DE69309321T2 - Elektroden-Struktur für Halbleiteranordnung - Google Patents

Elektroden-Struktur für Halbleiteranordnung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtung mit einer ohm'schen Elektrodenstruktur vom p-Typ. Wie auf diesem Gebiet üblich, ist mit Gruppe II die Gruppe IIb gemeint.
  • Seit kurzem sind blaue Lumineszenzdioden bzw. blaues Licht emittierende Dioden (LEDs) oder blaue Laserdioden (LDs) erhältlich, bei denen ein Mehrkomponenten-II-VI- Gruppen-Halbleiter eingesetzt wird, der höher als ternär ist und Zink und Selen enthält. Insbesondere kann unter Verwendung einer p-n-Grenzschicht, die unter Verwendung von Stickstoff (N) als Dotierstoff vom p-Typ gebildet wird, eine geeignete Lichtemission erzielt werden.
  • Es gibt jedoch nur wenige Metalle, die sich für eine ohm'sche Elektrode vom p-Typ mit geringem Widerstand zur Verwendung mit II-VI-Gruppen-Verbindungen vom p-Typ eignen. Demgemäß sind die ohm'schen Widerstände der p-Schicht-Seite von grünen oder blauen LEDs oder Halbleiterlasern mit p-n-Grenzschichten extrem hoch, weswegen der Hauptteil der einer Vorrichtung wie einer LED oder LD zugeführten Leistung in Form von Wärme verbraucht wird, was zu geringer Lichtemissionseffizienz bezogen auf die zugeführte Leistung führt. Weiters führt die Erzeugung von Wärme möglichweise zu einer Beschädigung von Vorrichtungen wie LEDs oder LDs, was die Zuverlässigkeit der Vorrichtung herabsetzt. Demgemäß ist die Bildung einer zufriedenstellenden ohm'schen Elektrode vom p-Typ unerlässlich, um praktisch einsetzbare Vorrichtungen wie LEDs oder LDs zu erhalten.
  • JP-A-1-140663 offenbart eine Vorrichtung mit einer ohm'schen Kontaktelektrode auf einer p-ZnSe-Schicht. Eine amorphe Si-Schicht vom p-Typ wird durch CVD auf der p-ZnSe-Schicht aufgebaut, und Mo und Al werden auf dem Si abgelagert. Es wird angegeben, daß p-ZnSe und p-Si nahe Arbeitsfunktionen aufweisen und Mo einen guten ohm'schen Kontakt mit dem p-Si herstellt.
  • In "Applied Physics Letters" 29, Nr. 7, Oktober 1976, S. 433-4 (Best et al.) wird beschrieben, daß HgSe Schottky-Barrieren auf n-ZnS und n-ZnSe bildet. Es wird daraus geschlossen, daß HgSe stärker elektronegativ ist als Au, und es wird darauf hingewiesen, daß es für ohm'schen Kontakt mit p-Halbleitern dienlich sein sollte, es wird aber von keinem Test in dieser Hinsicht berichtet.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein ohm'sche Elektrode vom p-Typ mit geringem elektrischem Widerstand für II-VI-Gruppen-Halbleiterelemente bereitzustellen, die Zink und Selen vom p-Typ enthalten.
  • Nach umfassenden Forschungen hat der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes herausgefunden, daß eine zufriedenstellende ohm'sche Elektrode unter Verwendung anderer Elemente der Gruppe IIb als Zink oder unter Verwendung von II-VI-Gruppen-Halbleitern, die als Bestandteil ein anderes Element der Gruppe IIb als Zink enthalten, gebildet werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein II-VI-Gruppen-Halbleiterelement bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil auf einem II-VI-Gruppen-Halbleiter, der Zink und Selen vom p-Typ enthält, auf dem eine ohm'sche Metallelektrode ausgebildet ist, aus einer Zinkselenid-II-VI-Gruppen-Halbleiterschicht gebildet ist, die ein anderes IIb-Gruppen- Element als Zink enthält, oder ein dünner Film aus einem anderen IIb-Gruppen-Element als Zink zwischen der Oberfläche eines II-VI-Gruppen-Halbleiters, der Zink und Selen vom p-Typ enthält, und der ohm'schen Metallelektrode ausgebildet ist.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf Halbleitervorrichtungen, die ein solches Halbleiterelement umfassen.
  • Das Hauptmerkmal der vorliegende Erfindung ist die Bereitstellung einer ohm'schen Elektrode, die sich für einen II-VI-Gruppen-Halbleiter eignet. Demgemäß kann die Struktur der Halbleitervorrichtung mit Ausnahme der Elektrode und einer an die Elektrode angrenzenden Schicht die gleiche wie bei bekannten Halbleitervorrichtungen, wie z.B. LEDs, LDs oder dergleichen, sein und ist nicht eingeschränkt.
  • Die an die Elektrode angrenzende Schicht, d.h. die Schicht, auf der die Elektrode ausgebildet ist, kann aus einer II-VI-Gruppen-Verbindung III Form eines Zinkselenid- Halbleiters vom p-Typ oder eines Mehrkomponenten-Halbleiters vom p-Typ auf Sinkselenidbasis bestehen (und wird nachstehend einfach kurz als "Zinkselenidschicht" bezeichnet). Auf der Zinkselenidschicht befindet sich eine Schicht, in der ein anderes Element der Gruppe IIb als Zink in den Halbleiter aus der II-VI-Gruppen-Verbindung eindiffundiert ist. Vorzugsweise nimmt die Dichte des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink von der Seite der Zinkselenidschicht zur Elektrodenseite hin allmählich zu. Die Konzentration des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink an der Elektrodenseite ist vorzugsweise höher als 1%, noch bevorzugter höher als 10%, am besten höher als 30% (Atom-%). Insbesondere besteht die Oberfläche der Schicht auf der Elektrodenseite im wesentlichen zur Gänze aus dem anderen Element der Gruppe IIb als Zink. Bei dieser Anordnung verringert sich die Bandlücke zur Elektrode hin allmählich, und es wird ein guter ohm'scher Kontakt bezogen auf das andere Element der Gruppe IIb als Zink hergestellt. Weiters ist bei einer besonders bevorzugten Konfiguration die Oberfläche im wesentlichen durch eine Schicht definiert, die ein anderes Element der Gruppe IIb als Zink enthält, und demgemäß kann ein zufriedenstellender ohm'scher Kontakt mit einem anderen Metall erreicht werden.
  • Das Verfahren zum Eindiffundieren eines anderen Elements der Gruppe IIb als Zink in Zinkselenid hinein ist auf kein spezielles beschränkt, und es kann jedes geeignete herkömmliche Verfahren eingesetzt werden. Geeignete Verfahren sind solche, bei denen das andere Element der Gruppe IIb als Zink aus einer Schicht aus dem anderen Element der Gruppe IIb als Zink, die auf der Zinkselenidschicht ausgebildet ist, durch Wärmebehandlung in die Zinkselenidschicht hinein diffundiert, und ein weiteres, bei dem der Partialdruck des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink in Gas im Verlauf des Wachstums aus der Dampfphase (Ablagerung aus der Dampfphase) geändert wird.
  • Besonders bevorzugt wird jenes Verfahren, bei dem das andere Element der Gruppe IIb als Zink durch Wärmebehandlung aus einer auf der Zinkselenidschicht ausgebildeten Schicht daraus eindiffundiert. Mit diesem Verfahren kann leicht jene Struktur erhalten werden, bei der die Konzentration des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink von der Zinkselenidschichtseite zur Elektrodenseite hin allmählich zunimmt. Durch das Verfahren, bei dem der Partialdruck des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink in Gas beim Wachstum aus der Dampfphase geändert wird, wird der Gehalt des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink im Zinkselenid kontinuierlich geändert, sodaß seine Dichte bei graphischer Darstellung in Form einer linearen Funktion geändert werden kann, oder der Gehalt des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink im Zinkselenid wird intermittierend geändert, sodaß seine Dichte bei graphischer Darstellung stufenweise variiert werden kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann die gleiche Wirkung eines verringerten Widerstands mittels einer Schicht aus einem Element der Gruppe IIb, beispielsweise Quecksilber, zwischen dem Zn und Se enthaltenden Halbleiter vom p-Typ erzielt werden.
  • Allerdings verdampft beispielsweise Quecksilber, das als anderes Element der Gruppe IIb als Zink auf der Oberfläche oder als dünne Schicht verwendet werden kann und bei Raumtemperatur flüssig ist, leicht und geht bald verloren. Diese Tatsache verursacht nicht nur beim normalen Gebrauch Probleme sondern schafft auch ernsthafte Probleme bei Einsatz von Wärmebehandlung, damit das Element der Gruppe IIb in Zinkselenid hinein diffundiert. Bei einem Verfahren, mittels dessen die obengenannten Probleme gelöst werden können, wird auf der Schicht, die als Hauptkomponente das andere Element der Gruppe IIb als Zink enthält, eine Schicht aus hochschmelzendem Metall ausgebildet, die über mehr oder weniger hohe mechanische Festigkeit verfügt, um ein Verdampfen des anderen Elements der Gruppe IIb als Zink zu verhindern. Im speziellen kann Metall mit einem hohen Schmelzpunkt von mehr als 2.000ºC, wie z.B. Platin oder Wolfram, als hochschmelzendes Metall verwendet werden. Da es schwierig ist, einen Metalldraht oder dergleichen direkt mit Platin, Wolfram oder dergleichen wie oben erwähnt zu verbinden, wird auf der obengenannten Schicht aus hochschmelzendem Metall vorzugsweise eine Schicht aus niedrigerschmelzendem Metall, z.B. eine Goldschicht, ausgebildet.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 eine beschreibende Ansicht ist, die eine Struktur einer ohm'schen Elektrode darstellt, die ein wesentlicher Teil einer ersten Halbleitervorrichtung als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 2 eine beschreibende Ansicht ist, die ein Beispiel für die Struktur der ohm'schen Elektrode vom p-Typ einer Halbleitervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht;
  • Fig. 3 eine beschreibende Ansicht ist, die ein weiteres Beispiel für die Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht;
  • Fig. 4 eine beschreibende Ansicht ist, die ein weiteres Beispiel für die Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
  • In Fig. 1 werden eine ZnSe-Schicht vom p-Typ 101, eine ZnSe-Schicht 102, in die Hg eindiffundiert ist und die eine Dicke von etwa 10 nm bis 1 µm aufweist, eine Pt-Schicht 103 mit einer Dicke von etwa 50 nm bis 500 nm und eine Au-Schicht 104 mit einer Dicke von etwa 100 nm bis 2 µm gezeigt.
  • Durch diese Struktur kann gemäß vorliegender Erfindung auf einer eine ZnSe-Schicht vom p-Typ enthaltenden II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtung leicht eine ohm'sche Elektrode mit guter Haftung gebildet werden.
  • Obige Ausführungen beschreiben ein Verfahren zum Eindiffundieren der anderen Elemente der Gruppe IIb als Zink unter Einsatz von Wärmebehandlung. Als nächstes wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Struktur der Erfindung beschrieben, bei der vor der Bildung einer ohm'schen Elektrode eine II-VI-Gruppen-Verbindung, die als Bestandteil ein anderes Element der Gruppe IIb als Zink enthält, durch Kristallwachstum auf einer gegebenen II-VI-Gruppen-Verbindung vom p-Typ ausgebildet wird. Solche II-VI-Gruppen-Verbindungen, die ein anderes Element der Gruppe IIb als Zink enthalten, sind HgSe (oder eine andere Se-hältige Verbindung als Zinkselenid), HgTe (oder eine andere Te-hältige Verbindung als Zinktellurid). Auch in diesen Fällen kann aus den obengenannten Gründen leicht eine ohm'sche Elektrode gebildet werden. Ein Beispiel für diese Struktur der Erfindung wird in Fig. 2 gezeigt, in der eine ZnSe- Schicht 201 vom p-Typ, eine HgSe-Halbleiterschicht 202 vom p-Typ mit einer Dicke von 10 bis 100 nm, eine HgTe-Schicht 203 mit einer Dicke von etwa 10 bis 100 nm und eine Au-Elektrode mit einer Dicke von etwa 100 nm bis 2 µm dargestellt sind. Natürlich ist auch eine Struktur wirksam, bei der ZnSe im Verlauf der Dicke der HgSe- Schicht allmählich in HgSe übergeht, d.h. die Substitution x von ZnxHg1-xSe ändert sich von 1 auf 0. Auf ähnliche Weise kann sich die Substitution y von HgSeyTe1-y in der HgTe-Schicht allmählich von 1 auf 0 ändern, was auch wirksam ist.
  • Fig. 3 zeigt eine spezifischere Ausführungsform, bei der es sich um eine LED handelt, die vorliegende Erfindung ist allerdings dadurch nicht eingeschränkt.
  • Auf Fig. 3 Bezug nehmend wurden eine ZnSe-Schicht 303 vom n-Typ, die mit Cl (Chlor) dotiert war und eine Dicke von 0,2 µm aufwies (Trägerdichte: 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), eine ZnS0,07Se0,93-Schicht 304 vom n-Typ mit einer Dicke von 1 µm (Trägerdichte: 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³), eine Cd0,2Zn0,8Se-Schicht 305 vom p-Typ, die mit N (Stickstoff) dotiert war und eine Dicke von 0,1 µm aufwies (Trägerdichte: x 10¹&sup7; cm&supmin;³), eine ZnSe0,07S0,93-Schicht 306 von p-Typ, die in ähnlicher Weise mit N dotiert war (Trägerdichte: 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³), und schließlich eine ZnSe-Schicht 307 vom p-Typ, die mit N dotiert war und eine Dicke von 0,2 µm aufwies, nacheinander mittels eines MBE-(Molekularstrahl-Epitaxie-)Verfahrens bei einer Wachstumstemperatur von 300ºC auf einem GaAs-Substrat 302 vom n-Typ gezüchtet. Daraufhin wurde eine In-Schicht 301 als Elektrode vom n-Typ durch Bedampfen auf der Seite des GaAs-Substrats vom n-Typ abgelagert, und eine Hg-Schicht 308 mit einer Dicke von 30 nm, eine Pt-Schicht 309 mit einer Dicke von 100 nm und eine Au-Schicht 310 mit einer Dicke von 500 nm wurden durch Bedampfen auf einer Seite der Elektrode vom p-Typ abgelagert, und die Vorrichtung wurde 10 min lang in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 280ºC wärmebehandelt Hg ist nach dieser Wärmebehandlung immer noch als dünne Schicht vorhanden. Diese LED wurde mit Energie versorgt, indem daran eine Spannung in Durchflußrichtung angelegt wurde. Die Stärke des der LED zugeführten Stroms betrug 20 mA. Bei diesem Modus erforderte eine Vergleichsstruktur, bei der Au allein als Elektrode vom p-Typ auf der ZnSe-Schicht 307 verwendet wird, 15 V als Betriebsspannung. Im Gegensatz dazu erforderte die Struktur der vorliegenden Ausführungsform 3,3 V, woraus zu erkennen ist, daß eine starke Verbesserung erzielt werden kann.
  • Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wurden eine HgSe-Schicht 311 vom p-Typ, die mit N dotiert war und eine Dicke von 50 nm aufwies, und eine HgTe-Schicht 312 mit einer Dicke von 50 nm durch Kristallwachstum nach einem MBE-Verfahren auf der Kristallwachstumsstruktur der Schichten 303-307 ausgebildet, die in der Ausführungsform aus Fig. 3 nach dem MBE-Verfahren auf dem Substrat 302 erhalten wurden, und dann wurde eine In-Schicht 301 als Elektrode vom n-Typ durch Bedampfen auf der Seite des GaAs-Substrats vom n-Typ abgelagert, und eine Au-Schicht 310 mit einer Dicke von 500 nm wurde durch 10-minütiges Bedampfen in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 20ºC als Elektrode vom p-Typ abgelagert. Daraufhin wurde der LED wie bei der Ausführungsform aus Fig. 3 ein Strom mit 20 mA in Durchflußrichtung zugeführt, um diese mit Energie zu versorgen. Die durchschnittliche Betriebsspannung betrug etwa 3,2 V.
  • Gemäß vorliegender Erfindung kann eine zufriedenstellende ohm'sche Elektrode vom p-Typ erhalten werden, die sich für II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtungen eignet, und insbesondere kann eine zufriedenstellende Halbleitervorrichtung, wie z.B. eine blaue LED oder dergleichen, erhalten werden.

Claims (13)

1. Elektrodenstruktur vom p-Typ einer II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtung bzw. -anordnung, umfassend eine Schicht eines II-VI-Gruppen-Halbleiters vom p-Typ (101; 201; 301), die aus Zn und Se besteht oder diese enthält, eine ohmtsche Metallelektrode (104; 204; 310) und zumindest eine Zwischenschicht (102; 202, 203; 311, 312) zwischen der Halbleiterschicht (101; 201; 301) und der Elektrode (104; 204; 310), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Zwischenschicht (102; 202, 203; 311, 312) aus einer II-VI-Gruppen-Verbindung besteht, die ein IIb-Gruppen-Element außer Zn enthält.
2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, worin die Zwischenschicht eine II-VI- Gruppen-Halbleiterschicht (102) ist, die aus Zn und Se besteht oder diese enthält und das IIb-Gruppen-Element außer Zn darin eindiffundiert aufweist.
3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, die eine Schicht (308) aus dem IIb- Gruppen-Element außer Zn zwischen der Halbleiterschicht vom p-Typ (301) und der Elektrode (310) aufweist.
4. Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, die eine Metallschicht (103; 309) mit einem Schmelzpunkt von mehr als 2.000ºC zwischen der Zwischenschicht (102) und der Elektrode (310) aufweist.
5. Elektrodenstruktur nach Anspruch 3, die eine Metallschicht (103; 309) mit einem Schmelzpunkt von mehr als 2.000ºC zwischen der Schicht (308) aus dem IIb-Gruppen- Element außer Zn und der Elektrode (310) aufweist.
6. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, worin die oder jede Zwischenschicht eine Halbleiterschicht (202,203;311,312) aus einer binären II-VI-Gruppen-Verbindung, worin das IIb-Gruppen-Element ein anderes als Zn ist, oder aus einer ternären II-VI-Gruppen- Verbindung, die Zn und eine andere IIb-Gruppen-Verbindung als Zn enthält.
7. Elektrodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Zwischenschicht (102; 202, 203; 311, 312) eine Konzentration des IIb-Gruppen-Elements außer Zn aufweist, die in Richtung zur Elektrode (310) hin zunimmt.
8. Elektrodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das IIb-Gruppen- Element außer Zn Hg ist.
9. Elektrodenstruktur vom p-Typ einer II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtung bzw. -anordnung, umfassend eine Schicht eines II-VI-Gruppen-Halbleiters vom p-Typ (301), die aus Zn und Se besteht oder diese enthält, eine ohm'schen Metallelektrode (310) und eine Schicht (308) zwischen der Halbleiterschicht (301) und der Elektrode (310), dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (308) aus einem anderen IIb-Gruppen-Element als Zn besteht.
10. Elektrodenstruktur nach Anspruch 9, worin sich eine Metallschicht (309) mit einem Schmelzpunkt von über 2.000ºC zwischen der Schicht (308) aus einem IIb- Gruppen-Element außer Zn und der Elektrode (310) befindet.
11. Elektrodenstruktur nach Anspruch 9 oder 10, worin das IIb-Gruppen-Element außer Zn Hg ist.
12. II-VI-Gruppen-Halbleitervorrichtung bzw. -anordnung, die eine Schicht eines II- VI-Gruppen-Halbleiters vom p-Typ (101; 201; 301) und eine Elektrodenstruktur dafür nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
13. II-VI-Gruppen-Halbleiter-Lumineszenz- bzw. -Leucht-Diode bzw. -LED bzw. lichtemittierende II-VI-Gruppen-Halbleiter-Diode, die eine Schicht eines II-VI-Gruppen- Halbleiters vom p-Typ (101; 201; 301) und eine Elektrodenstruktur dafür nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
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