DE10319972A1

DE10319972A1 - Verfahren zur Herstellung von Gruppe-II-Oxid Schichten und Gruppe-II Oxid Bauelementen mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung

Info

Publication number: DE10319972A1
Application number: DE10319972A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr.rer.nat. Dadgar; Alois Prof. Dr.rer.nat. habil. Krost
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: DADGAR, ARMIN, DR., 10555 BERLIN, DE; KROST, ALOIS, PROF. DR., 13587 BERLIN, DE
Priority date: 2003-05-03
Filing date: 2003-05-03
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-04
Also published as: DE10319972B4

Abstract

Die Abscheidung von Gruppe-II-O Halbleitern bei erhöhten Temperaturen mit Precursoren, wie z. B. N¶2¶O, NO, NO¶2¶, CO oder CO¶2¶, führt häufig zu rauhen, nicht vollständig geschlossenen Oberflächen. Durch das Zugeben von z. B. Alkoholen oder Wasser lässt sich hingegen eine gute Kristallqualität und Morphologie erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gruppe-II-Oxid Schichten und Gruppe-II-Oxid Bauelementen mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung. Im weiteren Text werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
Abkürzungen

Zn Zink
Mg Magnesium
Cd Cadmium
Al Aluminium
Ga Gallium
In Indium
Gruppe-II Elemente aus der II. Haupt oder Nebengruppe
O Sauerstoff
C Kohlenstoff
N Stickstoff
H Wasserstoff
GaN Gallium-Nitrid
R ein anorganischer oder organischer Rest
MOCVD Metallorganische Gasphasenepitaxie, auch MOVPE genannt
MBE Molecular Beam Epitaxie; hier sind auch alle verwandten Methoden
wie MO-MBE oder GS-MBE eingeschlossen
VPE Vapor Phase Epitaxie, zum Teil auch als HVPE oder CVD bekannt
LED Light emitting diode (Lichtemittierende Diode)

Das epitaktische Wachstum von Gruppe-II-O Halbleitern wie z.B. ZnO, CdO oder MgO auf Homo- oder Heterosubstraten wird derzeit intensiv erforscht, seitdem es gelungen sein soll, p-Typ Dotierung zu erzielen [z. B.: Eagle-Picher press release, EAGLE-PICHER Demonstrated p-Type Doping in ZnO, http://www.tech.epcorp.com/news/010702.htm, 7. Januar 2002; oder auch D. C. Look, et. al, Characterization of homoepitaxial p-type ZnO grown by molecular beam epitaxy, Applied Physics Letters 81, 1830 (2002)]. Mit der erfolgreichen p-Typ Dotierung ist die Herstellung von ZnO-basierten elektronischen und optoelektronischen Bauelementen um viele Möglichkeiten erweitert worden. Dabei ist außer der häufig verwendeten Sputterabscheidung insbesondere die epitaktische Abscheidung von ZnO mit MBE, MOCVD oder VPE für die industrielle Massenfertigung von z.B. ZnO-basierten LEDs sehr interessant. Hierbei stellt sich jedoch oft das Problem, dass das Schichtwachstum entweder auf Heterosubstraten oder aber auch auf Homosubstraten stark gestört anfängt und keine glatten, bauelementtauglichen Schichten erzielt werden können. Gründe können außer den Unterschieden in der Oberflächenenergie bei Heterosubstraten, wie z.B. GaN Templates auf Saphir, auch störende Oxide sein oder beim ZnO Einkristall eine Oberflächenpassivierung mit OH-Gruppen, was aber noch Gegenstand der Forschung ist.

Zum p-Typ Dotieren von ZnO ist unter anderem das Einbringen von Stickstoff in den Kristall notwendig, was einfach mittels Ammoniak oder in der MBE auch mit N-Radikalen möglich ist. Insbesondere bei Verwendung von Ammoniak ist eine hohe Wachstumstemperatur angezeigt, da sich Ammoniak aufgrund seiner hohen Bindungsenerge nur schlecht thermisch zerlegt.

In der Gasphasenepitaxie ist prinzipiell das Schichtwachstum mit Precursoren wie N₂O, NO, NO₂, CO oder CO₂ möglich, die sich thermisch nur schlecht zerlegen, weshalb höhere Wachstumstemperaturen zum Kristallwachstum nötig sind.

Allgemein ist eine hohe Wachstumstemperatur für das ZnO Wachstum allein deswegen vorzuziehen, weil aufgrund der für einen II-VI Halbleiter hohen Bindungsenergie so einfacher eine hohe Adatommobilität und damit eine glatte Oberfläche erzielt werden kann.

Beim Wachstum von Gruppe-II-Oxiden bei höheren Temperaturen zeigt sich, dass auch dann, wenn Niedertemperatur Pufferschichten verwendet werden, nur schwierig glatte, zusammenhängende Schichten zu erzielen sind.

Die vorstehend genannten Nachteile sollen durch die Erfindung überwunden werden. Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 beschreibt die Möglichkeit bei hohen Wachstumstemperaturen eine homogene und glatte Gruppe-II-Oxid Schicht mit Precursoren vom Typ R-O bzw. R-O-R mit R einem anorganischem Rest außer Wasserstoff, wie z.B. N₂O, NO, NO₂ nach Anspruch 2 oder, CO oder CO₂ zu erhalten. Dabei ist bei ausschließlicher Verwendung von reinen Precursoren vom Typ R-OH, mit R einem beliebigen organischen Rest oder Wasserstoff bei hohen Temperaturen keine Abscheidung von morphologisch hochwertigen Schichten möglich. Durch die Zugabe von Sauerstoff in Form eines Precursors vom Typ R-OH, mit R einem beliebigen organischen Rest oder Wasserstoff, wie Alkoholen nach Anspruch 3 oder Wasser nach Anspruch 4 wird die Morphologie der Schicht entscheidend verbessert.

Es folgt eine kurze Beschreibung des möglichen Schichtwachtsums in der MOCVD als Ausführungsbeispiel: Hierfür wird zum Beispiel ein Heterosubstrat wie GaN auf Saphir in den Reaktor geladen und unter einem Trägergas wie H₂ oder N₂ auf ca. 450 °C geheizt. Zum Start des Schichtwachstums wird nach Anspruch 4 und wie z. B. in der DE 10238135.6 beschrieben, zuerst eine Pufferschicht bei einer niedrigeren Temperatur als die Abscheidetemperatur der Hauptschicht gewachsen. Dazu wird die Zn-Quelle, meist Dimethylzink oder Diethylzink und die Sauerstoffquelle wie tertiär-Butanol geöffnet und für einige Minuten bei einem hohen VI-II Verhältnis in der Gasphase (sehr viel größer als 1) eine ca. 100 nm dicke ZnO Schicht abgeschieden. Danach erfolgt das Aufheizen auf ca. 900-950 °C, vorzugsweise unter Stickstoff und dem Hochtemperatursauerstoffprecursor wie z.B. N₂O. Dabei ist auch die tertiär-Butanol Quelle geöffnet, um während des Übergangs von niedrigen zu hohen Temperaturen die ZnO Oberfläche besser zu stabilisieren. Das Hauptschichtwachstum findet dann unter N₂O und tert-Butanol, üblicherweise mit einem niedrigeren tert-Butanol Fluss als bei der Pufferschicht, und Dimethylzink oder Diethylzink, vorzugsweise in einer inerten Gasatmosphäre aus, z.B. N₂, statt. Die so erhaltene Schicht ist glatt und von hoher kristalliner Qualität und damit geeignet für Bauelementstrukturen, wofür sie gegebenenfalls noch dotiert werden muss. Zur p-Typ Dotierung eignet sich dafür nach Anspruch 5 die Verwendung von Stickstoff, z.B. wie in Anspruch 6 genannt in Form von Ammoniak oder nach Anspruch 7 einem R-Hydrazin mit R keinem, einem oder mehreren beliebigen organischen Resten, wie z. B. Dimethylhydrazin. Zur n-Typ Dotierung wird die übliche Dotierung mit Ga, Al oder In unter Verwendung von z. B. trimetyhl-gallium, -aluminium oder -indium verwendet.
Die Beschreibung schließt alle Gruppe-II-Oxid Kristalle und alle Gasphasenepitaxieverfahren ein.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Gruppe-II-Oxid Schichten und Gruppe-II-Oxid Bauelementen mittels epitaktischer Gasphasenabscheidung durch das Abscheiden der ZnO Schicht mit a. einem metallorganischem Zn-Precursor, b. einem Sauerstoffprecursor vom Typ O-R oder R-O-R, wobei R ein beliebiger anorganischer Rest außer Wasserstoff ist und c. einem Sauerstoffprecursor vom Typ R-OH, mit R einem beliebigen organischen Rest oder Wasserstoff.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Verwenden von N₂O, NO oder NO₂ als Sauerstoffprecursoren vom Typ R-O bzw. R-O-R mit R einem anorganischem Rest außer Wasserstoff.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch das Verwenden von Alkoholen oder Wasser als Sauerstoffprecursoren vom Typ R-OH, mit R einem beliebigen organischen Rest oder Wasserstoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachsen einer Niedertemperatur Pufferschicht vor der Hauptschicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Dotieren mit Stickstoff.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch das Verwenden von Ammoniak zur Stickstoffdotierung.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Verwenden von R-Hydrazin zur Stickstoffdotierung, mit R einem oder mehreren beliebigen organischen Resten.