DE69937565T2 - P-dotierte zinkoxidschichten und herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung ist auf Zinkoxid(ZnO)-Filme gerichtet zur Verwendung in elektrisch erregten Bauelementen, wie Licht emittierenden Dioden (LEDs), Laserdioden (LDs), Feldeffekttransistoren (FETs) und Photodetektoren. Insbesondere ist diese Erfindung auf ein p-Dotierungsmittel enthaltende ZnO-Filme zur Verwendung in LEDs, LDs, FETs und Photodetektoren gerichtet, wobei n-Materialien und p-Materialien erforderlich sind zur Verwendung als Substratmaterial zur Gitterangleichung an andere Materialien in diesen Bauelementen und zur Verwendung als eine Schicht zur Anbringung elektrischer Leitungen.
  • Eine Zeit lang bestand Interesse an der Herstellung von II-VI-Verbindungshalbleitern mit breitem verbotenem Energieband zur Herstellung von Grün/Blau-LEDs, LDs und anderen elektrischen Bauelementen. Historisch wurden Versuche zur Herstellung dieser Bauelemente nach Technologien auf Basis von Zinkselenid (ZnSe) oder Galliumnitrid (GaN) gerichtet. Diese Wege waren jedoch wegen der kurzen Lebensdauer der Lichtemission, die aus Fehlstellen und Fehlstellenwanderung in diesen Bauelementen resultiert, nicht gänzlich befriedigend.
  • Da ZnO bei Raumtemperatur ein breites direktes verbotenes Energieband von 3,3 eV hat und eine starke Emissionsquelle des ultravioletten Lichts ergibt, wurden jüngst dünne ZnO-Filme auf geeigneten Trägersubstraten als neue Materialien für Licht emittierende Bauelemente und Laserdioden vorgeschlagen. Undotierte wie auch dotierte ZnO-Filme zeigen im Allgemeinen n-Leitung. Verunreinigungen wie Aluminium und Gallium in ZnO-Filmen wurden von Hiramatsu et al. studiert, die über Aktivität als n-Donatoren berichten (Transparent Conduction Zinc Oxide Thin Films Prepared bay XeCl Excimer Laser Ablation, J. Vac. Sci. Technol. A16(2), März/April 1998). Obgleich ZnO-Filme des n-Typs seit einiger Zeit verfügbar waren, war das Wachstum von ZnO-Filmen des p-Typs, die zum Bau vieler, pn-Übergänge erfordernder, elektrischer Bauelemente nötig sind, bisher in der Entwicklung viel langsamer.
  • Minegishi et al. (Growth of P-Type ZnO Films by Chemical Vapor Deposition, Jpn. J. Appl. Phys., Band 36, Tl. 2, Nr. 11A (1997)) berichteten jüngst über das Wachstum von mit Stickstoff dotierten ZnO-Filmen durch chemische Dampfabscheidung und über die p-Leitung von ZnO-Filmen bei Raumtemperatur. Minegishi et al. beschreiben das Wachstum von ZnO-Filmen des p-Typs auf einem Saphirsubstrat durch die gleichzeitige Zugabe von NH3 im Trägerwasserstoff und von Zn-Überschuss in dem Ausgangs-ZnO-Pulver. Wenn ein Zn/ZnO-Verhältnis von 10 Mol-% benutzt wurde, bestätigte die sekundäre Ionenmassenspektrometrie (SIMS) den Einbau von Stickstoff in den ZnO-Film, obgleich die Stickstoffkonzentration nicht genau verifiziert wurde. Obgleich die Filme, die von Minegishi et al. mit einem Zn/ZnO-Verhältnis von 10 Mol-% hergestellt wurden, anscheinend eine kleine Stickstoffmenge in den ZnO-Film einbauen und die Leitung in p-Leitung wandeln, ist der spezifische elektrische Widerstand dieser Filme für eine Anwendung in handelsüblichen Bauelementen wie LEDs oder LDs zu hoch. Minegishi et al. berichten auch, dass die Trägerdichte für die Löcher 1,5 × 1016 Löcher/cm3 ist. Die kombinierte Wirkung der niedrigen Trägerdichte für Löcher und des hohen Wertes für den spezifischen elektrischen Widerstand verbietet den Einsatz dieses Materials in handelsüblichen, Licht emittierden Bauelementen oder Laserdioden.
  • Park et al. beschreiben in US-Patent Nr. 5,574,296 ein Verfahren zur Herstellung dünner Filme auf Substraten durch Dotierung von IIB-VIA-Halbleitern mit freien Radikalen der Gruppe VA zur Verwendung in elektromagnetischen Strahlungswandlern. Im Einzelnen beschreiben Park et al. epitaxiale dünne ZnSe-Filme, die mit Stickstoff oder Sauerstoff dotiert sind, wobei die dünnen ZnSe-Schichten durch Molekularstrahlepitaxie auf einem GaAs-Substrat gezüchtet werden. Die Dotierung von Stickstoff oder Sauerstoff erfolgt durch Benutzung einer freien Radikalquelle, die in das Molekularstrahlepitaxiesystem eingebaut ist. Bei Stickstoff als das p-Dotierungsmittel wurden in dem ZnSe-Film Gesamtakzeptordichten bis zu 4,9 × 1017 Akzeptoren/cm3 und spezifische Widerstände von weniger als 15 Ohm-cm gemessen. Die kombinierte Wirkung des niedrigen Wertes für die Gesamtakzeptor dichte und des hohen Wertes für den spezifischen Widerstand erlaubt nicht den Einsatz dieses Materials in handelsüblichen Bauelementen wie LEDs, LDs und FETs.
  • Obgleich jüngst ein gewisser Fortschritt bei der Herstellung von zur Bildung von p-n-Übergängen brauchbaren, p-dotierten ZnO-Filmen gemacht wurde, existiert in der Industrie noch ein Bedarf an ZnO-Filmen, die höhere Akzeptorgesamtkonzentrationen enthalten und geringere spezifische Widerstandswerte besitzen.
  • Summarischer Abriss der Erfindung
  • Unter den Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines ZnO-Films, der auf einem Substrat eine hohe Akzeptor-Gesamtkonzentration enthält; die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von ZnO-Filmen, die p-Dotierungsmittel enthalten; die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von pn-Übergängen unter Benutzung eines ein p-Dotierungsmittel enthaltenden ZnO-Films; und die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung homoepitaxialer und heteroepitaxialer pn-Übergänge unter Benutzung eines ein p-Dotierungsmittel enthaltenden ZnO-Films.
  • Kurz gesagt ist daher die vorliegende Erfindung auf einen ZnO-Film auf einem Substrat gerichtet, wobei der Film ein p-Dotierungsmittel enthält. Der Film hat eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, einen spezifischen Widerstand von nicht mehr 1 Ohm-cm und eine Hall-Beweglichkeit zwischen 0,1 und 50 cm2/Vs.
  • Die Erfindung ist ferner in einem zweiten Aspekt auf ein Verfahren zum Züchten eines Zinkoxidfilms des p-Typs auf einem Substrat gerichtet. Das Substrat wird zunächst gereinigt, um sicherzustellen, dass der Film eine verringerte Anzahl Fehlstellen hat und richtig an dem Substrat haftet. Nach Reinigung des Substrats wird die Temperatur in der Kammer auf zwischen 300°C und 450°C eingestellt, und ein Zinkoxidfilm des p-Typs wird dadurch auf dem Substrat gezüchtet, dass man einen Excimer-gepulsten Laserstrahl auf ein gepresstes, ein p-Dotierungsmittel enthaltendes ZnO-Pulverpellet richtet, um einen p-Zinkoxidfilm zu züchten, der eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens etwa 1015 Akzeptoren/cm3 enthält.
  • Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer p-n-Übergangsschicht mit einem p-leitenden ZnO-Film und einem n-leitenden Film gerichtet, wobei die Aktzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens etwa 1015 Akzeptoren/cm3 beträgt. Ein Substrat wird in eine Impulslaser-Abscheidungskammer geladen und gereinigt, um sicherzustellen, dass der Film eine verringerte Fehlstellenanzahl hat und richtig an dem Substrat haftet. Die Temperatur in der Abscheidungskammer wird dann auf einen Wert zwischen 300°C und 450°C erhöht. Anschließend wird auf dem Substrat ein p-leitender ZnO-Film mit einer Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3 dadurch gezüchtet, dass man einen Excimer-Laser auf einen gepressten ZnO-Pulverpellet richtet, das das p-Dotierungsmittel enthält. Schließlich wird auf dem p-leitenden Film ein n-leitender Film dadurch gezüchtet, dass man einen Excimer-Laserstrahl auf ein ein n-leitendes Dotierungsmittel enthaltenden, gepressten ZnO-Pellet richtet.
  • Die Erfindung des obigen zweiten Aspekts kann zur Bildung einer p-n-Übergangsschicht mit einem p-leitenden ZnO-Film und einem n-leitenden Film dienen, wobei die Akzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3 ist. Ein Substrat wird in eine Impulslaser-Abscheidungskammer geladen und gereinigt, um sicherzustellen, dass der Film eine verringerte Anzahl Fehlstellen hat und gut an dem Substrat haftet. Die Temperatur in der Abscheidungskammer wird dann auf einen Wert zwischen etwa 300°C und 450°C erhöht. Anschließend wird ein n-leitender Film auf dem Substrat dadurch gezüchtet, dass man einen Excimer-gepulsten Laserstrahl auf ein ein n-leitendes Dotierungselement enthaltendes gepresstes Pulverpellet richtet. Schließlich wird auf dem n-leitenden Film ein p-leitender ZnO-Film dadurch gezüchtet, dass man einen Excimer-gepulsten Laserstrahl auf ein gepresstes, ein p-leitendes Dotierungselement enthaltendes ZnO-Pulverpellet richtet zur Bildung eines p-leitenden ZnO-Films mit einer Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3.
  • Die Erfindung des obigen zweiten Aspekts ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer p-n-Übergangsschicht mit einem p-leitenden ZnO-Film und einem n-leitenden ZnO-Film auf einem p-dotierten Substrat gerichtet, wobei die Akzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens etwa 1015 Akzeptoren/cm3 ist. Das Verfahren umfasst die Einstellung der Temperatur in einer Impulslaser-Abscheidungskammer auf einen Wert zwischen etwa 300 und etwa 450°C und die Züchtung eines p-leitenden ZnO-Films auf dem Substrat dadurch, dass man einen Excimer-gepulsten Laserstrahl auf ein ein p-leitendes Dotierungsmittel enthaltendes gepresstes ZnO-Pulverpellet richtet und auf der Oberseite des p-leitenden Films einen n-leitenden Film züchtet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Impulslaser-Abscheidungssystems.
  • 2 sind Photolumineszenzspektren bei 20°K eines ZnO-Films und eines mit Arsen dotierten ZnO-Films, der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
  • 3 ist die Darstellung einer Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) eines erfindungsgemäß hergestellten, mit Arsen dotierten ZnO-Films.
  • 4 ist eine Abbildung der Atomkraftmikroskopie eines ZnSe-Films auf einem GaAs-Substrat, wobei das Substrat unter Benutzung des Reinigungsverfahrens der vorliegenden Erfindung gereinigt wurde.
  • 5 ist eine Abbildung der Atomkraftmikroskopie eines ZnSe-Films auf einem GaAs-Substrat, wobei das Substrat unter Benutzung eines thermischen Verfahrens gereinigt wurde.
  • 6 ist eine Tabelle, die verschiedene elektrische Eigenschaften eines mit Aluminium dotierten, n-leitenden ZnO-Films zeigt.
  • 7 ist eine Strom/Spannung-Messung an einem mit Aluminium dotierten ZnO-Film.
  • 8 ist eine Strom/Spannung-Messung an einem mit Arsen dotierten, p-leitenden ZnO-Film.
  • 9 ist eine Strom/Spannung-Messung an einer p-n-Übergangsschicht.
  • 10 ist ein schematisches Diagramm einer p-n-Übergangsschicht.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in der Zeichnung entsprechende Teile.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass ZnO-Filme mit hohen Gehalten p-leitender Dotierungsmittel auf Substraten unter Benutzung eines Impulslaserabscheidungsverfahrens alleine oder in Kombination mit einer Glühstufe gezüchtet werden können. Überraschenderweise ist der in dem ZnO-Film erreichte Gehalt des p-leitenden Dotierungsmittels ausreichend, dass der p-leitende Film zur Bildung von in elektrischen und elektrolumineszierenden Bauelementen brauchbaren p-n-Übergangsschichten zur Verwendung als Substratmaterial zur Gitterangleichung an Materialien in diesen Bauelementen und zur Verwendung als erwünschte Schicht zur Anbringung elektrischer Leitungen dienen kann.
  • In 1 ist nun ein schematisches Diagramm eines Impulslaser-Abscheidungssystems gezeigt. Dieses System ist eine Methode, die zur Züchtung von p-leitende Dotierungsmittel enthaltenden ZnO-Filmen auf geeigneten Substraten dienen kann. Andere Methoden der Züchtung p-leitende Dotierungsmittel enthaltender ZnO-Filme auf Substraten können die Molekularstrahlepitaxie (MBE), MBE in Verbindung mit Laserablation und chemische Dampfabscheidung (CVD) umfassen. Geeignete p-leitende Dotierungsmittel zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung umfassen Gruppe 1 (auch als IA bekannt, die Elemente wie Li, Na, K, Rb und Ca umfasst), Gruppe 11 (auch als IB bekannt, die Elemente wie Cu, Ag und Au umfasst), Gruppe 5 (auch als VB bekannt, die Elemente wie V, Nb und Ta umfasst) und Gruppe 15 (auch als VA benannt, die Elemente wie N, P, Sb, As und Bi umfasst), wobei Arsen bevorzugt wird.
  • Bezugnehmend wiederum auf 1 wird dort eine Fokussierungslinse 8 gezeigt, die einen Excimer-Laserstrahl 10 durch ein Laserfenster 6 in eine Impulslaser-Abscheidungskammer 2 richtet. Der Strahl 10 kann in Abhängigkeit von der gewünschten Bearbeitungsstufe auf eine Metallblende 4 oder eine Auftreffplatte 18 gerichtet sein. Der Strahl 10 trifft auf die Metallblende 4 oder erzeugt eine Ablationsfahne aus ZnO-Material von der Auftreffplatte 18 zu dem Substrat 12. Während des Prozesses des Wachsens der ZnO-Filme lässt das Gaseintrittsrohr 14 Gas 16 in die Kammer 2.
  • Vor der Züchtung des ZnO-Films auf dem Substrat sollte das Substrat zur Entfernung von Oberflächenverunreinigungen wie Sauerstoff und Kohlenstoff gereinigt werden, um die Anzahl der Fehlstellen in dem Film zu minimieren und eine maximale Haftung des Films an dem Substrat zu gewährleisten. Herkömmliche Substratreinigungsverfahren einschließlich chemische Nassbehandlungen, thermische Reinigung, Wasserstoffatom-Plasmabehandlungen oder ein Kombination daraus können angewendet werden, um die Substratoberfläche genügend zu reinigen. Ferner kann ein gepulster Excimerlaser wie etwa ein gepulster Argonfluorid-Excimerlaser zur Reinigung des Substrats in situ dienen.
  • Zur Reinigung des Substrats mit einem gepulsten Excimerlaser wird die Substrattemperatur in der Impulslaser-Abscheidungskammer 2 zunächst auf einen Wert zwischen 300°C und 600°C, bevorzugter zwischen 400°C und 500°C und insbesondere auf 450°C eingestellt, und die Kammer 2 wird mit einem Gas wie etwa Wasserstoff gefüllt, um einen Druck zwischen 66 Pa und 400 Pa (0,5 und 3 Torr), vorzugsweise zwischen 133 Pa und 267 Pa (1 bis 2 Torr) zu schaffen. Unter Bezugnahme wiederum auf 1 wird eine Metallblende 4, die zum Beispiel aus Eisen hergestellt sein kann, zwischen der Auftreffplatte 18 und dem Substrat 12 so eingesetzt, dass das Substrat etwa 3 bis etwa 6 cm vorzugsweise etwa 4 cm vor der Metallblende 4 angeordnet ist. Die Fokussierungslinse 8 wird aus dem System entfernt, und ein Excimerlaserstrahl 10, wie etwa ein Argonfluorid-Excimerlaserstrahl mit einer Stärke zwischen 20 und 70 mJ, vorzugsweise von 50 mJ und einer Impulsfrequenz von 10 bis 30 Hz, vorzugsweise 20 Hz, für einen Zeitraum zwischen 5 und 30 Minuten, vorzugsweise 10 Minuten in die Kammer 2 und auf die Metallblende 4 gerichtet.
  • Der Laserstrahl tritt während dieser Dauer der Beleuchtung der Metallblende mit der Metallblende in Wechselwirkung und schafft erregte Wasserstoffatome, Photoelektronen und Photonen, die Verunreinigungen von der Substratoberfläche wirksam entfernen. Durch Benutzung des gepulsten Excimerlasers kann die Substratoberfläche bei einer viel tieferen Temperatur als bei her kömmlichen Verfahren erforderlich wirksam gereinigt werden. Das Reinigungsverfahren mit gepulstem Excimerlaser kann wirksam dazu dienen, GaAs, GaN, Saphir und andere Substrate vor der Abscheidung von ZnO, ZnSe, GaN und anderen Filmen zu reinigen. Die 4 und 5 zeigen z. B. Atomkraftmikroskopie(AFM)-Abbildungen der Oberflächenmorphologie eines ZnSe-Films auf GaAs-Substraten. In 4 wurde das GaAs-Substrat vor der Abscheidung des ZnSe-Films unter Benutzung des oben beschriebenen Reinigungsverfahrens gereinigt. Der abgeschiedene ZnSe-Film hatte eine Dicke von etwa 0,5 Mikrometer und nur eine mittlere quadratische Abweichung der Oberflächenrauhigkeit von etwa 1,05 Nanometer. In 5 wurde das GaAs-Substrat vor der Abscheidung des ZnSe-Films durch einen thermischen Behandlungsprozess bei einer Substrattemperatur von 570°C gereinigt. Der abgeschiedene ZnSe-Film hatte eine Dicke von 0,5 Mikrometer und eine mittlere Standardabweichung der Oberflächenrauhigkeit von 6,65 Nanometer. Wie in den 4 und 5 angegeben, hinterlässt das Reinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine stark verbesserte gleichmäßige Oberfläche für das anschließende Filmwachstum.
  • Nach Beendigung der Beleuchtungszeit wird das Wasserstoffgas aus der Kammer 2 abgepumpt, und die Temperatur des Substrats wird zur Züchtung des ZnO-Films auf einen Wert zwischen 200°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 500°C und insbesondere zwischen 300°C und 450°C eingestellt.
  • Nachdem das Substrat gereinigt und die Temperatur in der Kammer eingestellt wurde, wird die Fokussierungslinse 8 wieder an Ort und Stelle gesetzt, die Metallblende 4 wird entfernt, und die Auftreffplatte wird eine Zeitdauer von 10 Minuten mit einem gepulsten Excimerlaser vorablatiert, der eine Stärke zwischen 20 und 70 mJ, vorzugsweise von 50 mJ und eine Impulsfrequenz zwischen 10 und 30 Hz, vorzugsweise von 20 Hz hat.
  • Nach Beendigung der Vorablatierung wird die Kammer 2 bis zu einem Druck zwischen 2,7 (20) und 5,3 Pa (40 mTorr), vorzugsweise 4,7 Pa (35 mTorr) mit Sauerstoff gefüllt. Der Laserstrahl 10 wird durch die Fokussierungslinse 8 und das Laserfenster 6 auf die Auftreffplatte 18 gerichtet, um eine Ablatierungsfahne aus ZnO-Material zu erzeugen, die auf dem Substrat 12 adsorbiert wird. Die Auftreffplatte 18 befindet sich zwischen 5 und 10 Zentimeter, vorzugsweise etwa 7 cm von dem Substrat 12 entfernt. Geeignete Auftreffplatten zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind polykristallines ZnO und ZnO-Pulverpellets, die ein Dotierungsmittel enthalten. Geeignete Substrate zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind Galliumarsenid, Saphir und ZnO. Der Laserstrahl 10 kann z. B. eine Stärke von 90 mJ und eine Frequenz von 20 Hz haben. Der Laserstrahl 10 wird für einen Zeitraum von 0,5 bis 4 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden auf die Auftreffplatte 18 gerichtet, um auf dem Substrat 12 einen zwischen 0,5 und 3 Mikrometer, vorzugsweise etwa 1 Mikromter dicken ZnO-Film zu züchten.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Auffänger 18 polykristallines ZnO, das Substrat 12 ist Galliumarsenid und das p-leitende Dotierungsmittel ist Arsen. Wenn das Wachstum des ZnO-Films auf dem Galliumarsenidsubstrat wie oben beschrieben bei einer Temperatur von wenigsten 400°C erfolgt, sind keine weiteren Verfahrensstufen nötig, und die ZnO-Schicht wird eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, vorzugsweise wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und insbesondere zwischen 1018 und 1021 Akzeptoren/cm3 enthalten, da während des Filmwachstums bei einer Temperatur von wenigstens 400°C Arsenatome aus dem Galliumarsenidsubstrat in den ZnO-Film wandern. Ferner wird der Film einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 1 Ohm-cm, vorzugsweise zwischen 1 und 10–4 Ohm-cm, und eine Hall-Beweglichkeit zwischen 0,1 und 50 cm2/Vs haben.
  • Wenn das Wachstum des ZnO-Films auf dem Galliumarsenidsubstrat unter 400°C erfolgt, ist eine weitere Verarbeitungsstufe (Glühung) erforderlich, um Arsen aus dem Substrat in den ZnO-Film diffundieren zu lassen. Diese Glühstufe besteht in der Einstellung der Temperatur des Substrats in der Kammer 2 auf einen Wert zwischen 450°C und 600°C, vorzugsweise auf 500°C, und in der Befüllung der Kammer 2 mit einem Gas wie etwa Sauerstoff bei einem Druck zwischen 66 Pa und 533 Pa (0,5 und 4 Torr), vorzugsweise 133 Pa bis 267 Pa (1 bis 2 Torr). Das Galliumarsenidsub strat wird für eine Zeitdauer zwischen 10 und 60 Minuten, vorzugsweise 20 bis 30 Minuten geglüht, um in dem ZnO-Film eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, vorzugsweise wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und insbesondere zwischen 1018 Akzeptoren/cm3 und etwa 1021 Akzeptoren/cm3 aus dem Substrat 12 zu erzeugen.
  • Wenn man bei einer bevorzugten Ausführungsform Arsendotierungsmittel aus einem GaAs-Substrat in einen ZnO-Film diffundieren lässt, werden ohne Festlegung auf eine besondere Theorie hervorragende Ergebnisse im Wesentlichen aufgrund der Tatsache erreicht, dass das Substrat selbst die elementare Quelle des gleitenden Dotierungsmittels ist. Die elementare Quelle des gleitenden Dotierungsmittels ist daher in enger Berührung mit dem Film, was die Diffusion in wirksamerer Weise und in einem höheren Maße im Vergleich zu Verfahren erleichtert, bei denen das Substrat nicht die Dotierungsmittelquelle ist. Dass die Dotierungsmittelquelle das Substrat ist, erleichtert bei dieser besonderen Ausführungsform die Erreichung der hier beschriebenen Verbesserungen bei der Akzeptor-Gesamtkonzentration, dem spezifischen Widerstand und der Hall-Beweglichkeit. Das hier beschriebene Reinigungsverfahren, das bei den bevorzugten Filmzüchtungs- und Glühverfahren angewendet wird, reinigt die GaAs-Oberfläche zur Entfernung von Verunreinigungen, wie Kohlenstoff und Sauerstoff außerordentlich gut, ohne dass die Kristallstruktur geschädigt wird. Die saubere, ungeschädigte Oberfläche erlaubt das Wachstum des ZnO-Films mit verbesserter Kristallausrichtung und einer verminderten Fehlstellenzahl. Dieses Reinigungsverfahren erleichtert daher die Arsendiffusion wirksamer und in einem größeren Maße, was zu Verbesserungen bei strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften führt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform können ZnO-Filme, die gleitende Dotierungsmittel wie Arsen oder n-leitende Dotierungsmittel wie Aluminium enthalten, auf Substraten wie ZnO, GaAs, GaN und Saphir unter Benutzung eines Verfahrens gezüchtet werden, bei dem ein Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes ZnO-Pulverpellet gerichtet wird, während gleichzeitig ein mole kularer Arsen- oder Aluminiumstrahl aus einer thermischen Verdampfungsquelle oder einem Arsen oder Aluminium enthaltenden Gas auf den wachsenden ZnO-Film gerichtet wird. Das Substrat wird auf eine Temperatur zwischen 200°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 300°C und 450°C gehalten und mit Sauerstoff von einem Druck von 2,67 Pa und 5,34 Pa (20 mTorr und 40 mTorr) befüllt. Wie oben beschrieben kann auf dem ZnO-Auffänger eine Vorablatierungsstufe zur Anwendung kommen. Die Kombination des erforderlichen Molekularstrahlflusses und der Zeitdauer, in der der das Dotierungsmittel enthaltende Molekularstrahl auf das Substrat gerichtet werden muss, ist zur Erreichung einer Akzeptor- oder Donatorgesamtkonzentration von wenigstens etwa 1015/cm3, bevorzuger wenigstens 1016/cm3, noch bevorzugter wenigstens 1017/cm3 und noch bevorzugter zwischen 1018/cm3 und 1021/cm3 ausreichend.
  • Bei einer weiteren anderen Ausführungsform können ZnO-Filme, die ein p-leitendes Dotierungsmittel wie Arsen enthalten, auf einem Substrat unter Benutzung gepresster ZnO-Pulverpellets mit einem Gehalt eines p-leitenden Dotierungsmittels gebildet werden, das in der Impulslaser-Abscheidungskammer als Auffänger dient. Dieses Verfahren erfordert keine Wanderung des Dotierungsmittels aus dem Substrat in den Film.
  • Ein ZnO-Film wird auf einem geeigneten Substrat nach der oben beschriebenen Impulslaser-Abscheidungsmethode gezüchtet mit der Ausnahme, dass der Auffänger ein gepresstes ZnO-Pulverpellet ist, das eine kleine Menge elementaren, p-leitenden Dotierungsmittels enthält. Die Menge des Dotierungsmittels wie Arsen, die in dem Pulverpellet zur Erreichung eines Akzeptor-Gesamtkonzentrationswertes von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, vorzugsweise wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und noch bevorzugter zwischen etwa 1018 Akzeptoren/cm3 und 1021 Akzeptoren/cm3 erforderlich ist, wird bestimmt durch Messung der Menge des Dotierungsmittels in dem ZnO-Film und Einstellung des Dotierungsmittelgehalts in dem pulverisierten Pellet, bis die Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, vorzugsweise wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, noch bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und insbesondere zwischen 1018 Akzeptoren/cm3 und etwa 1021 Akzepto ren/cm3 erreicht ist. Beispielsweise kann die Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) zur Bestimmung der Menge des Dotierungsmittels in dem ZnO-Film dienen. Ferner können Hall-Messungen in Kombination mit Messungen des elektrischen spezifischen Widerstands benutzt werden, um zu bestimmen, ob der ZnO-Film p-leitend oder n-leitend ist, und um die Konzentration der p-leitenden oder n-leitenden Träger in dem ZnO-Film, die Hall-Beweglichkeit der Träger und den elektrischen spezifischen Widerstand des ZnO-Films zu bestimmen. Ein Fachmann wird erkennen, dass die in dem pulverisierten Pellet erforderliche Menge Dotierungsmittel von zahlreichen Faktoren abhängen kann einschließlich der Arbeitsbedingungen, der Abstände von dem Auffänger zu dem Substrat, der Größe und Gestalt der Kammer sowie anderen Variablen während des Wachstums.
  • Die Konzentration des p-leitenden Dotierungsmittels kann in dem p-leitenden Film dadurch variiert werden, dass man mehr als einen Auffänger einsetzt und während des Wachstums die Auffängerquelle auswählt, die in dem ZnO-Film die gewünschten Akzeptor-Konzentrationen liefert. Diese Variationen können wünschenswert sein, um Oberflächen vorzubereiten, auf denen elektrische Leitungen angebracht werden können, die erwünschte elektrische Eigenschaften haben.
  • Erfindungsgemäß können auf geeigneten Substraten wie Galliumarsenid, Saphir und ZnO homoepitaxiale und heteroepitaxiale p-n-Übergangsschichten gebildet werden, die p-leitend dotierte ZnO-Filme enthalten. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Bezeichnungen „homoepitaxial" und „heteroepitaxial" üblicherweise in der Technik austauschbar mit „homostrukturell" bzw. „heterostrukturell" benutzt werden. Die Bezeichnung „homostrukturell" wird im Allgemeinen bei Bezugnahme auf Strukturen benutzt, in denen die Materialien das gleiche verbotene Energieband haben, und „heterostrukturell" wird im Allgemeinen bei Bezugnahme auf Strukturen benutzt, in denen die Materialien unterschiedliche verbotene Energiebänder haben.
  • Die Substrate können mit einem p-leitenden Dotierungsmittel dotiert sein, um einen elektrischen Kontakt mit einer auf dem Substrat gebildeten p-n-Übergangsschicht zu schaffen. Dem Fach mann ist geläufig, dass auch ein undotiertes Substrat benutzt werden könnte, um auf dem undotierten Substrat eine p-n-Übergangsschicht zu züchten. Wenn das Substrat mit einem p-leitenden Dotierungsmittel wie Zink dotiert wird, wird die p-leitende Schicht auf dem p-leitenden Substrat abgeschieden und zum Schluss wird die n-leitende Schicht auf der p-leitenden Schicht abgeschieden. In ähnlicher Weise wird bei n-leitend dotiertem Substrat die n-leitende Schicht zuerst abgeschieden und dann die p-leitende Schicht. Diese Ausgestaltungen vermeiden eine Bildung einer p-n-Übergangsschicht zwischen dem Substrat und der zuerst abgeschiedenen Schicht. Die Substrate sind im Allgemeinen mit einem p- oder n-leitenden Dotierungsmittel dotiert, um wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, noch bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und insbesondere zwischen 1018 und 1021 Akzeptoren/cm3 zu schaffen.
  • Dem Fachmann ist wiederum bekannt, dass bei Verwendung eines undotierten Substrats auf dem Substrat zuerst der p-leitende oder n-leitende Film gezüchtet werden kann.
  • Zur Herstellung einer homoepitaxialen p-n-Übergangsschicht wird zuerst auf dem Substrat eine p-leitende ZnO-Schicht gezüchtet, wobei ein gepresstes ZnO-Pulverpellet mit einem p-leitenden Dotierungsmittel wie Arsen gemäß obiger Beschreibung benutzt wird, um eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3, noch bevorzugter wenigstens 1017 Akzeptoren/cm3 und insbesondere zwischen 1018 Akzeptoren/cm3 und 1021 Akzeptoren/cm3 zu erhalten. Die Konzentration des p-leitenden Dotierungsmittels kann über den p-leitenden Film dadurch variiert werden, dass man mehr als einen Auffänger benutzt und während des Wachstums die Auffängerquelle auswählt, die die gewünschte Akzeptor-Trägerkonzentration in dem ZnO-Film ergibt. Diese Variationen können erwünscht sein, um Oberflächen vorzubereiten, auf denen elektrische Leitungen mit erwünschten elektrischen Eigenschaften angebracht werden können.
  • Zur Vervollständigung der homoepitaxialen p-n-Übergangsschicht wird auf der Oberseite des p-leitenden ZnO- Films auf der Oberseite des Substrats ein n-leitender ZnO-Film gezüchtet. Der n-leitende ZnO-Film wird auf dem p-leitenden ZnO-Film unter Benutzung eines gepressten ZnO-Pulverpellets gezüchtet, das ein n-leitendes Dotierungsmittel wie Aluminium, Gallium oder Indium gemäß obiger Beschreibung enthält, um einen n-leitenden Film mit einer Donator-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Donatoren/cm3, bevorzugter wenigstens 1016 Donatoren/cm3, noch bevorzugter wenigstens 1017 Donatoren/cm3 und insbesondere zwischen 1016 Donatoren/cm3 und etwa 1021 Donatoren/cm3 zu ergeben. Wie bei dem p-leitenden Film kann der Konzentrationswert der n-leitenden Träger durch Benutzung von mehr als einem Auffänger über den Film variiert werden.
  • Eine heteroepitaxiale p-n-Übergangsschicht kann ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Zur Bildung einer heteroepitaxialen p-n-Übergangsschicht wird ein gleitender ZnO-Film wie oben beschrieben auf einem geeigneten Substrat gezüchtet, und auf dem p-leitenden ZnO-Film wird ein ein n-leitendes Dotierungsmittel enthaltender Film gezüchtet. Bei einer heteroepitaxialen p-n-Übergangsschicht sind die Werte der Bandlückenenergie des p-leitenden Films und des n-leitenden Films unterschiedlich. Der n-leitende Film kann aus einem Material auf ZnO-Basis bestehen, für den sich der Wert der Bandlückenenergie durch Zusatz geeigneter Elemente geändert hat, oder der n-leitende Film kann ein anderes Material wie Zinkselenid oder Galliumnitrit sein.
  • Die Verwendung erfindungsgemäß hergestellter, heteroepitaxialer p-n-Übergangsschichten ergibt weitere Materialien für die Herstellung von p-n-Übergangsschichten und -Bauelementen, um so einen erweiterten Bereich von Bandlückenenergien, vergrößerten optischen Abstimmungsbereichen, verlängerter Lebensdauer des Bauelements, erwünschteren Verarbeitungsparametern und -bedingungen sowie andere Vorteile zu erreichen, die für den Fachmann ersichtlich sind.
  • Dem Fachmann ist bekannt, dass ähnlich der Herstellung von ZnO-Filmen auf einem Substrat die Herstellung homoepitaxialer und heteroepitaxialer p-n-Übergangsschichten nach weiteren Verfahren anstelle gepulster Laserabscheidung durchgeführt werden kann. Andere Verfahren sind MBE, MBE mit Laserablation, CVD und MOCVD. Es ist auch ersichtlich, dass Bauelemente mit einer komplizierteren Struktur, wie n-p-n-Transistoren, p-n-p-Transistoren, FETs, Photodetektoren, Gitterangleichungsschichten und Schichten, auf denen elektrische Leitungen angebracht werden können, unter Benutzung der oben beschriebenen Technik und Verfahren leicht fabrikmäßig hergestellt werden können.
  • Nach der vorliegenden Erfindung kann p-leitendes ZnO-Material als Substratmaterial zur Verringerung oder Ausschaltung von mit Gitterfehlanpassung verbundenen Problemen verwendet werden. P-leitendes ZnO-Material, das eine genügend hohe Akzeptor-Gesamtkonzentration und einen niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand hat, kann auf Bauelementen zur Bildung elektrischer Kontakte mit gewünschten Eigenschaften eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eine p-leitende ZnO-Matrixschicht auf Zweikomponenten-Halbleitersubstraten wie GaAs synthetisch hergestellt werden. Diese Matrix würde eine Übergangsschicht zum Züchten epitaxialer Materialien auf GaN-Basis mit einer geringeren Fehlstellendichte ergeben als sie in GaN-Filmen auftreten würde, die direkt GaAs gezüchtet wurden.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch das folgende Beispiel erläutert, das nur zum Zwecke der Erläuterung dient und nicht als Beschränkung des Umfangs oder der praktischen Ausführungsweise der Erfindung angesehen werden darf.
  • Beispiel 1
  • In diesem Beispiel wurde ein ZnO-Film auf einem in Galliumarsenidsubstrat synthetisch hergestellt und das Substrat mit Film wurde zur Diffusion von p-leitendem Arsendotierungsmittel aus dem Substrat in den Film geglüht, um auf einem Galliumarsenidsubstrat einen p-leitenden ZnO-Film herzustellen.
  • Ein Galliumarsenid-Substrat in Gestalt eines dünnen Plättchens von 1 Zentimeter × 1 Zentimeter × 0,05 Zentimeter wurde in eine Impulslaser-Abscheidungskammer eingesetzt, die Temperatur des Substrats auf 450°C eingestellt und die Kammer bis auf einen Druck von 266 Pa (2 Torr) mit Wasserstoff hoher Reinheit gefüllt. Eine Eisenblende wurde vor dem Galliumarsenidsubstrat eingesetzt, um zwischen dem Substrat und der Blende einen Trenn abstand von 4 cm zu schaffen. Ein Argonfluorid-Excimer-Impulslaserstrahl mit einer Intensität von 50 mJ und einer Wiederholungsfrequenz von 20 Hz wurde durch ein Laserfenster auf die Metallblende gerichtet, und die Blende wurde 20 Minuten beleuchtet, um das Substrat zu reinigen. Anschließend wurde der Wasserstoff aus der Kammer abgepumpt, und die Substrattemperatur wurde auf 300°C gesenkt.
  • Nach der Reinigung des Substrats wurde die Metallblende entfernt, und vor dem Laserfenster wurde eine Fokussierungslinse eingesetzt, um den Laserstrahl zu fokussieren. Der polykristalline ZnO-Auffänger wurde mit dem Excimer-Impulslaserstrahl vorablatiert, der eine Zeitdauer von 10 Minuten mit einer Stärke von 50 mJ und einer Wiederholfrequenz von 20 Hz arbeitete. Dann wurde Sauerstoffgas hoher Reinheit in die Kammer eingeführt, um einen Druck von 4,67 Pa (35 mTorr) zu schaffen.
  • Der mit einer Stärke von 90 mJ und einer Wiederholfrequenz von 20 Hz arbeitende Excimer-Impulslaserstrahl wurde dann für eine Zeitspanne von 2 Stunden auf das polykristalline ZnO gerichtet, um auf dem Substrat einen ZnO-Film mit einer Dicke von etwa 1,0 Mikrometer zu züchten.
  • Nach der Züchtung des Films wurde der Sauerstoffgasdruck in der Kammer auf 266 Pa (2 Torr) eingestellt, und die Temperatur des Substrats wurde auf 500°C gesteigert. Zur Diffusion von Arsenatomen aus dem Substrat in dem ZnO-Film wurde das Film/Substrat 30 Minuten geglüht. Die Glühung ergab auf dem Galliumarsenidsubstrat einen mit Arsen dotierten, p-leitenden ZnO-Film.
  • 2 zeigt Photolumineszenzspektren bei 20°C K des ZnO-Films (ausgezogene Linie) und des in diesem Beispiel hergestellten, mit Arsen dotierten ZnO-Films (Punkte). Die Pumperregung ist von einem gepulsten Stickstofflaser mit einer Leistungsdichte von 128 kW/cm2. Die Spektren zeigen, dass die donatorgebundenen, excitonischen Maxima bei 3,36 eV (3698 Ångstrom) für den ZnO-Film dominierend sind. Der mit Arsen dotierte ZnO-Film der vorliegenden Erfindung zeigt jedoch, dass das Akzeptorgebundene excitonische Maximum bei etwa 3,32 eV (3742 Ångstrom) das stärkste Maximum ist. Dieses Merkmal Akzeptorgebundener excito nischer Maxima zeigt, dass die Akzeptordichte bei Arsendotierung erheblich verstärkt ist und der ZnO-Film p-leitend wird.
  • 3 zeigt eine Sekundärionen-Massenspektroskopieaufnahme (SIMS) des in diesem Beispiel hergestellten, mit Arsen dotierten ZnO-Films. Die Darstellung zeigt die Konzentration in Arsenatomen/cm3 als Funktion der Tiefe von der Oberfläche des mit Arsen dotierten ZnO-Films. Diese Darstellung zeigt, dass die Arsenkonzentration durch den Film hindurch 1018 Atome/cm3 bis 1021 Atome/cm3 beträgt.
  • Beispiel 2
  • In diesem Beispiel wurde eine p-n-Übergangsschicht, etwa die in 10 gezeigte p-n-Übergangsschicht unter Benutzung von p-leitenden und n-leitenden ZnO-Material auf einem mit Zink dotierten Galliumarsenidsubstrat synthetisch hergestellt. Die elektrischen Eigenschaften der p-n-Übergangsschicht wurden gemessen, und elektrische Daten wurden zusammengestellt, um zu zeigen, dass das hergestellte Bauelement das Verhalten einer p-n-Übergangsschicht zeigt.
  • Ein mit Zink dotiertes (0001) Galliumarsenidsubstrat in Gestalt eines dünnen Plättchens von etwa 1 Zentimeter × etwa 1 Zentimeter × etwa 0,05 Zentimeter wurde in eine Impulslaser-Abscheidungskammer eingesetzt. Die Temperatur wurde zur Reinigung des Substrats auf 450°C eingestellt, und die Kammer wurde mit Wasserstoffgas hoher Reinheit gefüllt, um einen Druck von 267 Pa (2 Torr) zu schaffen. Vor dem Galliumarsenidsubstrat wurde eine Eisenblende eingesetzt, um zwischen dem Substrat und der Blende einen Trennabstand von 4 cm zu schaffen. Ein Argonfluorid-Excimer-Impulslaserstrahl mit einer Stärke von 50 mJ und einer Wiederholungsfrequenz von 20 Hz wurde durch ein Laserfenster (in Abwesenheit einer Fokussierungslinse) auf die Metallblende gerichtet, und die Blende wurde zur Reinigung des Substrats etwa 20 Minuten beleuchtet. Anschließend wurde der Wasserstoff aus der Kammer abgepumpt, und die Temperatur in der Kammer wurde in Vorbereitung auf das Filmwachstum auf 400°C abgesenkt.
  • Nach der Reinigung des Substrats wurde vor dem Laserfenster eine Fokussierungslinse eingesetzt, um den Laserstrahl auf den polykristallinen ZnO-Auffänger zu fokussieren. Der polykristalline ZnO-Auffänger wurde mit dem Excimer-Impulslaserstrahl vorablatiert, der für einen Zeitraum von 10 Minuten in einer Stärke von 50 mJ und mit einer Wiederholfrequenz von 20 Hz arbeitete. Die Metallblende befand sich zwischen dem Auffänger und dem Substrat, um das Substrat während der Vorablatierung gegen Verunreinigung zu schützen. Nach Beendigung der Vorablatierung wurde die Metallblende entfernt, und Sauerstoff hoher Reinheit wurde als Umgebungsgas eingeführt, um während des Wachstums des gleitenden Films einen Druck von 5,3 Pa (40 mTorr) zu schaffen.
  • Der mit einer Stärke von 90 mJ und einer Wiederholfrequenz von etwa 20 Hz arbeitende Excimer-Impulslaserstrahl wurde dann 2 Stunden auf das polykristalline ZnO gerichtet, um auf dem Substrat einen ZnO-Film in einer Dicke von etwa 1,5 Mikrometer zu züchten. Der Trennabstand zwischen dem Substrat und dem Auffänger war 7 cm. Nach Abschaltung des Laserstrahl wurde die Substrattemperatur auf 450°C eingestellt und 20 Minuten unter einem Umgebungsgasdruck von 5,3 Pa (40 mTorr) gehalten. Schließlich wurde die Temperatur auf 350°C abgesenkt, und die Massnahmen zum Züchten der n-leitenden Schicht wurden in die Wege geleitet.
  • Zur Züchtung der n-leitenden Schicht auf der p-leitenden Schicht wurde der Auffänger durch ein Gemisch aus ZnO und Aluminiumoxid (Al2O3) ersetzt, in dem das Al2O3 zwei Atomgewichtsprozent betrug. Die Metallblende wurde zwischen dem Auffänger und dem Substrat angeordnet, die Substrattemperatur auf 350°C eingestellt und der Sauerstoffdruck auf 5,33 Pa (40 mTorr) eingestellt. Der Laser arbeitete mit einer Stärke von 50 mJ und einer Wiederholfrequenz von 20 Hz. Der Auffänger wurde für eine Zeitdauer von 20 Minuten vorablatiert.
  • Nach der Vorablatierung wurde die Metallblende entfernt, und der Laserstrahl wurde bei einer Wiederholfrequenz von 20 Hz auf eine Stärke von 90 mJ eingestellt und für einen Zeitraum von 2 Stunden auf den Gemischauffänger fokussiert, um einen Film mit einer Dicke von 1,5 Mikrometer zu züchten. Der Abstand zwischen dem Auffänger und dem Substrat war etwa 7 cm. Nach der Züchtung wurde der Laserstrahl abgeschaltet und das Substrat mit der gleitenden und n-leitenden Schicht auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • 6 zeigt elektrische Eigenschaften einer n-leitenden Schicht eines mit Aluminium dotierten ZnO-Films, der auf einem undotierten GaAs-Substrat nach dem gleichen Verfahren gezüchtet wurde, das in Beispiel 2 für die Züchtung der n-leitenden ZnO-Schicht beschrieben wurde. Die Daten sind bei einer Temperatur von 290 Kelvin über einen Magnetfeldstärkenbereich von 1001 Gauss bis 5004 Gauss angegeben. Die Werte des Hall-Koeffizienten sind über den gesamten Gaussbereich negative Werte, die anzeigen, dass die Ladungsträger-Gesamtkonzentration negativ ist und das Material n-leitend ist. Die Werte des spezifischen Widerstands sind gering und zeigen an, dass der n-leitende Film für den Einsatz bei der Herstellung elektrischer Bauelemente ausreichende elektrische Leitfähigkeitseigenschaften hat. Die Werte der Ladungsträgerdichte sind negativ und zeigen an, dass der Film n-leitend ist. Diese Werte liegen auch über 1018 cm–3 und geben an, dass die Ladungsträgerkonzentration für den Einsatz in elektrischen Bauelementen ausreichend ist. Schließlich sind alle Beweglichkeitswerte negativ und nahe dem Wert von 1 cm2/Volt-sec und sie geben an, dass der Film n-leitend ist und für die Herstellung elektrischer Bauelemente ausreichende Eigenschaften der Ladungsträgerbeweglichkeit hat.
  • 7 zeigt eine Strom-Spannungsmessung an dem mit Aluminium dotierten ZnO-Film. 7 zeigt, dass der elektrische Strom gegen angelegte Spannung sich von etwa –8 Volt bis etwa +8 Volt (zentriert um Null) einer geraden Linie annähert, die zeigt, dass die elektrische Eigenschaft die eines Ohmschen Materials und nicht eines p-n-Übergangsschicht-Bauelements ist, das eine gleichrichtende Eigenschaft zeigen würde.
  • 8 zeigt eine Strom-Spannung-Messung an einem mit Arsen dotierten ZnO-Film, der nach dem gleichen Verfahren, wie es in Beispiel 1 für die Züchtung der p-leitenden ZnO-Schicht beschrieben wurde, auf einem mit Zink dotierten GaAs-Substrat gezüchtet wurde. 8 zeigt, dass der elektrische Strom gegen angelegte Spannung sich von etwa –0,6 Volt bis +0,6 Volt (zentriert um Null) einer geraden Linie annähert, was zeigt, dass das elektrische Verhalten das eines Ohmschen Materials und nicht eines Bauelements mit p-n-Übergangsschicht ist. Dem Fachmann wird erkennbar sein, dass es für ein p-leitendes Material in Kontakt mit p-leitendem Material ausreicht, zur Demonstration des Ohmschen Verhaltens Strom gegen angelegte Spannung in einem eingeschränkteren Bereich zu messen.
  • 9 zeigt eine Strom-Spannung-Messung an der gesamten p-n-Übergangsschicht des Beispiels 2. Die Tatsache, dass der elektrische Strom gegen angelegte Spannung bei diesem Bauelement für höhere angelegte Spannungen von mehr als +1 Volt über eine gerade Linie ansteigt, und die Tatsache, dass der elektrische Strom gegen angelegte Spannung sich für angelegte Spannungen bis –2 Volt einer geraden Linie annähert, zeigen, dass das elektrische Verhalten des Bauelements nicht das Verhalten eines Ohmschen Materials, sondern das eines gleichrichtenden Bauelements und einer p-n-Übergangsschicht ist.
  • Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ersichtlich, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erreicht werden.
  • Da an dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung p-leitender ZnO-Filme verschiedene Änderungen vorgenommen werden könnten, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, soll die gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene Materie als beispielhaft und nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden.

Claims (25)

  1. ZnO-Film auf einem Substrat, der ein p-leitendes Dotierungsmittel enthält und eine Akzeptor-Gesamtkonzentration von wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3, einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 1 ohm-cm und eine Hall-Beweglichkeit zwischen 0,1 und 50 cm2/Vs hat.
  2. Film nach Anspruch 1, bei dem die Akzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens etwa 1016 Akzeptoren/cm3 beträgt, der spezifische Widerstand zwischen 1 ohm-cm und 10–4 ohm-cm liegt und die Hall-Beweglichkeit zwischen 0,1 und 50 cm2/Vs beträgt.
  3. Film nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Akzeptor-Gesamtkonzentration zwischen 1018 Akzeptoren/cm3 und 1021 Akzeptoren/cm3 ist, der spezifische Widerstand zwischen 1 ohm-cm und 10–4 ohm-cm ist und die Hall-Beweglichkeit zwischen 0,1 und 50 cm2/Vs ist.
  4. Film nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der p-leitende ZnO-Film eine Dicke zwischen 0,5 und 3 Mikrometer hat.
  5. Film nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das p-leitende Dotierungsmittel unter Elementen der Gruppen 1, 11, 5 und 15 ausgewählt ist.
  6. Film nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das p-leitende Dotierungsmittel Arsen ist.
  7. Film nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Substrat GaAs ist.
  8. Film nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Film eingebaut ist in eine p-n-Übergangsschicht, einen Feldeffekttransistor, eine Licht emittierende Diode, eine Laserdiode, eine Photodetektordiode oder ein Bauteil als Substratmaterial zur Gitteranpassung an Materialien in dem Bauteil.
  9. Verfahren zum Züchten eines p-leitenden ZnO-Films auf einem Substrat, bei dem man das Substrat reinigt, in einer Impulslaser-Abscheidungskammer die Temperatur zwischen 200°C und 1000°C einstellt und auf dem Substrat einen p-leitenden ZnO-Film dadurch züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein p-leitendes Dotierungsmittel enthaltendes ZnO-Pulverpellet richtet, um auf dem Substrat einen wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3 enthaltenden, p-leitenden ZnO-Film zu züchten.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Temperatur in der Impulslaser-Abscheidungskammer zwischen 300 °C und 450°C eingestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem das Substrat in der Impulslaser-Abscheidungskammer unter Benutzung eines Excimer-Impulslasers gereinigt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der p-leitende ZnO-Film auf dem Substrat der ZnO-Film auf einem Substrat eines der Ansprüche 1 bis 8 ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der p-leitende ZnO-Film Arsen auf einem GaAs-Substrat enthält, bei dem man das GaAs-Substrat reinigt, die Temperatur des Substrats in der Impulslaser-Abscheidungskammer auf zwischen etwa 300°C und etwa 450°C einstellt, einen polykristallinen ZnO-Kristall vorablatiert, einen Excimer-Impulslaserstrahl auf den polykristallinen ZnO-Kristall anstatt auf den gepressten ZnO-Pulverpellet richtet, um auf dem GaAs-Substrat einen Film zu züchten, die Temperatur des Substrats in der Impulslaser-Abscheidungskammer auf zwischen 450°C und 600°C erhöht und das ZnO-beschichtete GaAs-Substrat zur Diffusion von wenigstens 1 × 1015 Akzeptoren/cm3 aus dem GaAs in den ZnO-Film glüht, um einen Arsen-dotierten ZnO-Film zu bilden.
  14. Verfahren zur Herstellung einer p-n-Übergangsschicht mit einem p-leitenden ZnO-Film und einem n-leitenden Film, wobei die Akzeptor-Cesamtkonzentration wenigstens etwa 1015 Akzeptoren/cm3 beträgt, bei dem man auf einem Substrat einen p-leitenden ZnO-Film nach einem der Ansprüche 9 bis 13 züchtet und auf der Oberseite des p-leitenden ZnO-Films einen n-leitenden Film dadurch züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein n-leitendes Dotierungselement enthaltendes Pulverpellet richtet, um auf dem p-leitenden ZnO-Film auf dem Substrat einen n-leitenden Film zu züchten.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein n-leitender Film zwischen dem p-leitenden ZnO-Film und dem Substrat angeordnet ist und die Akzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3 beträgt, bei dem man auf der Oberseite des Substrats einen n-leitenden Film dadurch züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein n-leitendes Dotierungselement enthaltendes Pulverpellet richtet, um auf dem Substrat einen n-leitenden Film zu züchten und auf dem n-leitenden Film einen p-leitenden ZnO-Film dadurch züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein p-leitendes Dotierungselement enthaltendes ZnO-Pulverpellet richtet, um auf dem n-leitenden Film einen p-leitenden ZnO-Film zu züchten, der wenigstens 1018 Akzeptoren/cm3 enthält.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Substrat in der Impulslaser-Abscheidungskammer unter Benutzung eines Excimer-Impulslasers gereinigt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem die Akzeptor-Gesamtkonzentration wenigstens 1016 Akzeptoren/cm3 beträgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem der n-leitende Film eine Dicke zwischen 0,5 und 3 Mikrometer hat und der p-leitende Film eine Dicke zwischen 0,5 und 3 Mikrometer hat.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem das p-leitende Dotierungselement Arsen ist und das n-leitende Dotierungselement Aluminium ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein n-leitender ZnO-Film auf einem p-leitend dotierten Substrat angeordnet ist und die Akzeptor-Gesamtkonzentration des Substrats und eines p-leitenden ZnO-Films wenigstens 1015 Akzeptoren/cm3 ist, bei dem man einen p-leitenden ZnO-Film auf dem p-leitend dotierten Substrat dadurch züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein p-leitendes Dotierungselement enthaltendes ZnO-Pulverpellet richtet, um auf dem p-leitend dotierten Substrat einen wenigstens etwa 1015 Akzeptoren/cm3 enthaltenden p-leitenden ZnO-Film zu züchten und auf der Oberseite des p-leitenden ZnO-Films dadurch einen n-leitenden Film züchtet, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes, ein n-leitendes Dotierungselement enthaltendes Pulverpellet richtet, um auf dem p-leitenden ZnO-Film auf dem p-leitenden Substrat einen n-leitenden Film zu züchten.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Substrat vor dem Züchten des p-leitenden und des n-leitenden Films gereinigt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 10 oder 21, bei dem das p-leitende Dotierungselement des Films Arsen ist, das n-leitende Dotierungselement Aluminium ist, das Substrat GaAs ist und das p-leitende Dotierungselement des Substrats Zink ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei dem die p-n-Übergangsschicht eine homoepitaxiale p-n-Übergangsschicht ist, bei der der p-leitende Film aus Arsen und ZnO besteht und der n-leitende Film aus einem n-leitenden Dotierungselement und ZnO besteht.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der n-leitende Film ein n-leitendes Dotierungselement enthält und einen Energiebandabstand hat, der von dem des ZnO verschieden ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem die Temperatur des Substrats in der Laser-Abscheidungskammer zwischen 400°C und 450°C eingestellt wird und der p-leitende ZnO-Film dadurch auf dem p-leitend dotierten Substrat gezüchtet wird, daß man einen Excimer-Impulslaserstrahl auf ein gepresstes ZnO-Pulverpellet richtet.
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