DE3124456C2 - Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Es werden Halbleiterbauelemente und ein Verfahren zu deren Herstellung angegeben, wobei das Substrat aus einem kristallinen, nichtkristallinen oder amorphen Material bestehen kann. Eine Deckschicht wird auf dem Substrat abgeschieden, und eine Halbleiterschicht wird auf der Deckschicht abgeschieden. Die Deckschicht besteht aus BeO oder ZnO und wird auf dem Substrat mit einer bevorzugten Orientierung der Kristallachse nach der C-Achse abgeschieden. Die Halbleiterschicht wächst in epitaktischem Wachstum auf der Deckschicht auf, wobei die bevorzugte Orientierungsachse der Deckschicht als Keim für das kristalline Wachstum der Halbleiterschicht benutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus der DE-OS 26 47 949 und der DE-OS 26 59 392 sind Halbleiterbauelemente mit einem Substrat, mit einer Deckschicht auf dem Substrat und mit einer auf der Deckschicht angeordneten bzw. aufgewachsenen kristallinen Halbleiterschicht bekannt Gemäß der DE-OS 26 47 949 kann du Deckschicht aus Aluminiumoxid bestehen und die darauf abgeschiedene, aus InSb bestehende Halbleiterschicht wird rekristallisiert Wie aus der DE-OS 26 59 392 zu entnehmen ist, kann für die Deckschicht auch eine dünne Metallschicht verwendet werden, auf der die kristalline Halbleiterschicht mittels des Agglomerat-Aufdampfverfahrens aufgewachsen ist. Ein Halbleiterbauelement wird gewöhnlich aus einem einkristallinen, halbleitenden Vollmaterial mit einer definierten Kristallstruktur hergestellt Eines der herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen besteht darin, daß man einen einkristallinen Halbleiterstab zieht, den Halbleiterstab in dünne Halbleiterscheiben zerschneidet und Halbleiterbauelemente, beispielsweise Mikroschaltungen oder dgl., auf den Halbleiterscheiben ausbildet. Eine andere Art der Herstellung von Halbleiterbauelementen besteht darin, daß die Halbleiterbauelemente auf einer einkristallinen Schicht hergestellt werden, die durch epitaktisches Wachstum auf einem vorgegebenen Halbleitermaterial
so auf einer Halbleiterscheibe durch Aufwachsen aus der flüssigen Phase oder aus der Dampfphase ausgebildet wird. In jedem Fall werden bei diesen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelemente einkristalline Halbleitersubstrate benötigt.
Um einkristalline Halbleitersubstrate herzustellen, sind eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig, und es muß viel Mühe darauf verwendet werden, aus dem Halbleitermaterial einen Einkristall zu gewinnen. Die einkristallinen Halbleiterstäbe, die oben erwähnt
6ö wurden, können als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter bestimmten Umständen nicht verwendet werden, weil Kristallfchlcr an den Randbereichen der Einkristallstäbe auftreten. Selbst wenn das Material für die Herstellung von HaIbleiterbauelementen geeignet ist, sind Halbleiterstäbc mit großem Volumen erforderlich, um ein einziges Halbleiterbauelement herzustellen, weil der Halbleiterstab in Scheiben geschnitten werden muß, die eine bc-
stimmte Dicke haben müssen, damit die erforderliche mechanische Festigkeit vorliegt Folglich sind Halbleiterbauelemente, bei deren Herstellung einkriställine Substrate verwendet werden müssen, kommerziell wenig befriedigend. Die Kosten für das Substratplättchen und damit auch für das fertige Halbleiterbauelement werden hoch.
Nach umfangreichen Versuchen zu Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen kam man auf Dünnschicht-Halbleiterbauelemente. Bei diesen Dünnschicht- Halbleiterbauelemente werden die Komponenten des Halbleitermaterials auf einer Substraifläche durch physikalische Aufdampfverfahren, beispielsweise durch Vakuum-Aufdampfverfahren, ionenplattierungsverfahren, lonenstrahl-Aufdampfverfahren oder dgL, aufgebracht, is um eine Halbleiter-Dünnschkht eines ersten Leitfähigkeitstyps auszubilden, auf der eine Halbleiter-Dünnschicht mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hergestellt wird. Mit dieser Technik ist es möglich, HaIb-Isiter-Dünnschichten herzustellen, deren Kristallquali- tat sehr gut ist und deren Kristaliachse vor. der Kristaüachse des Substrates bestimmt wird, wenn ein Einkristall-Substrat verwendet wird, um die Halbleiterschicht darauf abzuscheiden. Diese Verfahren sind jedoch nicht vollständig befriedigend unter dem Gesichtspunkt, daß man die Kosten des gesamten Halbleiterbauelementes möglichst gering halten will, weil immer noch teuere Einkristall-Substrate erforderlich sind
Die Kosten für Halbleiterbauelemente können erheblich reduziert werden, wenn man als Substrate beliebige, kostengünstige Materialien verwendet, die keine definierte Kristallstruktur aufweisen, beispielsweise Glasplatten. Platten aus rostfreiem Stahl, Kunststoff oder dgl. Wenn man jedoch Halbleiter-Dünnschichten durch ein übliches Aufdampfverfahren auf solch einem Substrat aufträgt, das keine definierte Kristallstruktur hat, ist im allgemeinen die Kristallstruktur der auf diese Art erzeugten Halbleiterschicht amorph, und ihre Haftung an dem Substrat ist nicht stark genug. Folglich kann man mit einem solchen Substrat nicht ohne weiteres Halbleiterbauelemente herstellen. Bei dem aus der DE-OS 26 59 392 bekannten Halbleiterbauelement M'ird daher die kristalline Halbleiterschicht auf dem mit einer dünnen Metallschicht bedeckten, u. a. aus Glas oder Kunststoff bestehenden Substrat durch das Aggiomerat-Auf- dampfverfaliren aufgewachsen.
In jüngster Zeh werden Verbindungshalbleiter-Dünnschichten in großem Umfang in verschiedenen elektronischen Bauelementen, beispielsweise bei lichtemittierenden Halbleiterbauelementen und bei Ultra- so hochfrequenz-Halbleiierbauelementen, verwendet. Als Beispiel seien erwähnt Leuchtdioden, die Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum abstrahlen, beispielsweise Leuchtdioden unter Verwendung von GaAsP oder GaP, die rotes oder gelbes Licht abstrahlen, oder Leuchtdioden unter Verwendung von GaP, die grünes Licht abstrahlen, und Leuchtdioden unter Verwendung von GaN, die grünes Licht abstrahlen und in jüngster Zeit von großem Interesse sind. Es hat sich gezeigt, daß bestimmte Halbleiterverbindungen sich nicht dazu eignen, Verbindungshalbleiter-Dünnschichten guter Kristallqualität zu bilden, weil ein geeignetes Einkristall-Substrat nicht zur Verfügung steht, auf dem die Verbindungshalbleiter-Dünnschicht gezogen werden könnte.
Bisher wird ein lichtemittierendes GaN-Halbleiterbauelement dadurch hergestellt, daß man eine GaN-Schicht auf der (OOOl)-Ebene eines einkristallinen Sa phirsubstrats durch Aufwachsen aus der Dampfphase abscheidet Durch dieses Verfahren wächst eine GaN-Schicht vom n-Leitfähigkeitstyp auf. Man gibt dann Zn, welches als Akzeptor in bezug auf die GaN-Schicht wirkt zu, um eine GaN-Schicht mit i-Leitfähigkeit zu erzeugen, und ein lichtemittierende Halbleiterbauelement mit einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur wird erzeugt indem man die i-leitende GaN-Halbleiterschicht ausnutzt Bei dem lichtemittierenden GaN-Halbleiterbauelement, bei dem Saphir als Substrat verwendet wird, ist die Abweichung der Gitterkonstanten des Substrates von der Gitterkonstanten des GaN, das auf dem Substrat gezogen werden soIL gleich 16,4%. Ferner muß das Substratauf eine Temperatur von etwa 100O0C bis 120O0C aufgeheizt werden, wenn das GaN auf dem Substrat abgeschieden wird. Daher sind Fehler aufgrund der mangelnden Übereinstimmung der Gitterkonstanten und Kristalldeformationen in einer auf diese Weise hergestellten GaN-Schicht unvermeidlich. Dies ist unbefriedigend, weil dadurch keine Uchtemission mit genügender Helligkeit von dem lichteaf jttierenden Bauelement erzielt werden kann. Darüber hinaus ist das auf diese herkömmliche Weise hergestellte, lichtemittierende Halbleiterbauelement immer noch teuer, weil eic einkristallines Saphirsubstrat erforderlich ist
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das eine ausgezeichnete Kristallqualität aufweist und bei dem ein hoher Wirkungsgrad im Betrieb erzielt wird und dessen Herstellung mit geringen Kosten möglich ist
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in der im Patentanspruch 1 angegebenen Weise gekennzeichnet, während das erfindungsgemäße Verfahren in den Patentansprüchen 15 und 16 charakterisiert ist
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente sind in den Ansprüchen 2 bis 14 gekennzeichnet
Ό--3 Halbleiterbauelement kann mit geringen Kosten für verschiedene Anwendungen hergestellt werden.
Beispielsweise haben so lichtemittierende.Halbleiterbauelemente einen hohen Wirkungsgrad und eine große Helligkeit beim Abstrahlen von Licht Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß Verbindungshalbleiter-Bauelemente in der Dünnschichttechnik mit AuBvi- oder AmBv-Verbindungen mit guter Kristallqualität hergestellt werden.
Bei dem Halbleiterbauelement kann man von einem kostengünstigen Substrat aus einem Material ausgehen, das keine definierte Kristallstruktur aufweist, beispielsweise "on einer Glasplatte, einer Platte aus rostfreiem Stahl oder von einer Kunststoffplatte. Auf das Substrat wird eine kristallin^ Deckschicht gezogen, deren Kristallachse nach der C-Achse orientiert ist und deren Gitterkonstanten nahe bei der Gitterkonstanten des Halbleitermaterials liegt, das danach auf der Deckschicht gezogen werden soll. Auf der Deckschicht wird dann die Halbleiter-Schicht durch epitaktisches Wachstum gezogen, wobei die Deckschicht als Keim für das kristalline Wachstum der Halbleiterschich: dient, da die Deckschicht aufgrund der bevorzugten Orientierung ihrer Kristallachse und ihrer Gitterkonstanten als Keim geeignet ist. Dadurch wird eine Halbleiterschicht mit ausgezeichneter Kristallqualität erzeugt, auf der Halbleiterbauelemente oder weitere Schichten hergestellt werden können. Es hat sich gezeigt, daß ZnO und GaN
eine hexagonale Kristallstruktur haben, daß die Abweichung der Gitterkonstanten des ZnO von der Gitterkonslanten des GaN nur 0,46% auf der (002)-Ebene und etwa 0,5% auf den anderen Ebenen beträgt, und daß eine ZnO-Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung nach der C-Achse leicht auf einem amorphen Substrat, beispielsweise Glas, hergestellt werden kann. Ferner hat ZnO eine verbotene Zone mit einem Bandabstand von 3,2 eV bei Zimmertemperatur, und es gibt nur einen geringen Absorptionsverlust bei Emission im blauem Bereich. Es kann daher ein lichtemittierendes Bauelement erhalten werden, das aus einem Glassubstrat, einer auf dem Substrat aufgebrachten ZnO-Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung nach der C-Achse und einer GaN-Dünnschicht, die durch epitaktisches Wachstum auf der ZnO-Dünnschicht gezogen ist und deren Orientierung durch die bevorzugte Orientierung der Kristallachse der ZnQ-Dünnschicht eingestellt wird, besteht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Halbleiterbauelementes nach Fig.1;
Fig.3 eine mit Hilfe eines Abtastelektronenmikroskops gemachte Aufnahme, die das Wachstum der Deckschicht zeigt:
F i g. 4 einen schematischen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des in F i g. 4 gezeigten Halbleiterbauelementes;
F i g. 6 ein mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestelltes Bild, welches die Schnittstruktur des bei einer Substrattemperatur von 2500C hergestellten Halbieiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt:
Fig.7 ein mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestelltes Bild, welches die Schnittstruktur des bei einer Substrattemperatur von 450° C hergestellten Halbleiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
F i g. 8 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik eines Halbleiterbauelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
F i g. 9 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik zur Erläuterung der Art des Stromflusses in einem Halbleiterbauelement nach dem zweiten Ausfühmngsbeispiel.
Wie in F i g. 1 dargestellt ist, weist das Halbleiterbauelement ein Substrat 1 mit einer Deckschicht 2, die darauf abgeschieden ist, eine Halbleiterschicht 3 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der Deckschicht 2 abgeschieden ist, eine Halbleiterschicht 4 mit einem zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Halbleiterschicht 3 abgeschieden ist, ohm'sche Elektroden 5 und 6, die auf den entsprechenden Halbleiterschichten 3 bzw. 4 durch Aufdampfen angebracht sind, und Anschlußdrähte 7 und 8 auf, die an den ohm'schen Elektroden 5 bzw. 6 befestigt sind.
Das Substrat kann aus einem beliebigen kristallinen oder nichtkristallinen Material bestehen, solange es die Heiztemperatur aushält, die während der Zeit des epitaktischen Wachstums der Hallbleiterschicht 3 herrscht (vgl. unten). Beispielsweise kann als Substrat eine Platte aus rostfreiem Stahl oder aus einem Kunststoffmaterial verwendet werden, wobei diese Substrate zu geringen Preisen erhältlich sind, bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Glasplatte als Substrat 1 verwendet.
Die Deckschicht 2, die angebracht wird, um die Halbleiterschicht 3 darauf durch epitaktisches Wachstum /u ziehen, ist bevorzugt nach der C-Achse orientiert. Die Deckschicht 2 muß aus einem Material hergestellt werden, das auf dem amorphen Glassubstrat 1 leicht nach
ίο der C-Achse orientiert werden kann, und dessen Gitterkonstante nahe bei der Gitterkonstante der Hsilblcitcrschicht 3 liegt, die später darauf abgeschieden werden soll. Es hat sich gezeigt, daß ein Material mit hcxagonaler Kristallstruktur leicht auf dem Substrat I mit der bevorzugten Orientierung nach der C-Achse gezogen werden kann. Beispiele solcher Materialien sind BcO und ZnO, die eine hexagonale Wurtzit-Kristallsiruktur haben, oder AuBvi- Verbindungen, beispielsweise <\-ZnS. Bei der Herstellung der Schicht auf dem Substrat ist es wichtig, solche Dünnschicht-Abscheidungsvcrfahren zu verwenden, bei denen eine Dünnschicht mit bevorzugter Orientierung nach der C-Achse erzeugt werden. Zu diesem Zweck können physikalische Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichten aus der Dampfphase, bcispielsweise Aufdampftechniken, Sputterteehniken, Spratzen, oder Ionenstrahl-Aufdampfverfahrcn, angewendet werden. Es hat sich gezeigt, daß, wenn ein Teil des Materials zum Zeitpunkt der Abscheidung ionisiert ist, die bevorzgute Orientierung nach der C-Achse in der Deckschicht 2 verbessert wird, und daß eine Deckschicht 2 mit ausgezeichneter Kristallqualität gebildet wird. In dem Ausführungsbeispiel wird die Deckschicht 2 durch das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit reaktiven, ionisierten Agglomeraten angewendet, wobei die in F i g. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung verwendet wird.
Die in Fig.2 gezeigte Vorrichtung weist eine« geschlossenen Tiegel 11 mit wenigstens einer Düse 11.ι auf, wobei das zu verdampfende Material 12 in dem Tiegel 11 enthalten ist. In dem Ausführungsbcispiel wird Be in den Tiegel Il eingefüllt, wenn BeO als Deckschicht 2 verwendet wird. Wenn ZnO als Deckschicht 2 verwendet wird, wird Zn in den Tiegel 11 eingefüllt. Der Tiegel Il ist mit einer Heizung 19 umgeben, die die erforderliche Wärmeenergie an den Tiegel 11 abgibt, um das Material 12 in dem Tiegel 11 zu verdampfen.
Eine Ionisationskammer ist oberhalb des Tiegels 11 vorgesehen. Um die Ionisationskammer herum ist eine Anordnung zur Erzeugung von Elektronen für die lonisation vorgesehen. Die F.lektronenquelle weis' einen Draht 15, der Elektronen emittiert, wenn er mit Strom versorgt und aufgeheizt wird, und eine netzförmige -. Anode 16 auf. Die Anode 16 wird in bezug auf den Draht 15 auf einem positiven Potential gehalten, so daß die von dem Draht 15 emittierten Elektronen beschleunigt werden. Die so beschleunigten Elektronen treffen auf den aus der Düse 11a des Tiegels 11 ausgesprühten Dampf in der Ionisationskammer auf und erzeugen dadurch ionisierte Dampfteilchen.
bo Ein Substrathalter 13 hält das Substrat 1, welches gegenüber der Düse 11a des Tiegels 11 angeordnet ist. Ferner ist ein Verschluß 18 vorgesehen, um die Abschirmung des Substrates 1 von dem Dampfstrahl zu ermöglichen. Um ein mit dem aus der Düse 11 abgesprühten
b5 Dampf reagierendes Gas zuzuführen, ist eine Gasr.u- fuhrleitung 21 mit einer Gasinjektionsdüse 21a vorgesc- " hen, die in der Nähe der Düse 11 liegt. Eine ringförmige ■/· Beschleunigungselektrode 17 zur Beschleunigung des ;
ionisierten Dampfes kann zwischen der Ionisationskammer und dem Substrat 1 vorgesehen sein. Ferner ist eine Heizung 22 vorgesehen, um das Substrat 1 auf der richtigen Temperatur zu halten. Die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung ist in einem Vakuumgefäß {nicht gezeigt) zusammen mit dem Substrat eingeschlossen, auf dem die Deckschicht 2 ausgebildet wird. Bei dem Ausführungs beispicl ·/„'«! die Deckschicht 2 unter Verwendung der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung in folgender Weise hergestellt.
Zuerst wird das Vakuumgefäß, welches dif. in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung enthält, auf Hochvakuum evakuiert. Dann wird O2 durch die Gaszufuhrleitung 21 und die Düse 21a in die Vakuumkammer eingeleitet, und der Druck in der Vakuumkammer wird bei etwa 6,5 · 10-2Pa-4gehalten.
Dann wird die Heizung 19 betätigt, um den Tiegel 11 aufzuheizen, so daß das Material 12 in dem Tiegel 11 geschmolzen und verdampft wird. Die Temperatur zur Aufheizung des Tiegels 11 wird so gewählt, daß der Dampfdruck in dem Tiegel 11 wenigstens lO^mal so groß wie der Druck in dem den Tiegel 11 umgebenden Raum ist. Der lonisations-Elektronenstrom, der von dem Draht 15 zu der Anode 16 fließt, beträgt etwa 300 mA, und das Substrat 1 wird auf eine Temperatur von etwa 200°C durch die Heizung 22 aufgeheizt.
Das Material 12, welches in dem Tiegel 11 aufgeheizt und verdampft wird, wird durch die Düse 11a aus dem Tiegel in den den Tiegel umgebenden Außenraum, der unter Hochvakuumatmosphäre gehalten wird, aufgrund der Drjckdifferenz abgegeben. Der ausgesprühte Dampf kommt in einen unterkühlten Zustand aufgrund der adiabatischen Expansion zum Zeitpunkt des Austritts aus der Düse lla und wird dadurch zum Teil in Agglomerate umgesetzt, die große Ansammlungen von etwa 500 bis 2000 Dampfatomen aufweisen, die lose durch Van der Waals-Kräfte miteinander verbunden sind. Die Agglomerate und die Dampfatome haben eine kinetische Energie, die der Geschwindigkeit entspricht, mit der sie aus der Düse lla austreten, und diese Teilchen werden auf das Substrat 1 gerichtet. Wenn der Dampf aus der Düse 1 la austritt, wird ein kleines Volumen an OrGas aus der Gaszufuhrleitung 21 durch die Düse 21a in den Dampfstrahl eingeleitet Da die Düse 21a in der Nähe der Düse lla des Tiegels 11 liegt, wird das OrGas zusammen mit dem aus der Düse lla abgesprühten Dampf auf das Substrat 1 gerichtet Die Agglomerate, das 02-Gas und einfache Dampfatome werden durch die Elektronen, die von dem Draht 15 abgegeben und durch die Elektrode 16 beschleunigt werden, ionisiert, wenn diese Teilchen durch die Ionisationskammer hindurchtreten. Es hat sich gezeigt daß die Ionisationsrate der Agglomerate etwa bei 30% liegt, und daß die lonisationsrate des 02-Gases und der einfachen Dampfatome einige Prozent beträgt wenn der zur Ionisation dienende Elektronenstrom 300 mA beträgt
Auf diese Weise treffen die ionisierten Agglomerate, das 02-Gas und einfache Dampfatome auf das Substrat 1 mit der kinetischen Energie auf, die ihnen zum Zeitpunkt des Austritts aus der Düse lla erteilt wurde. Gegebenenfalls werden diese Teilchen auch durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt, die durch die Beschleunigungselektrode 17 angelegt wird. Zusammen mit den ionisierten Teilchen treffen auch die nicht-ionisierenten, neutralen Agglomerate, die einfachen Dampfatome und das O2-Gas auf das Substrat 1 auf. Wenn die Agglomerate auf das Substrat 1 auftreffen, werden die Agglomerate in einzelne, atomare Teilchen aufgebrochen, die sich über der Oberfläche des Substrates verteilen, so daß eine Deckschicht 2 erzeugt wird, die aus einer BeO- oder ZnO-Dünnschicht besteht. Bei der Bildung der Deckschicht 2 findet ein Oberflächenwanderungseffekt, ein lonisationseffekt und ein chemischer Reaktionseffekt des Oj-Gases statt, wobei diese Effekte für das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraien spezifisch, sind und sich vorteilhaft bei der Ausbildung der Deckschicht 2 auswirken.
Die auf diese Weise erzeugte Deckschicht 2 ist transparent. Aus den Röntgenbeugungsbildern und den RHEED-Mustern kann man ersehen, daß die Deckschicht 2 eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse senkrecht zu der Substratoberfläche hat. F i g. 3 ist das Bild eines Abtast-Elektronenmikroskops, welches den Querschnitt der BeO-Deckschicht 2 zeigt, die auf dem Glassubstrat 1 aufgebracht worden ist. Der Schnitt ist entlang der Wachstumsrichtung der BeO-Schicht gelegt. Aus dieser Vergrößerung ist ersichtlich, daß die Deckschicht 2 auf dem Substrat 1 mit einer bevorzugten Orientierung nach der C-Achse aufwächst. Auf ähnliche Weise kann eine ZnO-Deckschicht 2 mit einer bevorzugten Orientierung nach der C-Achse erzeugt werden.
„ wenn ZnO als Material für die Deckschicht verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, daß die BeO-Deckschicht 2, die auf dem Substrat aufgebracht ist, eine Isolierschicht mit einem hohen spezifischen Widerstand von über ΙΟ10 Ω cm ist. Wenn ZnO für die Deckschicht 2 verwendet wird, hat diese Deckschicht einen spezifischen Widerstand von etwa 102 bis 103 Ω cm. Es ist jedoch möglich, den spezifischen Widerstand der ZnO-Schicht auf so niedrige Werte wie 10-3ΩϋΓη zu reduzieren, wenn man eine Verunreinigungssubstanz, beispielsweise Te, das als Donator in dem ZnO wirkt, zum Zeitpunkt der Abscheidung der ZnO-Schicht in einer Menge von 0,1 bis 5 Gew.-% zugibt. So kann der Widerstand der Deckschicht 2 je nach den Materialien der Halbleiterschicht, die auf der Deckschicht 2 aufwachsen soll, oder je nach den Anwendungsfällen der Halbleiterschicht eingestellt werden. Die Dicke der Deckschicht 2 wird je nach den Anwendungszwecken des Halbleiterbauelementes bestimmt So ist beispielsweise eine verhältnismäßig dünne Deckschicht 2 für die Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen bevorzugt. Im allgemeinen ist die Deckschicht 2 etwa 0,1 bis 1 μπι dick.
Die Halbleiterschicht 3, die man epitaktisch auf der Deckschicht 2 aufwachsen läßt und deren Kristallorientierung durch die bevorzugte Orientierungsachse der Deckschicht 2 eingestellt wird, muß aus einem Halbleitermaterial bestehen, dessen Gitterkonstante nahe bei der Gitterkonstanten der Deckschicht 2 liegt, so daß Gitterfehler in der zu erzeugenden Halbleiterschicht 3 aufgrund fehlender Abstimmung der Gitterkonstanten reduziert werden. Wenn die Deckschicht 2 aus einer BeO-Schicht besteht werden solche Halbleitermaterialien verwendet, bei denen der Fehlbetrag zu der Gitterkonstanten des BeO weniger als 20% beträgt Beispiele solcher Materialien sind SiC und AlN, die als Halbleiterlaser, Leuchtdioden und dgl. verwendbar sind. Beispiele von Materialien, deren Gitterkonstanten nahe bei der Gitterkonstanten einer ZnO-Deckschicht 2 liegen, sind SiC, AlN, GaN und CdS. Wie oben erwähnt wurde, kann eine Halbleiterschicht 3, die im wesentlichen frei von Gitterfehlern aufgrund mangelnder Abstimmung der Gitterkonstanten ist dadurch hergestellt werden, daß man Halbleitermaterialien aussucht deren Gitterkonstanten von der Gitterkonstanten der Deckschicht 2 um
weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10%, abweichen. Die Halbleiterschicht 3, die man epitaktisch auf der Deckschicht 2 aufwachsen läßt, indem man die Halbleitermaterialien, deren Gitterkonstanten nahe bei der der Deckschicht 2 liegen, abscheidet, hat eine ausgezeichnete Kristallqualität, weil ihre Kristallorientierung durch die bevorzugte Orientierungsachse der Deckschicht 2 eingestellt wird und weil man die Halbleiterschicht unter Ausnutzung der bevorzugten Orientierungsachse der Deckschicht 2 als Keim für das kristalline Wachstum aufwachsen IaBt.
Die Halbleiterschicht 3 kann durch eine beliebige Abscheidungstechnik erzeugt werden. Um eine Halbleitcrschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität bei einer geringen Wachstumstemperatur herzustellen, ist es jedoch vorteilhaft, als Aufdampfverfahren das reaktive Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten zu verwenden und dazu die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung einzusetzen. Man kann das Aggiomerai-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten auch mit einer Vielzahl von Tiegeln ausführen, in denen jeweils die Bestandteile der Verbindungshalbleitermaterialien enthalten sind. Diese Verfahren ermöglichen es, die Aktivierung der Dampfteilchen zum Zeitpunkt der Abscheidung durch die Anwesenheit von Ionen zu unterstützen und eine Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität bei einer Wachstumstemperatur von so geringen Werten wie 4000C bis 600° C zu bilden, weil die kinetische Energie der Agglomerate zum Zeitpunkt des Ausströmens aus der Düse wirksam zum epitaktischen Wachstum der Halbleiterschicht 3 mit beiträgt Die gute Abstimmung der Gitterkonstanten mit der Halbleiterschicht 3 und der Deckschicht 4 ist ebenfalls wichtig, um eine Halbleiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqualität zu erzeugen, weil die Gitterbindungsenergie beider Schichten erheblich reduziert werden kann.
Die Halbleiterschicht 4 des Halbleiterbauelementes kann zur Verwirklichung einer beliebigen, herkömmlichen Anordnung dienen. Beispielsweise kann eine p-n-Grenzschicht-Anordnung, eine Metall-Isolator-Halbleiter-Anordnung oder eine Schottky-Grenzsehicht-Anordnung hergestellt werden je nach der Art der Halbleiterschicht 3, der Betriebsweise und dem Anwendungszweck des Halbleiterbauelemenfes. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Halbleiterschicht 4 eine solche Schicht verwendet, die den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschicht 3 besitzt Wenn die Halbleiterschicht 3 beispielsweise eine η-Leitfähigkeit hat, wird eine Halbleiterschicht mit p-Leitfähigkeit auf der Halbleiterschicht 3 abgeschieden, um eine p-n-Grenzschicht zwischen den Halbleiterschichten 3 und 4 zu erzeugen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden Verbindungshalbleiter, beispielsweise SiC, AlN, GaN und CdS, als Materialien beim Aufwachsenlassen der Halbleiterschicht 3 auf der Oberfläche der Deckschicht 2 erwähnt Es ist jedoch zu beachten, daß die Materialien nicht auf die Verbindungshalbleiter beschränkt sind. Vielmehr können einfache Substanzen mit Halbleitereigenschaften verwendet werden, um die Halbleiterschicht 3 zu erzeugen. Beispielsweise hat CaIs kristalline Struktur ein Diamantgitter und eine Gitterkonstante von a = 3,56. Dadurch wird es möglich, die Halbieiterschicht 3 mit ausgezeichneter Kristallqoalität zu erzeugen, weil die Gitterkonstanten von C und ZnO nahe beieinander liegen. In den Fällen, wo eine einkristalline Halbleiterschicht nicht erforderlich ist, beispiels weise wenn eine Solarzelle unter Verwendung von polykristallinem Silicium hergestellt wird, kann eine in hohem Maße polykristalline Si-Schicht dadurch erzeugt werden, daß man das Silicium auf der BeO-Deckschicht 2, die bevorzugt nach der C-Achse orientiert ist, durch das reaktive Agglomcrat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten abscheidet und die Siliciumschicht auf der Deckschicht 2 unter Ausnutzung der Orientierungsachse der BeO-Deckschicht als Keim für
ίο das kristalline Wachstum aufwachsen läßt.
Im folgenden wird ein Halbleiterbauelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Fig.4 bis 9 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterbauelement beschrie- ben, das als lichtemittierendes GaN-Halbleiterbauclement dient.
Wie in Fig.4 gezeigt ist, weist das lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement ein Substrat 31 auf, auf dem eine iransparcriie, ieiifänige Dünnschicht 32 abgcschic den ist. Eine ZnO-Deckschicht 33 ist auf der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 aufgebracht, und eine GaN-Dünnschicht 34 ist auf der ZnO-Deckschicht 33 abgeschieden. Eine GaN-Dünnschicht 35 vom i-Leitfähigkeitstyp (Intrinsik-Leitfähigkeit) ist auf der GaN- Dünnschicht 34 abgeschieden, und eine Metallelektrode 36 ist auf der Oberfläche der GaN-Dünnschicht 35 mit i- Leitfähigkeit ausgebildet. Anschlußdrähte 37 und 38 sind mit der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 bzw. mit der Metallelektrode 36 verbunden.
Das Substrat 31 kann aus einem beliebigen kristallinen oder amorphen Material bestehen, so lange es die Heiztemperatur bei dem epitaktischen Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 aushält. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Glassubstrat 31 verwendet, so daß das von dem Halbleiterbauelement emittierte Licht durch das Substrat 31 beobachtet werden kann. Die transparente, !eitfähäge Dünnschicht 32 wird auf dem Substrat 31 durch Vakuumaufdampfung, Aufsprühen, CDV-Abscheidung oder dgl. erzeugt. Diese Dünnschicht 32 be- steht aus In2Oa oder SnO2 und dient als Elektrode für die das lichtemittierende Halbleiterbauelement
Die ZnO-Deckschicht 33, die auf der transparenten, leitfähigen Dünnschicht 32 abgeschieden ist, erfordert eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse. Im all gemeinen läßt sich bei ZnO leicht eine Orientierung nach der C-Achse erreichen. Daher sind lonenstrahl-Aufdampfverfahren, Sputterverfahren oder Agglomerat-Aufdampfverfahren geeignet, um die ZnO-Deckschicht 33 herzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel
so wird die ZnO-Deckschicht 33 durch das reaktive Agglo-■ merat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten hergestellt, wobei die Vorrichtung von F i g. 5 benutzt wird. Da die in F i g. 5 gezeigte Vorrichtung der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung entspricht, erübrigt sich ein detaillierte Beschreibung, und die entsprechenden Teile der Vorrichtung haben die gleichen Bezugsziffem wie in F i g. 2.
Das in Fig.4 gezeigte Halbleiterbauelement weist eine ZnO-Deckschicht 33 auf, die auf der transparenten, leitfähigen Dünnschicht 32 sinter Verwendung der in F i g. 5 gezeigten Vorrichtung in folgender Weise ausgebildet worden ist
Zuerst wird das Vakuumgefäß, welches die in F i g. 5 gezeigte Vorrichtung enthält bis auf ein Hochvakuum
»5 evakuiert In diesem Zustand wird O2-GaS durch die Gaszufuhrleitung 21 und die Düse 21a in die Vakuumkammer eingeführt und der Druck in der Vakuumkammer wird bei etwa 6,5 · IQ-2Pa-4 gehalten.
Die Heizung 19 wird eingeschalte}, um den Tiegel 11 zu ei hitzen, so daß das Material 39 (Zn) in dem Tiegel 11 geschmolzen und verdampft wird. Die Temperatur zum Aufheizen des Tiegels wird so gewählt, daß der Dampfdruck in dem Tiegel 11 bei wenigstens dem 102-fauhen des Druckes im Umgebungsraum des Tiegels 11 gehalten wird. Der Elektronenstrom für die Ionisierung, der von dem Draht IS zu der lonisationselektrode 16 strömt, wird auf etwa 300 mA eingestellt, und das Substrat 1 wird auf eine Temperatur von etwa 2000C durch die Heizung 22 aufgeheizt.
Das Material 39 (Zn), das in dem Tiegel 11 aufgeheizt und verdampft wird, wird durch die Düse 11a in den den Tiegel 11 umgebenden Außenraum, der unter Hochvakuumatmosphäre gehalten wird, aufgrund der Druckdifferenz ausgesprüht. Der Dampfstrahl wird durch adiabatische Expansion zum Zeitpunkt des Ausströmens aus der Düce 11a in einen unterkühlten Zustand überführt und in Zn-Äggiorreraie umgesetzt, weiche größe Ansammlungen von etwa 500 bis 2000 Zn-Atomen sind, die lose durch Van-ifer-Waals-Kräfte miteinander verbunden sind. Die Zn-Agglomerate haben eine kinetische Energie entsprechend der Geschwindigkeit, mit der sie aus der Düse 11 a ausströmen, und bewegen sich in Richtung auf das Substrat 1. Wenn der Dampf aus der Düse 11.1 austritt, wird ein kleines Volumen an O2-GaS aus der Gaszufuhrleitung 21 über die Düse 21a in den Dampfstrahl eingeführt. Die Düse 21,4 befindet sich in der Nähe der Düse 11a des Tiegels Ii so daß das O2-GaS zusammen mit dem aus der Düse ti a austretenden Dampfstrahl zu dem Substrat 31 hin transportiert wird. Die Zn-Agglomerate und das O2-GaS werden durch Elektronen teilweise ionisiert, die von dem Draht 15 emittiert und durch die Anode 16 beschleunigt werden, wenn sie durch die Ionisationskammer hindurchtreten. Es hat sich gezeigt, daß die lonisationsrate der Zn-Agglorneratc etwa 30% beträgt und daß die ioisäsationsrate des O2-Gases und der Zn-Atome, die keine Agglomerate bilden, einige Prozent ist, wenn ein Elektronenstrom von 300 mA zur Ionisation zur Verfügung steht
Auf diese Weise treffen die ionisierten Zn-Agglomerate, die ionisierten O2-Teilchen und die ionisierten Zn-Atome auf das Substrat 1 mit der kinetischen Energie auf, die sie beim Austritt aus der Düse Ua erhalten. Gegebenenfalls werden diese ionisierten Teilchen durch eine Beschleunigungsspannung beschleunigt, die an der Beschleunigungselektrode 17 anliegt. Zusammen mit den ionisierten Teilchen treffen die nicht-ionisierten, neutralen Zn-Agglomerate, die neutralen O2-Teilchen und die neutralen Zn-Atome auf das Substrat auf. Wenn die Zn-Agglomerate auf das Substrat 1 auftreffen, werden die Agglomerate in einzelne Atome aufgebrochen und verteilen sich über rier Oberfläche des Substrats 1, so daß die ZnO-Deckschicht 33 erzeugt wird. Bei der Bildung der ZnO-Deckschicht 33 spielen der Oberflächenwanderungseffekt, der Ionisationseffekt und der Effekt der chemischen Reaktion des O2-GaSeS eine Rolle, und diese Effekte werden bei der Bildung der ZnO-Deckschicht 33 ausgenutzt Der Oberflächenwanderungseffekt bedeutet daß die einzelnen Atome der Agglomerate aufgrund ihrer kinetischen Energie auf der Oberfläche der sich aufbauenden Schicht wandern, bis sie einen Gitterplatz einnehmen.
Die auf diese Weise erzeugte ZnO-Deckschicht 33 ist transparent Aus der Betrachtung der Röntgenbeugungsaufnahme und der RHEED-Muster ist ersichtlich, daß die Deckschicht 33 eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse senkrecht zu der Oberfläche der leit iähigen, transparenten Dünnschicht 32 hat. Die ZnO-Deckschicht 33 ist etwa 0,2 μηι bis 03 μίτι dick und hat einen spezifischen Widerstand von 102 bis 103Q cm. Dieser spezifische Widerstand kann auf so niedrige Werte wie 10-3ncm dadurch herabgesetzt werden, daß man eine Verunreinigungssubstanz, beispielsweise Te, das als Donator in dem ZnO wirkt, zum Zeitpunk; der Abscheidung der ZnO-Deckschicht in einer Menge von 0,1 bis 0,5 Gew.-% zugibt.
Die GaN-Dünnschicht 34 läßt man heteroepitaktisch auf die ZnO-Deckschicht 33 in der bevorzugten Orientierung nach der C-Achse aufwachsen. Die GaN-Dünnschicht 34 kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die GaN-Dünnschicht 34 im reaktiven Agglomerat-Aufdampfverfahren mit ionisierten Agglomeraten in derselben Weise hergestellt wie die ZnO-Deckschicht 33, wie dies oben erläutert wurde. Es wird die Vorrichtung nach F i g. 5 verwendet.
Um die GaN-Dünnschicht 34 herzustellen, wird Ga oder GaN als Füllmaterial für den Tiegel 11 verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel wird GaN-Pulver mit 99,999% Reinheit in den Tiegel 11 eingefüllt. Der Tiegel 11 wird auf eine Temperatur von 900° C bis 10000C durch difc Heizung 19 aufgeheizt, um zu ermöglichen, daß das GaN sublimiert und aus der Düse Ha in Form eines GaN-Dampfstrahles austritt, der GaN-Agglomerate sowie Ga-Atome und N-Atome enthält, die als Zerfallsprodukt zum Zeitpunkt des Austritts des Dampf-Strahls aus der Düse 11a anfallen. Zusätzlich wird Na2-GaS in die Vakuumkammer von der Gaszufuhrleitung 21 durch die Düse 21a zugeführt Die Düse 21a liegt in der Nähe der Düse 11a des Tiegels 11, so daß das N2-GaS und der GaN-Dampfstrahl auf die ZnO-Deckschicht 33 auftreffen können, um die GaN-Dünnschicht 34 darauf zu bilden, nachdem die Teilchen durch die !onssationskairüTser bestehend aus der Kathode 15 und der Anode 16 hindurchgetreten sind, wo sie zum Teil ionisiert wurden. Das Abscheiden des GaN auf der ZnO-Deckschicht 33 wird nur durch die kinetische Energie bewirkt die den Teilchen beim Austreten aus dem Tiegel 11 erteilt wird, indem man den Druck in der Vakuumkammer nach dem Einführen des N2-GaSf-S auf etwa 6,5 · 10~2 Pa-4 hält, den Elektronenstrom zur Ionisation, der von der Kathode 15 abfließt auf 300 mA einstellt, das Substrat auf eine Temperatur von 2000C bis 6000C aufheizt und eine Beschleunigungsspannung an die'Beschleunigungselektrode 17 von 0 V anlegt
Die auf diese Weise erzeugte GaN-Dünnschicht 34 so hat ausgezeichnete Kristalleigenschaften, weil die GaN-Aggiomerate, die Ga-Atome und die N-Atome, die auf die ZnO-Deckschicht 33 auftreffen, mit einer bevorzugten Orientierung in das Gitter eingebaut werden, die durch die Orientierungsachse der ZnO-Deckschicht 33 eingestellt wird. Es hat sich gezeigt daß die Kristallqualität der GaN-Dünnschicht 34 durch die Heiztemperatur des Substrates 31 steuerbar ist Die F i g. 6 und 7 zeigen mit einem Elektronenstrahlmikroskop hergestellte Bilder der Laminatstruktur des Substrates, der ZnO-Deckschicht und der GaN-Dünnschicht im Schnitt die bei einer Substrattemperatur von 250° C bzw. 450° C hergestellt wurden. Wie in F i g. 6 gezeigt ist ist die GaN-Dünnschicht die man auf der ZnO-Deckschicht bei einer Temperatur von 2500C aufwachsen läßt amorph. Im Gegensatz dazu ist die GaN-Dünnschicht die man durch epitaktisches Wachstum auf der ZnO-Deckschicht aufwachsen läßt kristallin und mit einer bevorzugten Orientierung, die durch die C-Achse der ZnO-
Deckschicht eingestellt ist, wenn die Substrattemperatur auf 450° C erhöht wird, wie aus F i g. 7 τα ersehen ist Das kristalline Wachstum der GaN-Dünnschicht bei einer solchen niedrigen Substrattemperatur beruht darauf, daß Ionen vorlanden sind, die die Aktivierung der Dampfteilchen ZEim Zeitpunkt der Abscheidung fördern, und auf der leinetischen Energie der Agglomerate. Die kinetische Energie der GaN-Agglomerate, die ihnen beim Austreten aus der Düse 11a erteilt wird, wirkt sich bei dem epitaktischen Wachstum der Dünnschicht vorteilhaft aus, wie dies oben erläutert wurde. Die gute Abstimmung der Gitterkonstanten der GaN-Dünnschicht 34 und der ZnO-Deckschicht 33, wobei nur eine Fehlabstimmung von weniger als 0,5% vorhanden ist trägt ebenfalls zu dem ausgezeichneten Krisiallwachstum der GaN-Dünnschicht bei, weil die Gitterbindungsenergien der ZnO-Deckschicht 33 und der GaN-Dünnschicht 34 erheblich reduziert werden können. Die geringe Substrattemperatur beim Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 ermöglicht es auch, die Kristalldeformation in der Hetero-Grenzschicht zu reduzieren und die thermische Diffusion von Verunreinigungssubs/iinzen von der Seite der Deckschicht zu der Seite der Dünnschicht die gerade aufwächst zu vermeiden. Die herkömmlichen Verfahren zum Abscheiden von GaN auf einem Saphirsubstrat durch epitaktisches Wachstum aus der Dampfphase erfordern es, daß das Substrat auf e«ie Temperatur von 900° C bis 1200° C aufgeheizt wird, was im Gegensatz zu der Substrattemperatur beim beschriebenen Aufwachsen der GaN-Dünnschicht 34 steht Im Hinblick auf die Unterschiede in der Substrattemperatur ist es ersichtlich, daß nur wenige Kirstalldeformationen oder Kristallfehler aufgrund einer Fehlabstimmung der Gitterkonstanten in der GaN-Dünnschicht 34 nach diesem Ausführungsbeispiel vorhanden sind.
Das in Fig.4 gezeigte lichtemittierende GaN-HaIbleiterbauelement hat eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur. Dazu wird die GaN-Dünnschicht 35 mit !-Leitfähigkeit auf der GaN-Dünnschicht 34 abgeschieden. Die GaN-Dünnschicht ist wenn keine Verunreinigungssubstanzen zugegeben werden, ein Halbleiter mit hoher η-Leitfähigkeit. Folglich wird bei diesem Ausführungsbeispiel die GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit, die als Isolierschicht dient durch Aufdampfen einer kleinen Menge von Zn gebildet, das in einem zusätzlichen Tiegel enthalten ist der in der in F i g. 5 gezeigten Vorrichtung angeordnet wird; es kann auch eine Wolfram-Heizeinrichtung verwendet werden, und man fährt mit dem Aufwachsenlassen der GaN-Dünnschicht 35 auf der GaN-Dünnschicht 34 fort, so daß Zn, welches eine Donator-Verunreinigungssubstanz in der GaN-Dünnschicht kompensiert in die GaN-Dünnschicht eingeführt werden kann. Bei dem in F i g. 4 gezeigten, lichtemittierenden GaN-Halbleiterbauelement hat die GaN-Dünnschicht 34 eine Dicke von 0,2 μΐη und einen spezifischen Widerstand von 500 Ω cm. Die GaN-Dünnschicht 35 mit i-Leitfähigkeit hat eine Dicke von 0,5 μπι bis 2 μΐπ und einen spezifischen Widerstand von 10» bis 10" Ω cm.
Die Elektrode 36 wird dadurch hergestellt, daß man Zn oder Al auf der Oberfläche der GaN-Dünnschicht 35 mit der i-Leitfähigkeit aufdampft und das aufgedampfte Zn oder Al einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 2000C während einer Stunde im Vakuum unterwirft.
Die Anschlußdrähte 37 und 38 werden an der leitfähigen, transparenten Dünnschicht 32 bzw. an der Metall-
elektrode 36 angeschlossen. Die Metallelektrode 36 kann weggelassen werden, wenn ein Wolframdraht als Zuleitungsdraht 38 verwendet und ein Punktkontakt an der GaN-Dünnschicht 35 durch den Wolframdraht her gestellt wird.
Das in Fig.4 gezeigte, lichtemittierende GaN-Halbleiterbauelement ergibt eine blaue oder bläulich-weiße Emission zwischen der GaN-Dünnschicht 34 und der GaN-Dünnschicht 35 mit !-Leitfähigkeit wenn eine
ίο Gleichspannung von etwa 5 bis 10 V an die Anschlußdrähte 37 und 38 angelegt wird, wobei der Anschlußdraht 37 negativ und der Anschlußdraht 38 positiv gepolt wird. Die Emission kann durch die- ZnO-Deckschicht 33, die transparente, leitfähige Schicht 32 und das Substrat 31 beobachtet werden. Das Halbleiterbauelement kann auch zwischen der GaN-Dünnschicht 35 und der Elektrode 36 emittieren.
F i g. 8 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes von Fig.4. Wie aus Fig.8 zu ersehen ist zeigt das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiei eine Strom-Spannungs-Charakteristik, die symmetrisch in bezug auf die Polarität der Gleichspannung ist und eine Hysteresekurve hat wenn die Spannung erhöht und herabgesetzt wird. Ferner kann ein den Strom begrenzender, negativer Widerstand bei einer Spannung von etwa 5 bis 10 V beobachtet werden.
Um die Art des Stromflusses in dem Halbleiterbauelement von F i g. 4 ru prüfen, wird eine Spannung an die Anschlußdrähte 37 und 38 angelegt, so daß der Anschlußdraht 37 negativ und der Anschlußdraht 38 positiv gepolt wird. Die Strom-Spannungs-Charakteristik bei Zimmertemperatur ist in F i g. 9 gezeigt. Das Resultat der Messungen zeigt daß das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Strom-Spannungs-Charakteristik hat, die sich von dem Ohm'schen Bereich (I ~ V), der bei (a) gezeigt ist, zu einem quadratischen Bereich (I — V2), der bei (b) gezeigt ist, erstreckt Ferner ist zu ersehen, daß der durch das Halbleiterbauelement nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fließende Strom ein raumladungsbegrenzter Strom ist, der durch die Gleichung
/~ V»(n= I,2oder3)
ausgedrückt wird statt durch den Strom nach dem Fowler-Nordheim-Modell, der durch die Gleichung
/~ Vexp(-Wl/2)
ausgedrückt wird.
Obwohl ein Halbleiterbauelement mit einer Mciall-Isolator-Halbleiter-Anordnung oben als Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es auch möglich, lichte- mutierende Halbleiterbauelemente mit p-n-Grenzschicht dadurch herzustellen, daß man eine GaN-Dünnschicht mit p-Leitfähigkeit abscheidet die dadurch gebildet wird, daß man das Wachstum der GaN-Dünnschicht auf der GaN-Dünnschicht 34 fortsetzt, während
so man Ge verdampft, das als Akzeptor-Verunreinigungssubstanz in der GaN-Dünnschicht 35 wirkt, die auf der GaN-Dünnschicht 34 aufwächst. Als alternatives Ausführungsbeispiel kann eine GaN-Dünnschicht mit p-Leitfähigkeit direkt auf der ZnO-Deckschicht 33 aufge- bracht werden, weil ZnO n- Leitfähigkeit besitzt.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem Substrat, mit einer Deckschicht auf dem Substrat und mit einer auf der Deckschicht aufgewachsenen kristallinen Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (2, 33) kristallin ist und eine bevorzugte Orientierung nach der C-Achse aufweist, daß die bevorzugte Orientierung der Kristallachse der Halbleiterschicht (3,34) durch die Orientierung der Kristallachse der Deckschicht (2,33) bestimmt ist, und daß die Abweichung der Gitterkonstanten zwischen der Gitterkonstante der Deckschicht (2,33) und der Gitterkonstante der Halbleiterschicht (3,34) weniger als 20% beträgt
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Deckschicht (?, 33) aus einem .Material mit hexagonaler Kristallstruktur besteht
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (2,33) aus BeO besteht
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (2,33) aus ZnO besteht
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3, 34) aus einer AniBv-Verbindung besteht
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3, 34) aus einer AiiBvi-Vtrbinduiig besteht
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3, 34) aus einer aus einem Element bestehenden Substanz mit Halbleitereigenschaften besteht
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3, 34) aus einem Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, SiC und AlN besteht
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (3, 34) aus einem Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, SiC, AlN, GaN und CdS besteht
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (2, 33) aus ZnO und die Halbleiterschicht (3,34) aus GaN besteht
11. Halbletterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine weitere, auf der ersten Halbleiterschicht (3) abgeschiedene Halbleiterschicht (4) des zur Halbleiterschicht (3) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und durch Elektroden (5, 6) auf den entsprechenden Oberflächen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht (3, 4) (Fig. 1).
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (31) eine Leiterschicht (32) vorgesehen ist, daß die Deckschicht eine auf der Leiterschicht (32) angeordnete ZnO-Dünnschicht (33) ist, daß die auf der ZnO-Dünnschicht (33) aufgewachsene Halbleiterschicht eine erste GaN-Dünnschicht (34) ist, auf der eine zweite GaN-Dünnschicht (35) mit !-Leitfähigkeit aufgewachsen ist, und daß eine Elektrode (36) auf der zweiten GaN-Dünnschicht (35) vorgesehen ist (F ig. 4).
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die erste GaN-Dünnschicht (34) einen ersten Leitfähigkeitstyp und die zweite GaN-Dünnschicht (35) den zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (1,31) aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas, rostfreiem Stahl und Kunststoff besteht
15. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die kristalline Deckschicht (2,33) aufgedampft wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen der Deckschicht das Agglomerat-Aufdampfverfahren mit wenigstens teilweise ionisierten Agglomeraten angewandt wird.
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