DE60037526T2

DE60037526T2 - P-typ zinkoxid-einkristall mit niedrigem widerstand und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60037526T2
Application number: DE60037526T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Kochi-shi YAMAMOTO; Hiroshi Kawanishi-shi Yoshida; Takafumi Tsukuba-shi YAO
Original assignee: Kochi University of Technology
Current assignee: Kochi University of Technology
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: EP1215310B1; TW499511B; JP4126332B2; US6896731B1; KR100494376B1; WO2001012884A1; EP1215310A1; EP1215310A4; JP2001048698A; KR20020034174A; DE60037526D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einkristallzinkoxid (ZnO) des P-Typs mit niedrigem Widerstand und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
ZUGRUNDELIEGENDER STAND DER TECHNIK
Es war bisher ohne jegliche Schwierigkeiten möglich, ein ZnO des N-Typs mit niedrigem Widerstand herzustellen, und zwar mittels einer herkömmlichen B-, Al-, Ga- oder In-Dotierungstechnik. Jedoch hat es, was ZnO des P-Typs betrifft, bisher nur Berichte über ein ZnO des P-Typs mit hohem Widerstand gegeben, das mittels N-(Stickstoff-)Dotierung erlangt wurde. Beispielsweise wird vom Kasuga Laborstory of Engineering Department der Yamanashi University im 59. Meeting of the Japan Society of Applied Physics (Lesung Nr. 17p-YM-8, Japanese Journal of Applied Physics, Teil 2, Band. 36, Nr. 11 A, S. 1453, 1. Nov. 1997) über ein N-dotiertes ZnO des P-Typs berichtet. Die vom Kasuga Laborstory of Engineering Department der Yamanashi University präparierte Dünnschicht von ZnO des P-Typs ist aufgrund eines immer noch hohen Widerstands von 100 Ω·cm nicht für die praktische Anwendung geeignet. Ferner weist die Dünnschicht von ZnO des P-Typs ein anhaltendes Problem bezüglich einer experimentellen Wiederholbarkeit dahingehend auf, dass sein Leitungstyp nach dem Härten invers vom P-Typ zum N-Typ wechselt, und ist nicht zu einem wirkungsvollen ZnO des P-Typs mit niedrigem Widerstand entwickelt worden.
Li ist eines der Elemente der ersten Gruppe des Periodensystems und wird als ein Akzeptor zum Herstellen von P-Typ-Materialien herangezogen. Vordem ist eine Li-Dotierung nur zum Herstellen von ZnO-Dünnschichten mit hohem Widerstand verwendet worden, und solche Dotiereffekte werden eher auf dem Gebiet dielektrischer Materialien wie elektrischer Isolatoren als bei Materialien für Halbleitervorrichtungen untersucht. Beispielsweise wird im Journal of the Physical Society of Japan, Band. 53, Nr. 4, S. 282–286, Akira Onodera (Graduate School of Science, Hokkaido University) berichtet, dass ein Li-dotiertes ZnO mit hohem Widerstand (spezifischem Widerstand) von 10¹⁰ Ω·cm als ein Spei chermaterial mittels eines Einkristallaufwuchsverfahrens, dem sogenannten Hydrothermalverfahren, präpariert wird.
(Durch die Erfindung zu lösendes Problem)
Aus ZnO mit einer Leitfähigkeit des P-Typs können verschiedene P-Typ-ZnO-Dünnschichten mit hohem Widerstand hergestellt werden, wohingegen es schwierig ist, eine ZnO-Einkristall-Dünnschicht mit niedrigem Widerstand aufwachsen zu lassen und gleichzeitig die Leitfähigkeit des P-Typs aufgrund von Selbstkompensierungseffekten und niedriger Löslichkeit von P-Typ-Dotiermaterialien zu erhalten.
Falls ein P-Typ-ZnO mit niedrigem Widerstand als eine ZnO-Einkristall-Dünn schicht synthetisiert werden kann, wird es möglich, einen P-N-Übergang zwischen halbleitenden ZnO-(Zinkoxid-)Verbindungen derselben Art zu erreichen, und zwar mittels Kombinierens des synthetisierten P-Typ-ZnO mit niedrigem Widerstand mit dem N-Typ-ZnO (Zinkoxid) mit niedrigem Widerstand, was bereits durch den Störstellendotierablauf unter Verwendung von B (Bor), Al (Aluminium), Ga (Gallium) oder In (Indium) in die Praxis umgesetzt worden ist. Dieser P-N-Übergang, bezeichnet als ein Homoübergang, macht es möglich, verschiedene Halbleitervorrichtungen herzustellen, wie beispielsweise eine Implantationsleuchtdiode, Laserdiode und Dünnschichtsolarzelle, und zwar mit hoher Qualität und geringen Kosten. Beispielsweise kann das oben genannte ZnO zum Herstellen einer Ultraviolettlaserdiode verwendet werden, die zum Aufzeichnen mit hoher Dichte bzw. High-Density-Aufzeichnen oder zur Informationsübertragung im großen Rahmen nötig ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
(Mittel zum Lösen des Problems)
Um das obige Problem zu lösen, haben die Erfinder ein neuartiges Dotierverfahren zum Einbetten eines P-Typ-Dotiermaterials in ZnO entwickelt, um eine verbesserte Stabilisierung in ZnO zu erreichen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand, das einen P-Typ und einen N-Typ enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand, das einen P-Typ, einen N-Typ und ein Gruppe-2-Element enthält.
Im erfindungsgemäßen ZnO-Einkristall des P-Typs mit niedrigem Widerstand, kann das N-Typ-Dotiermittel ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Al, Ga, In, Zn, F, Cl und H sein. Ferner kann das P-Typ-Element ein oder mehrere aus der Gruppe bestehend aus Li und Na ausgewählte Elemente sein.
Das Konzentrationsverhältnis des enthaltenen P-Typ-Dotiermittels zum enthaltenen N-Typ-Dotiermittel ist vorzugsweise im Bereich von 1,3:1 bis 3:1, am stärksten bevorzugt bei 2:1 angesetzt.
Das erfindungsgemäße Einkristall-ZnO des P-Typs mit niedrigem Widerstand weist eine Löcherkonzentration von 2 × 10¹⁸/cm³ oder mehr, bevorzugter 1 × 10¹⁹/cm³ oder mehr, auf. Ferner weist das Einkristall-ZnO des P-Typs mit niedrigem Widerstand einen elektrischen Widerstand von 20 Ω·cm oder weniger, bevorzugter 10 Ω·cm oder weniger und insbesondere weniger als 1 Ω·cm auf.
Das N-Typ-Dotiermittel und das P-Typ-Dotiermittel werden in einem ZnO-Einkristall gepaart mittels Dotierens der N-Typ- und P-Typ-Dotiermittel in den ZnO-Einkristall. In diesem Zustand werden Ladungsträger nicht mittels der P-Typ-Dotiermittel mit einer Ladung gestreut, sondern mittels P-Typ-Dotiermitteln mit einer kleineren Ladung, die mittels des N-Typ-Dotiermittels mit einer entgegengesetzten Ladung zu der des P-Typ-Dotiermittels abgeschirmt wird. Somit wird die Löcherbeweglichkeit von Ladungsträgern erheblich erhöht, und da durch kann ein Einkristall-ZnO des P-Typs mit niedrigem Widerstand erlangt werden.
Die Gruppe-2-Elemente des Periodensystems haben keinen Einfluss auf den Leitungstyp und tragen zur Stabilisierung von Sauerstoffen in der grundlegenden halbleitenden ZnO-Verbindung bei, um eine Funktion eines Verringerns der Konzentration von freien Sauerstoffstellen auszuführen. In den Gruppe-2-Elementen ist es besonders erwünscht, dass Mg und/oder Be diese Funktion erfüllen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristallzinkoxids des P-Typs mit geringem Widerstand, bei dem ein N-Typ-Dotiermittel und ein P-Typ-Dotiermittel in Zinkoxid dotiert sind, und zwar mit einer höheren Konzentration des P-Typ-Dotiermittels als der Konzentration des N-Typ-Dotiermittels während der Ausbildung eines Einkristalls des Zinkoxids über einen Dünnschichtausbildungsprozess.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristallzinkoxids des P-Typs mit geringem Widerstand, bei dem N-Typ- und P-Typ-Dotiermittel und Mg und/oder Be in das Zinkoxid dotiert sind und zwar mit einer höheren Konzentration des P-Typ-Dotiermittels als der Konzentration des N-Typ-Dotiermittels und der des Mg und/oder Be während der Ausbildung eines Einkristalls des Zinkoxids über einen Dünnschichtausbildungsprozess.
In diesem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Einkristallzinkoxids des P-Typs mit geringem Widerstand mag der Dünnschichtbildungsablauf den Schritt des Zuführens eines atomaren Gases von einer Zn-Festkörperquelle und eines Aktivsauerstoffs auf ein Halbleitersubstrat umfasst, um eine Einkristall-Zinkoxiddünnschicht auf dem Substrat aufzubringen bzw. aufwachsen zu lassen.
In den obigen Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Einkristallzinkoxids des P-Typs mit niedrigem Widerstand mag ein atomares Gas, das von einer Zn-Festkörperquelle mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie ("Metal Organic Chemical Vapor Deposition"; MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie ("Molecular Beam Epitaxy"; MBE) unter Verwendung eines atomaren Strahls und eines Aktivsauerstoffs verdampft wird, bei einer niedrigen Temperatur fließend auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht werden, um eine Einkristallzinkoxiddünnschicht unter einem ausreichenden Sauerstoffplasma auf dem Halbleitersubstrat aufwachsen zu lassen. Während dieses Ablaufs werden die P-Typ- und N-Typ-Dotiermittel und zumindest eines der Gruppe-2-Elemente in das Zinkoxid dotiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die P-Typ- und N-Typ-Dotiermittel den Anstieg von elektrostatischer Energie aufgrund der Coulomb-Reaktionskraft zwischen den P-Typ-Dotiermitteln unterdrücken und eine Coulomb-Anziehungskraft zwischen den N-Typ- und P-Typ-Dotiermitteln zum Vorschein kommen lassen, um einen Energiezuwachs zu erzeugen. Die Verstärkung aufgrund der obigen elektrostatischen Wechselwirkung ermöglicht es, dass mehr Dotiermittel des P-Typs effektiv eingebaut werden, um eine weiter verbesserte Stabilisierung der Ionenladungsverteilungen in ZnO zu erreichen. Somit kann das Dotiermittel des P-Typs in einer hohen Konzentration stabil dotiert werden. Obwohl die Dotiermittel des N- und des P-Typs separat zu verschiedenen Zeitpunkten dotiert werden können, ist es wünschenswert, sie gleichzeitig zu dotieren oder gemeinsam zu dotieren.
Die höhere Konzentration des P-Typ-Dotiermittels im Vergleich zu der des N-Typ-Dotiermittels kann insbesondere mittels Einstellens ihrer Menge, die einzubauen ist, oder des Drucks des atomaren Gases bereitgestellt werden. Das P-Typ-Dotiermittel und/oder das N-Typ-Dotiermittel und/oder das Gruppe-2-Element können in eine atomare Form ungewandelt werden, und zwar indem sie elektronisch angeregt werden unter Verwendung von Funkfrequenzwellen, Lasern, Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlen.
Vorzugsweise weist das Substrat eine Temperatur auf, die von 300°C bis 650°C reicht. Die Temperatur von weniger als 300°C verursacht eine stark verringerte Aufwuchsrate der Dünnschicht, welche für die praktische Anwendung nicht geeignet ist. Die Temperatur von mehr als 650°C verursacht ein intensives Ausströmen von Sauerstoff, was zu erhöhten Defekten, einer verschlechterten Kristallbildung und verringerten Dotiereffekten führt. Das Substrat mag ein Siliziumeinkristallsubstrat, ein Siliziumeinkristallsubstrat mit einer darin ausgebildeten SiC-Schicht und ein Saphireinkristallsubstrat umfassen. Vorzugsweise weist das Substrat die gleiche Kristallstruktur wie die von ZnO auf und weist fast die gleiche Gitterkonstante wie die von ZnO auf. Jedoch erfüllen keine der obigen aktuell verwendeten Substrate diese Anforderung, und dadurch gibt es keinen signifikanten Unterschied in Vorteil und Nachteil zwischen ihnen. Ferner mögen das Substrat und die Dünnschicht zwischen ihnen eine Chromoxidschicht oder eine Titanoxidschicht mit einem Durchschnittswert von jeweiligen Gitterkonstanten des Substrats und der Dünnschicht eingefügt haben, um eine Uneinheitlichkeit in den Kristallgittern zu verringern.
Ferner ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass nach einem Bilden des P-Typ-Einkristallzinkoxids mit niedrigem Widerstand am Substrat das gebildete Einkristallzinkoxid auf Raumtemperatur heruntergekühlt wird und dann einer Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur, die beispielsweise von 100 bis 250°C reicht, unter einem elektrischen Feld unterzogen wird. Dies ermöglicht es Wasserstoff, der sich allgemein als Donator verhält, nach außen entfernt zu werden.
Die Größe der Energielücke kann mittels Kombinierens des P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand mit dem herkömmlichen N-Typ-ZnO mit niedrigem Widerstand (Zinkoxid) frei gesteuert werden. Dies stellt ein Optoelektronikmaterial mit einer hohen Leistung über den Bereich von sichtbarem Licht zu ultraviolettem Licht und einem breiten Anwendungsbereich in einer Implantations-Leuchtdiode oder Laserdiode bereit. Ferner kann der Anwendungsbereich auf verschiedene photoelektrische Umwandlungsvorrichtungen oder Halbleiter mit niedrigem Widerstand, wie beispielsweise eine Solarzelle, ausgeweitet werden.
Ferner kann ein Magnetismus-Halbleiter-Hybridfunktionselement mittels Dotierens eines Übergangsmetalls, Mn, Fe oder Co, welches ein magnetisches Element ist, in die Dünnschicht des P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand hergestellt werden.
(Funktion)
Gemäß den Dotiereffekten in der vorliegenden Erfindung wird ein Donator-Akzeptor-Paar (z. B. Li-F-Li) im Kristall ausgebildet, (1) um den Anstieg elektrostatischer Energie aufgrund einer Coulomb-Reaktionskraft zwischen den P-Typ-Dotiermitteln zu unterdrücken und die Löslichkeit von zusätzlichen P-Typ-Dotiermitteln zu erhöhen, und (2) um es zu ermöglichen, dass das Streuausmaß der Dotiermittel, das auf die Dynamik der Löcher agiert, welches 100 Ångström oder mehr in einer Einzeldotierung entspricht, in einem kürzeren Bereich von einigen Zehn Ångström zu interagieren, und es somit zu ermöglichen, dass eine durchschnittliche freie Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht wird.
Ferner wird das Gruppe-2-Element, insbesondere Mg oder Be, dotiert, (3) um eine starke chemische Bindung zwischen Mg-O oder Be-O im Kristall zu bilden, um zu verhindern, dass Sauerstoff ausströmt. Die obigen drei Effekte machen es möglich, das P-Typ-Dotiermittel in einer hohen Konzentration stabil zu dotieren, und das sich daraus ergebende P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand kann als ein Optoelektronikmaterial über den Bereich von sichtbarem Licht zu ultraviolettem Licht verwendet werden.
Während die Einkristall-ZnO-Dünnschicht insbesondere dazu neigt, dass Sauerstoff ausströmt, besetzen ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Al, Ga, In, Zn, F, Cl und H die sich ergebende freie Sauerstoffstelle, um die Verschlechterung einer Kristallbildung aufgrund der Bildung der freien Stellen zu verhindern, und das P-Typ-Dotiermittel, typischerweise ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Li und Na, wird bei einer Zn-Koordinate mittels Ionenbindens stabilisiert.
Beispielsweise werden Li und F als ein P-Typ-Dotiermittel bzw. ein N-Typ-Dotiermittel verwendet, und diese Dotiermittel werden beispielsweise mittels F:Li = 1:2 dotiert. Als ein Ergebnis wird eine starke chemische Bindung zwischen benachbarten F und Li erzeugt, um ein einen Komplex von Li-F-Li in der ZnO-Kristalldünnschicht zu bilden. Falls Li einzeln dotiert wird, wird die Energie im Gittersystem erhöht, und dadurch wird eine freie Sauerstoffstelle induziert. Die freie Stelle wirkt als ein Donator und verursacht die Verschlechterung einer Kristallbildung. Somit bewegt sich Li zwischen Gittern, und dadurch wird die Rolle von Li invers von Akzeptor zu Donator umgetauscht. Dies blockiert die Erzeugung einer P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht mit niedrigem Widerstand.
Andererseits wird dotiertes Li in einem gemeinsam F- und Li-dotierten Kristall stabilisiert, nachdem der Komplex gebildet wurde, und dadurch bewegt sich das stabilisierte Li auf ein flaches Niveau. Dies ermöglicht es, dass mehr Ladungsträger bei niedrigerer Temperatur (bei der Temperatur, die näher an der Raumtemperatur liegt) erzeugt werden, um eine gewünschte P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht mit niedrigem Widerstand bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein konzeptionelles Diagramm, dass die schematische innere Struktur einer Vakuumkammer zum Ausbilden einer P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht an einem Substrat mittels Verwendens des MBE-Verfahrens zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration von P-Typ-Dotiermitteln und N-Typ-Dotiermitteln zeigt, welche mittels Verwendens des Berechnungsverfahrens einer Bandstruktur nach Grundprinzipien bestimmt wird.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf ein Beispiel wird nun ein Verfahren zum Ausbilden der P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht an einem Substrat mittels Verwendens des MBE-Verfahrens genauer beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, wurde ein Saphirsubstrat 2 in einer Vakuumkammer 1 mit einem konstant gehaltenen Innendruck von 1,33 × 10^–6 Pa (10^–8 Torr) platziert, und ein atomares Zn-Gas und ein atomares O-Gas wurden dem Substrat 2 zugeführt, um eine ZnO-Dünnschicht am Substrat 2 herzustellen. Das atomare Zn-Gas wurde mittels Erwärmens einer Zn-Festkörperquelle mit einer Reinheit von 99,99999% mit einer Heizvorrichtung hergestellt, um es in eine atomare Form zu bringen. Das atomare O-Gas wurde mittels Aktivierens von Sauerstoff mit einer Reinheit von 99,99999% mit einer Funkfrequenz-Radikalzelle hergestellt. Li, das als ein P-Typ-Akzeptor wirkt, und F, das als ein N-Typ-Donator wirkt, wurden mittels Abstrahlens des Mikrowellenniveaus von elektromagnetischen Wellen auf ein entsprechendes molekulares Gas oder mittels Bringens einer entsprechenden Elementarzelle in eine atomare Form unter einer hohen Temperatur präpariert. 1 zeigt eine RF-("radio frequencies"; Funkfrequenz-)Spule 3, eine Heizvorrichtung 4 und eine Elementarzelle (Li-Quelle) 5, welche in diesem Verfahren verwendet werden. Während eines Bildens einer Dünnschicht wurden F als ein N-Typ-Dotiermittel und Li als ein P-Typ-Dotiermittel bei einem Teildruck von 1,33 × 10^–5 Pa (10^–7 Torr) bzw. einem Teildruck von 6,66 × 10^–8 Pa (5 × 10^–7 Torr) gleichzeitig dem Substrat 2 zugeführt, um das Kristallwachstum zum Bilden einer P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht 6 bei jeder der Temperaturen 350°C, 400°C, 450°C und 600°C hervorzurufen.
Für die P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht, die bei jeder der obigen Kristallaufwuchstemperaturen erlangt wird, wurden eine Löcherkonzentration, ein Widerstand und eine Löcherbeweglichkeit gemäß einer Löchermessung und eines Four-Probe-Verfahrens bestimmt. Tabelle 1 zeigt dieses Messergebnis mit einem Vergleich zu dem Fall, bei dem nur Li als ein P-Typ-Dotiermittel einzeln dotiert wurde, ohne F als ein N-Typ-Dotiermittel mitzudotieren.
Tabelle 1 zeigt außerdem den Fall (2), bei dem Mg und Li gemeinsam dotiert wurden, und den Fall (4), bei dem Li, F und Mg gemeinsam dotiert wurden. In diesen Fällen wurde Mg mittels Abstrahlens des Mikrowellenniveaus von elektromagnetischen Wellen auf ein entsprechendes molekulares Gas oder mittels Bringens einer entsprechenden Elementarzelle in eine atomare Form unter einer hohen Temperatur präpariert. Im Fall eines gemeinsamen Dotierens aller drei von Li, F und Mg ist eine zusätzliche Komponente nur eine Elementarzelle.

Wie aus der in Tabelle 1 gezeigten Löcherkonzentration (Anzahl/cm³) ersichtlich, stellt eine höhere Aufwuchstemperatur eine höhere Löcherkonzentration bereit. Im Vergleich mit dem Ergebnis eines Dotierens von Li allein (1), zeigt jedes der Ergebnisse eines gemeinsamen Dotierens von Li und Mg (2), das Ergebnis eines gemeinsamen Dotierens von Li und F (3) und das Ergebnis eines gemeinsamen Dotierens von Li, F und Mg (4) alle eine Löcherkonzentration mit einer um drei oder mehr höheren Größenordnung. (Tabelle 1)

Substrattemperatur (°C)	Löcherkonzentration (Anzahl/cm³)				Löcherbeweglichkeit (cm²/V – g)				Widerstand (Ω·cm)
Substrattemperatur (°C)	(1) 10¹⁵	(2) 10¹⁸	(3) 10¹⁸	(4) 10¹⁸	(1)	(2)	(3)	(4)	(0) 10⁸	(2)	(3)	(4)
350	1	2	10	8	-	80	75	75	90	20	8	10
400	3	3	15	10	-	85	80	78	60	9	2	3
450	6	8	50	20	-	90	95	88	10	0,9	0,3	0,4
600	8	10	90	60	-	93	150	105	2	0,25	0,01	0,08

(1) das Ergebnis eines Dotierens von Li allein.
(2) das Ergebnis eines gemeinsamen Dotierens von Li und Mg.
(3) das Ergebnis eines gemeinsamen Dotierens von Li und F.
(4) das Ergebnis eines gemeinsamen Dotierens von Li, F und Mg.

Ferner wird im Vergleich zum Ergebnis eines Dotierens nur von Li (1) bewiesen, dass jedes der Ergebnisse (2) bis (4) eine Löcherbeweglichkeit (cm²/V·g) mit einer um zwei oder mehr höheren Größenordnung aufweist. Im Fall eines gemeinsamen Dotierens hat sich der Widerstand (Ω·cm) in umgekehrter Proportion zum Produkt der Löcherkonzentration und der Löcherbeweglichkeit um fünf oder mehr Größenordnungen verringert im Vergleich zu dem Fall eines einzelnen Dotierens, und sinkt sogar auf 10 Ω·cm ab, wenn die Substrattemperatur 400°C oder mehr beträgt.
Ferner konnte in dem Beispiel eines gemeinsamen Dotierens dreier Elemente Li, F und Mg selbst bei einer niedrigen Kristallaufwuchstemperatur von 350°C eine P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht mit einer hohen Löcherkonzentration von 8 × 10¹⁸ (Anzahl/cm³) erlangt werden. Somit könnte eine P-Typ-Einkristall-ZnO-Dünnschicht mit einem niedrigem Widerstand von 10 Ω·cm erlangt werden.
2 zeigt die Konfiguration von zwei Akzeptoren und einem Donator in einem ZnO-Kristall, welche mittels Verwendens des Berechnungsverfahrens einer Bandstruktur nach Grundprinzipien bestimmt wird. Wie in 2 zu sehen, ist bestätigt worden, dass die kristallographische Konfiguration von Li mittels Hinzufügens von Li als einem Akzeptor und F als einem Donator im ZnO-Kristall stabilisiert wurde und dadurch Li in einer hohen Konzentration stabil dotiert werden konnte. Mg des Gruppe-2-Elements befindet sich im Wesentlichen unabhängig von Li und F, um Sauerstoff zu stabilisieren.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, ist ZnO der vorliegenden Erfindung ein neuartiges P-Typ-Einkristall-ZnO mit niedrigem Widerstand, welches nicht erreicht worden ist, und dieses Einkristall-ZnO weist einen breiteren innovativen Anwendungs bereich auf. Ferner macht es das Verfahren der vorliegenden Erfindung möglich, das Einkristallzinkoxid des P-Typs mit niedrigem Widerstand leicht zu erlangen.

Claims

Ein Zinkoxydeinkristall des P-Typs mit niedrigem Widerstand, das ein P-Typ-Dotiermittel und ein N-Typ-Dotiermittel aufweist, wobei das P-Typ-Dotiermittel ein oder mehrere Element(e) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li und Na ist.
Zinkoxydeinkristall des P-Typs mit geringem Widerstand, das ein P-Typ-Dotiermittel und ein N-Typ-Dotiermittel aufweist, sowie ein Gruppe-2-Element.
Zinkoxydeinkristall des P-Typs mit geringem Widerstand nach Anspruch 1, wobei eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li und Na ist und wobei das N-Typ-Dotiermittel eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Al, Ga, In, Zn, F, Cl und H ist.
Zinkoxydeinkristall des P-Typs mit geringem Widerstand nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Gruppe-2-Element Mg und/oder Be ist.
Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxydeinkristalls des P-Typs mit geringem Widerstand, bei dem ein N-Typ-Dotiermittel und ein P-Typ-Dotiermittel in das Zinkoxyd dotiert sind und zwar mit einer höheren Konzentration des P-Typ-Dotiermittels als der Konzentration des N-Typ-Dotiermittels während der Ausbildung eines Einkristalls des Zinkoxyds über einen Dünnfilmausbildungsprozess.
Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxydeinkristalls des P-Typs mit geringem Widerstand, bei dem N-Typ- und P-Typ-Dotiermittel und wenigstens Mg und/oder Be in das Zinkoxyd dotiert werden und zwar mit einer höheren Konzentration des P-Typ-Dotiermittels als der Konzentration des N-Typ-Dotiermittels und der Konzentration von Mg und/oder Be während der Ausbildung eines Einkristalls des Zinkoxyds, und zwar über einen Dünnfilmausbildungsprozess.
Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxydeinkristalls des P-Typs mit geringem Widerstand, nach Anspruch 5 oder 6, das ferner den Schritt des Lieferns eines atomaren Gases von einer Zn-Festkörperquelle und eines aktiven Sauerstoffs auf ein Halbleitersubstrat umfasst, um einen Einkristall-Zinkoxyddünnfilm auf dem Substrat aufzubringen bzw. aufzuwachsen.
Verfahren zum Herstellen eines Zinkoxydeinkristalls des P-Typs mit geringem Widerstand nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das ferner den Schritt des Kühlens des ausgebildeten Zinkoxydeinkristalls des P-Typs mit geringem Widerstand auf dem Substrat aufweist und aussetzen des gekühlten Zinkoxydeinkristalls gegenüber einer Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur unter einem elektrischen Feld.