer Zehn-Molekül-Schicht hat, gewachsen ist, werden die Verschlüsse S1 und S3 offen gehalten.
  • Der Verschluss S3 für O wird zur Zeit T2 geschlossen, um ein Anliefern von O2-Elementen bis zur Zeit T3 zu stoppen und nur Zn-Elemente zu liefern. Da nur Zn-Elemente geliefert werden, wird die oberste Oberfläche der nicht-dotierten ZnO-Schicht 101a mit einer Zn-abschließenden bzw. Zn-terminierenden Oberfläche geformt. Um überschüssige bzw. überzählige Zn-Elemente zu entfernen, werden während einer Periode von T3 bis T4 alle Verschlüsse geschlossen. Zur Zeit T4 werden der Verschluss S2 für Te und der Verschluss T4 für N geöffnet, um Te- und N-Elemente zu der Zn-terminierenden Oberfläche zu liefern. Te- und N-Elemente werden mit der Zn-terminierenden Oberfläche gekoppelt, sodass eine Ndotierte ZnTe-Schicht gewachsen wird, welche eine Dicke von einer Ein-Molekül-Schicht hat.
  • Das RHEED-Muster der ZnTe-Schicht ist (2 × 1) zur Zeit T4, welches einen Te-reichen Zustand zeigt.
  • Alle Verschlüsse werden während einer Periode von T5 bis T6 geschlossen, um überschüssige Atome zu entfernen und zu entgasen. Danach wird der Verschluss S1 für Zn wieder geöffnet, um die terminierende Oberfläche von ZnTe einzustellen und die Oberfläche von Te-reich in eine Zn-reiche Oberfläche zu verändern. Die Oberflächenmorphologie und -charakteristiken können daher verbessert werden.
  • Als nächstes wird der Verschluss S3 für O zur Zeit T7 geöffnet, um wieder ZnO zu wachsen. Dieser Zustand ist derselbe wie der Zustand zur Zeit T1. Die obigen Prozesse werden 30mal wiederholt.
  • Mit diesen Prozessen können ZnO-Kristalle vom p-Typ, welche in 2 gezeigt sind, gewachsen werden.
  • Die Übersicht bzw. die Darlegung des zweiten Wachstumsprozesses, der in 3B gezeigt ist, wird beschrieben werden.
  • Der Verschluss St für Zn wird geöffnet, um kontinuierlich Zn-Elemente zu dem Substrat zu liefern. Der Verschluss S3 für O wird zur Zeit T1 geöffnet, um O-Elemente zu liefern und ZnO-Elemente zu wachsen, die nicht mit Verunreinigungen bis zu einer erwünschten Konzentration dotiert sind.
  • Der Verschluss S3 für O wird zur Zeit T2 geschlossen, um ein Anliefern von O-Elementen zu stoppen. Danach wird der Verschluss S2 für Te und der Verschluss S4 für N zur Zeit T4 geöffnet, um Te- und N-Elemente zu liefern und eine ZnTe-Schicht, die mit N dotiert ist, zu wachsen.
  • Die Verschlüsse S2, S3 und S4 werden während einer Periode von T5 bis T6 geschlossen, um die terminierende Oberfläche von ZnTe einzustellen.
  • Als nächstes wird der Verschluss S3 für O zur Zeit T7 geöffnet, um wieder ZnO zu wachsen. Dieser Zustand ist derselbe, wie derjenige zur Zeit T1. Die obigen Prozesse werden 30mal wiederholt.
  • Wenn die ZnO-Pufferschicht 101 wie im ersten Wachstumsprozess geformt wird, werden Zn und O vorher zum Substrat 100 geliefert, um eine ZnO-Schicht zu wachsen, welche eine erwünschte Dicke hat und danach werden die oben beschriebenen Prozesse durchgeführt.
  • Die Supergitter-Schicht hat ein Verhältnis von ZnO einer Zehn-Molekül-Schicht zu ZnTe einer Ein-Molekül-Schicht nach der Vollendung von jedem der ersten und zweiten Wachstumsprozesse. Die Bandlücke der laminierten Supergitter-Schicht ist ungefähr gleich zu derjenigen von ZnO.
  • ZnTe zeigt p-Typ-Leitfähigkeit, wenn N-Verunreinigungen dotiert werden. Verunreinigungsdiffusion und Lochbewegung von der N-dotierten ZnTe-Schicht zur ZnO-Schicht, treten über die gesamte Dicke der ZnO-Zehn-Molekül-Schicht auf.
  • Die ZnO/ZnTe-Supergitter-Schicht, welche in der obigen Art und Weise gewachsen wurde, zeigt als Ganzes p-Typ-Leitfähigkeit.
  • Die Dicke von ZnTe wurde auf eine Ein-Molekül-Schicht gesetzt. Diese Dicke ist eine kritische Film-Dicke oder dünner, sodass die Spannung bzw. Beanspruchung, welche in der gewachsenen Schicht erzeugt werden soll, zu einer kleinen Menge unterdrückt werden kann. Die Oberflächenmorphologie der gewachsenen Schicht kann hochwertig gemacht werden.
  • Da die Flussrate von N während des Wachstums von ZnTe unter den oben beschriebenen Bedingungen auf 0.05 ccm gesetzt wird, kann die Dotierungsmenge von N in ZnTe hinein auf 1 × 1020 cm–3 unterdrückt werden.
  • Die Konzentration von Verunreinigungen (N), welche in ZnO durch Diffusion oder Ähnliches eingedrungen sind, ist vorzugsweise niedriger unterdrückt als die Konzentration von Verunreinigungen (N), die in ZnTe dotiert sind.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, welche die Struktur eines p-Typ Halbleiters zeigt, der das ZnO/ZnTe-Supergitter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt.
  • Auf einem Saphirsubstrat 201 wird eine ZnO-Schicht 211 zu einer Dicke von 30 nm bis 100 nm, z. B. 50 nm bei einer niedrigen Temperatur von 300°C bis 500°C, z. B. 400°C, gewachsen. Die ZnO-Schicht 211, die bei einer niedrigen Temperatur gewachsen wurde, hat anfangs einen amorphen Zustand. Das Substrat wird danach graduell geheizt. Dieses Heizen befördert Kristallisation, sodass die ZnO-Schicht, welche bei der niedrigen Temperatur gewachsen wurde sich in eine epitaxale bzw. epitaktische ZnO-Schicht ändert.
  • Als nächstes wird eine Supergitter-Schicht 225 von ZnO und N-dotiertem ZnTe durch das Wachstumsverfahren, ähnlich dem Wachstumsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels, zu einer Gesamtdicke von 100 nm gewachsen.
  • In der kristallinen Struktur, die in 4 gezeigt ist, hat die gewachsene Supergitter Schicht 225 ZnO-Schichten 201a, 201b,..., 201z und N-dotierte ZnTe-Schichten 203a, 203b, ..., 203y, welche abwechselnd auf der bei der niedrigen Temperatur gewachsenen ZnO-Schicht 211 laminiert sind, die auf dem Saphirsubstrat geformt ist.
  • Da die bei niedriger Temperatur gewachsene ZnO-Schicht 211 zwischen dem Saphirsubstrat 201 und der Supergitter-Schicht 225 eingeschoben ist, kann Spannung bzw. Beanspruchung, welche durch einen Unterschied im Gitterkoeffizienten zwischen dem Saphirsubstrat 201 und der Supergitter-Schicht 225 erzeugt werden soll bzw. erzeugt wird, entspannt werden. Die Oberflächenmorphologie kann verbessert werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen Wachstumsmethode für Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter ist es möglich, ZnO-Kristalle vom p-Typ zu wachsen, welche gute Kristallinität und niedrigen elektrischen Widerstand haben.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, welche die Struktur einer LED (Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) zeigt, welche einen p-n-Übergang hat und welche geformt wurde, indem Ga-dotiertes ZnO vom n-Typ benutzt wurde und indem ein Supergitter, welches aus ZnO-n-dotiertem ZnTe gemacht wurde, als p-Typ Halbleiter benutzt wurde.
  • Wie in 5 gezeigt hat die LED ein Saphirsubstrat 301, eine nicht-dotierte ZnO-Pufferschicht 305, welche bei einer niedrigen Temperatur gewachsen wurde und eine Dicke von 100 nm hat, eine ZnO-Schicht 311 vom n-Typ (Ga-dotiert: 1 × 1018 cm–3), die auf der Schicht 305 geformt ist und eine Dicke von 100 nm hat und eine Supergitter-Schicht 315 (Gesamtdicke von ungefähr 100 nm), welche auf der Schicht 311 geformt ist und aus 30 Schichten von ZnO und N-dotiertem ZnTe gemacht ist, welche abwechselnd laminiert sind.
  • Die ZnO-Schicht 311 vom n-Typ ist hergestellt bzw. vorgesehen in Kontakt mit einer ersten Elektrode 321.
  • Die ZnO-Schicht vom n-Typ kann geformt werden durch Dotierung anderer Gruppe-III-Elemente, so wie zum Beispiel A1 anstatt durch Dotierung von Ga.
  • Die Supergitter-Schicht 315 ist zu einer Inselform gemustert. Die Supergitter-Schicht 315, die zu einer Inselform gemustert ist, hat ihr Äußeres peripheres Gebiet mit einem isolierendem Film 318 bedeckt, der zum Beispiel aus SiN gemacht ist. Eine Öffnung, welche eine Form, zum Beispiel eine ungefähr kreisförmige Form hat, ist durch den isolierenden Film (Isolierschicht) 318 geformt, um die obere Oberfläche der Supergitter-Schicht 315 zu exponieren bzw. offenzulegen. Der isolierende Film 318 bedeckt und schützt wenigstens die Seitenwand der Insel-gemusterten Supergitter-Schicht 315.
  • Eine zweite Elektrode 325, welche eine Öffnung hat, zum Beispiel eine Ringelektrode, ist auf dem oberen Umfangsgebiet der Supergitter-Schicht 315 geformt. Die untere Oberfläche auf der inneren Umfangsseite der ringförmigen zweiten Elektrode 325, ist in Kontakt mit der oberen Umfangsoberfläche der Supergitter-Schicht 315. Die äußere Umfangsseite der zweiten Elektrode reitet bzw. sitzt auf dem isolierenden Film 318.
  • Wenn mit dieser Struktur eine positive Spannung an die zweite Elektrode 325 relativ zur ersten Elektrode 321 angelegt wird, fließt ein Vorwärtsstrom durch den p-n-Übergang. Minoritätsträger (Elektronen), welche in die Supergitter-Schicht 315 vom p-Typ injiziert werden und Majoritätsträger (Löcher) in der Supergitter-Schicht 315 vom p-Typ, werden radiativ rekombiniert bzw. Strahlungs-rekombiniert. Wenn Elektronen und Löcher rekombinieren, wird Licht von der oben beschriebenen Öffnung abgestrahlt, welches eine Energie hat die ungefähr gleich ist zu einer Energielücke des verbotenen Bandes. Es wird nämlich elektrische Energie in optische Energie umgewandelt.
  • Mit dem oben beschriebenen Betrieb wird Licht von der Öffnung der LED emittiert, welches eine Wellenlänge von ungefähr 370 nm hat. Obwohl diese LED die Supergitter-Schicht vom p-Typ als die optische Oberfläche (Lichtemissionsoberfläche) hat, ist es offensichtlich, dass sie eine Supergitterschicht vom n-Typ als die optische Oberfläche (Lichtemissionsoberfläche) haben kann.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird die LED als ein Beispiel einer Halbleitereinrichtung benutzt, die einen p-n-Übergang zwischen der Supergitter-Schicht 315 vom p-Typ (ZnO und N-dotiertes ZnTe) und dem ZnO vom n-Typ benutzt. Offensichtlich kann unter Benutzung einer Kombination der Supergitter-Schicht 315 vom p-Typ und des ZnO vom n-Typ eine Lasereinrichtung geformt werden. Es ist auch offensichtlich, dass eine Kombination mit der Supergitter-Schicht 315 vom p-Typ Elektronikeinrichtungen so wie zum Beispiel FETs und Bipolar-Transistoren andere optische Einrichtungen und Halbleitereinrichtungen bilden kann, die aus einer Kombination dieser Einrichtungen hergestellt sind.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Die Erfindung ist nicht nur auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Zum Beispiel kann die Dicke jedes dünnen Films, der die Supergitter-Schicht konstituiert bzw. ausmacht, geändert werden wie es erwünscht ist, solange die gewünschten Charakteristiken erfüllt werden können. Die Gasanliefer-Sequenzen sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Die Wachstumsbedingungen und andere Prozessparameter können auf verschiedene Weisen ausgewählt werden. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen, Verbesserungen, Kombinationen und Ähnliches durch Fachleute innerhalb des Umfangs gemacht werden können, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist. TKE-17812

Claims (14)

  1. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: abwechselndes Ausbilden von ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten auf einem Substrat, wobei die ZnO-Schicht nicht mit Verunreinigungen auf eine vorbestimmte Verunreinigungskonzentration dotiert ist und die ZnTe-Schicht mit p-Typ Verunreinigungen N dotiert sind und zwar auf eine vorbestimmte Verunreinigungskonzentration oder höher.
  2. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs gemäß Anspruch 1, wobei jede ZnTe-Schicht auf eine Dicke von nicht größer als eine kritische Filmdicke gewachsen wird.
  3. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs nach Anspruch 1, wobei jede ZnO-Schicht auf eine Dicke einer Zweimolekülschicht oder dicker gewachsen wird, wobei eine Einmolekülschicht von ZnO gebildet ist aus einer Zn-Einatomschicht und einer O-Einatomschicht.
  4. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Prozess zum Formen der ZnO-Schicht eine Molekularstrahlepitaxie und die folgenden Schritte aufweist: a) Liefern von Zn- und O-Elementen an das Substrat; b) nach dem Schritt a) Stoppen einer Versorgung von O-Elementen; und c) nach dem Schritt b) Stoppen einer Versorgung von Zn-Elementen zum Entfernen überschüssiger Zn-Elemente oberhalb des Substrats; und wobei ein Prozess zum Formen der ZnTe-Schicht eine Molekularstrahlepitaxie und die folgenden Schritte aufweist: d) nach dem Schritt c) Liefern von Te- und N-Elementen; und e) nach dem Schritt d) Stoppen einer Versorgung von Te- und N-Elementen an das Substrat, um ein Kristallwachstum auf dem Substrat zu unterbrechen.
  5. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: f) nach dem Schritt e) Liefern von Zn-Elementen an das Substrat; und g) nach dem Schritt f) Liefern von O-Elementen an das Substrat.
  6. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: ein Prozess zum Formen der Zn-O-Schicht eine Molekularstrahlepitaxie und in einem Zustand, in dem Zn-Elemente an das Substrat geliefert werden, die folgende Schritte aufweist: a) Liefern von O-Elementen zum Wachstum der ZnO-Schicht, die nicht mit Verunreinigungen auf die vorbestimmte Verunreinigungskonzentration dotiert ist; und b) nach dem Schritt a) Stoppen einer Lieferung von O-Elementen; und ein Prozess zum Formen der ZnTe-Schicht eine Molekularstrahlepitaxie und die folgenden Schritte aufweist: c) nach dem Schritt b) Liefern von Te- und N-Elementen zum Wachstum der ZnTe-Schicht, die mit N dotiert ist.
  7. Verfahren zum Wachsen von Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallen des p-Typs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner das Wachsen einer Puffer-ZnO-Schicht (101; 211) bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C zwischen der Laminierungsstruktur (105) aus abwechselnden ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten und dem Substrat (100; 201) aufweist.
  8. Ein Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallmaterial des p-Typs, das Folgendes aufweist: eine Laminatstruktur (105; 225) aus ZnO-Schichten (101a–z; 201a–z) und ZnTe-Schichten (103a–z; 203a–z), die abwechselnd auf ein Substrat (100; 201) aufgebracht bzw. gestapelt sind, wobei N in wenigstens der ZnTe-Schicht dotiert ist.
  9. Ein Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallmaterial des p-Typs gemäß Anspruch 8, wobei die ZnO-Schicht (101a–z; 201a–z) mit N dotiert ist, und zwar mit einer niedrigeren Konzentration als eine N-Konzentration, die in die ZnTe-Schicht (103a–z; 203a–z) dotiert ist.
  10. Ein Gruppe II-VI Verbundhalbleiterkristallmaterial des p-Typs nach Anspruch 8 oder 9, das ferner eine Puffer-ZnO-Schicht (101; 211) aufweist, die bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C gewachsen ist und zwischen der Laminierstruktur (105) und dem Substrat (100; 201) ausgebildet ist.
  11. Eine Gruppe II-VI Verbundhalbleitereinrichtung die Folgendes aufweist: ein Substrat (301); eine Gruppe II-VI Verbundhalbleiterschicht (311) des n-Typs, die mit Gruppe III Elementen dotiert ist und auf dem Substrat (301) ausgebildet ist; und eine Gruppe II-VI Verbundhalbleiterschicht (315) des p-Typs, die an dem Substrat ausgebildet ist und ZnO-Schichten und ZnTe-Schichten besitzt, die abwechselnd laminiert sind, wobei N in wenigstens die ZnTe-Schicht dotiert ist.
  12. Eine Gruppe II-VI Verbundhalbleitereinrichtung gemäß Anspruch 11, die ferner Folgendes aufweist: eine erste Elektrode (321), die elektrisch mit der Gruppe II-VI Verbundhalbleiterschicht (311) des n-Typs verbunden ist; und eine zweite Elektrode (325), die elektrisch mit der Gruppe II-VI Verbundhalbleiterschicht (315) des p-Typs verbunden ist.
  13. Eine Gruppe II-VI Verbundhalbleitereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei der eine Öffnung durch eine der ersten und zweiten Elektroden (321; 325) ausgebildet ist zum Freilegen einer Oberfläche der Gruppe II-VI Verbundhalbleiterschicht des n-Typs oder p-Typs.
  14. Eine Gruppe II-VI Verbundhalbleitereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, die ferner eine Puffer-ZnO-Schicht (305) aufweist, die bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C gewachsen ist und in Kontakt mit dem Substrat ausgebildet ist.
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