DE69203736T2 - Kristallzuchtverfahren für Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis. - Google Patents

Kristallzuchtverfahren für Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis.

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DE69203736T2 DE1992603736 DE69203736T DE69203736T2 DE 69203736 T2 DE69203736 T2 DE 69203736T2 DE 1992603736 DE1992603736 DE 1992603736 DE 69203736 T DE69203736 T DE 69203736T DE 69203736 T2 DE69203736 T2 DE 69203736T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachen von Kristallen eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis auf einem aus z.B. Saphir bestehenden Substrat, und insbesondere ein Verfahren zum Aufwachsen einer epitaktischen Schicht eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis mit hoher Kristallinität.
  • In jüngster Zeit fand Beachtung ein blaues Licht emittierendes Bauelement unter Verwendung eines Verbindungshalbleiters auf Galliumaluminiumnitrid-Basis, z.B. eine Verbindung dargestellt durch die Formel GaXal1-xN (0 ≤ x ≤ 1).
  • Als Verfahren zum Aufwachsen von Kristallen derartiger Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis ist ein metallorganisches, chemisches Dampfabscheidungsverfahren (bezeichnet als MOCVD-Verfahren) bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein organometallisches Verbindungsgas als Reaktionsgas einem Reaktor zugeführt, in welchem ein Saphirsubstrat positioniert ist und die Oberflächentemperatur des Substrats wird bei einer hohen Temperatur von 900ºC bis 1100ºC gehalten, womit eine epitaktische Schicht des Verbindungshalbleiters auf dem Substrat aufgewachsen wird. Zum Beispiel, wenn eine epitaktische Schicht aus GaN aufgewachsen werden soll, wird ein Gas aus Trimethylgallium und Ammoniakgas jeweils als das Ga-enthaltende Gas und das N-enthaltende Gas verwendet.
  • Um die aufgewachsene epitaktische Schicht aus einem Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis als lichtemittierendes Bauelement zu verwenden, ist es wesentlich, die Kristallinität zuerst zu verbessern.
  • Auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht aus GaAlN, gebildet direkt auf dem Saphirsubstrat unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens, werden vielfältige Projektionen und Vertiefungen in Form eines hexagonalen pyramidenähnlichen oder hexagonalen säulenähnlichen Wachstumsmusters erzeugt. Aus diesem Grund ist die kristalline Oberflächenmorphologie in dem erhaltenen Kristall sehr unzureichend. Daher ist es fast unmöglich, ein blaues Licht emittierendes Bauelement unter Verwendung einer Halbleiterschicht herzustellen, die vielfache Projektionen und Vertiefungen auf ihrer Oberfläche und eine sehr schlechte Oberflächenmorphologie aufweist, da die Ausbeute sehr gering ist.
  • Um die obigen Probleme zu lösen, wird sowohl in Applied Physics Letters 48 (1986), Seite 353 und in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 2-229476, zum Beispiel, ein Verfahren zum Aufwachsen einer AlN-Pufferschicht auf einem Substrat vor dem Aufwachsen einer epitaktischen Schicht eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird die AlN-Pufferschicht mit einer Schichtdicke von 100 bis 500 Å auf einem Saphirsubstrat bei einer relativ niedrigen Wachstumstemperatur von 400ºC bis 900ºC gebildet. Gemäß diesem Verfahren kann die Kristallinität und die Oberflächenmorphologie einer GaAlN-Epitaxieschicht bis zu einem gewissen Maß verbessert werden, indem die GaAlN- Epitaxieschicht auf der als Pufferschicht dienenden AlN-Schicht aufgewachsen wird.
  • Gleichermaßen offenbart die DE-OS 40 06 449 die Dampfabscheidung einer AlxGa1-xN-Schicht auf einer AlN-Pufferschicht. Die Pufferschicht wird bei einer Wachstumstemperatur zwischen 380 und 800ºC gebildet und hat eine Dicke von 10,0-50,0 nm. Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, die Wachstumsbedingungen der Pufferschicht strikt zu begrenzen. Insbesondere muß die Schichtdicke strikt auf einen sehr kleinen Wert von 100 bis 500 Å eingestellt werden. Darüberhinaus ist es schwierig, die Pufferschicht mit einer vorbestimmten Schichtdicke auf der ganzen Oberfläche des großflächigen Saphirsübstrats gleichförmig zu bilden, denn ein Saphirsubstrat weist z.B. einen Durchmesser von ungefähr 50 mm auf. Daher ist es schwierig, die Kristallinität und die Oberflächenmorphologie einer auf der Pufferschicht gebildeten GaAlN-Epitaxieschicht mit einer hohen Ausbeute zu verbessern. Weiterhin ist die erhaltene Kristallinität noch unbefriedigend, um eine brauchbare lichtemittierende Diode oder einen Kalbleiterlaser zu bilden, so daß weitere Verbesserungen notwendig sind.
  • Zusätzlich kann dieses Verfahren einen p-n-Übergang nicht realisieren, um eine lichtemittierende Diode oder ähnliches zur praktischen Anwendung zu bringen. Wenn generell ein lichtemittierendes Bauelement durch Bilduhg einer Verbindungshalbleiterschicht auf einem Substrat hergestellt werden soll, ist die Dotierung einer kleinen Menge einer Verunreinigung in den Verbindungshalbleiter, um eine Schicht des n- oder p-Typs zu bilden und auf diese Weise einen p-n-Übergang herzustellen, eine sehr effektive Maßnahme, um die Lichtausbeute des Bauelements zu verbessern. Bis heute ist jedoch noch kein blaues Licht emittierendes Bauelement entwickelt worden, welches ausreichende Lichtausbeute erzielt. Der Grund dafür liegt darin, daß der p-Leitfähigkeitstyp einer Halbleiterkristallschicht nicht erzeugt werden kann.
  • Bei konventionellen Verfahren ist es schwierig, eine Halbleiterkristallschicht des p-Typs zu bilden, auch wenn p-Typ-Verunreinigungen wie Zn und Mg in eine GaAlN-Epitaxieschicht dotiert werden können, da die Kristallschicht eine sehr schlechte Kristallinität aufweist. Aus diesem Grunde wird konventionellerweise n-Typ-GaN auf einem Saphirsubstrat aufgewachsen durch z.B., ein Halogenid-Dampfphasenepitaxie-(HVPE)-Kristallwachstumsverfahren, Zn-Diffusion wird für die aufgewachsene Schicht durchgeführt und eine I-Schicht wird gebildet, um ein blaues lichtemittierendes Bauelement mit einer MIS-Struktur herzustellen. Ein durch dieses Verfahren hergestelltes iichtemittierendes Bauelement kann jedoch eine befriedigende Effizienz in der Lichtstärke nicht realisieren.
  • Gemaß einem kürzlich vorgestellten Verfahren wird, um den p-Leitfähigkeitstyp einer Falbleiterkristallschicht zu erzeugen, Mg in einer GaN-Epitaxieschicht eindotiert, und dann die GaN-Schicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt (Oyo Butsuri, 1991, Vol. 60, Februar- Seiten 163 bis 166). Bei diesem Verfahren wird das MOCVD-Verfahren angewendet, um eine AlN-Pufferschicht mit einer Dicke von 0,02 bis 0,05 um auf einem Saphir-Substrat bei einer niedrigen Temperatur (etwa 400ºC bis 600ºC) zu bilden. Daran anschließend wird die Temperatur auf 1000ºC erhöht. Eine Mg-dotierte GaN- Schicht wird dann auf der AlN-Pufferschicht aufgewachsen und die Oberfläche wird mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um eine Mg-dotierte GaN-Schicht des p-Typs zu bilden.
  • Dieses Verfahren ist jedoch noch von einem praktischen Niveau weit entfernt. Die Charakteristiken dieser p-Typ-GaN-Schicht liegen nämlich nur bei einer maximalen Konzentration freier Löcher (Ladungsträgerkonzentration) von 10¹&sup7;/cm³ und bei einem spezifischen Widerstand von 12 Ωcm.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Situation gemacht und löst die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ein Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Baiss aufzuwachsen, der eine Kristallinität und eine Oberflächenmorphologie aufweist, die praktischen Erfordernissen entsprechen, mit einer hohen Stabilität und einer hohen Ausbeute unter Verwendung einer Pufferschicht.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches eine p- oder eine n-Typ-Halbleiterschicht auf einem exzellenten praktischen Niveau aufwachsen kann, um so die Bildung eines exzellenten p-n-Übergangs in GaAlN zur Verwendung in einem lichtemittierenden Bauelement zu erlauben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wie in Anspruch 1 beansprucht, ist ein Kristallwachstumsverfahren für einen Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis angegeben, umfassend die Verfahrensschritte:
  • Aufwachsen einer Pufferschicht aus der Dampfphase dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (wobei zu beachten ist, daß X innerhalb eines Bereichs von 0,5 ≤ X ≤ 1 liegt) auf einem Substrat bei einer ersten Temperatur ; und
  • Aufwachsen einer Kalbleiterschicht als der Dampfphase dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) auf der gebildeten Pufferschicht bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 19 beansprucht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Pufferschicht und/oder eine Verbindungshalbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis mit einer n- oder p-Typ-Verunreinigung auf einem Substrat auf der erhaltenen Pufferschicht dotiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur eines epitaxialen Wafers gemäß des Kristallwachstumsverfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur eines epitaxialen Wafers gemaß eines konventionellen Kristallwachstumsverfahrens;
  • Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Halbwertsbreite (FWHM) der Doppelkristall-Rocking-Kurve einer GaN-Epitaxieschicht und der Schichtdicke einer Pufferschicht;
  • Fig. 4 eine Mikrophotographie zur Darstellung der Struktur der Kristalle einer GaN-Epitaxieschicht;
  • Fig. 5 eine Mikrophotographie zur Darstellung der Struktur der Kristalle einer anderen GaN-Epitaxieschicht;
  • Fig. 6 eine Mikrophotographie zur Darstellung der Struktur der Kristalle einer weiteren anderen GaN-Epitaxieschicht;
  • Fig. 7 Mikrophotographie zur Darstellung der Struktur der Kristalle einer weiteren anderen GaN-Epitaxieschicht;
  • Fig. 8 eine teilweise schematische Querschnittsansicht zur Darstellung einer für die vorliegende Erfindung verwendeten Vorrichtung;
  • Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der zweidimensionalen Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration und der durch Kall-Messungen erhaltenen Beweglichkeit der GaN-Kristalle gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der zweidimensionalen Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration und der durch Hall-Messungen erhaltenen Beweglichkeit bei konventionellen GaN-Kristallen;
  • Fig. 11 eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur einer Ausführungsform eines Elements unter Verwendung einer Halbleiterkristallschicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 12 eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur einer anderen Ausfuhrungsform des Elements.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kristallwachstumsverfahren für einen Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis, umfassend die Verfahrensschritte:
  • Bildung einer Pufferschicht dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (zu beachten ist, daß X in dem Bereich 0,5 ≤ X ≤ 1 liegt) auf einem Substrat bei einer ersten Temperatur; und
  • Bildung einer Epitaxieschicht einer Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) auf der gebildeten Pufferschicht bei einer zweiten Temperatur.
  • Die Oberflächenschicht besteht vorzugsweise aus einer Verbindung auf Galliumnitrid-Basis.
  • Die Dicke der Pufferschicht ist vorzugsweise 0,001 um bis 0,5 um und besonders vorzugsweise 0,01 bis 0,2 um. Wenn die Dicke kleiner als 0,001 um oder größer als 0,5 um ist, neigt die Oberflächenmorphologie der auf der Pufferschicht gebildeten Epitaxieschicht der Verbindung auf Galliumnitrid-Basis zur Verschlechterung.
  • die erste Temperatur wird vorzugsweise auf 200ºC bis 900ºC und besonders vorzugsweise auf 400ºC bis 800ºC eingestellt. Falls die Temperatur niedriger als 200ºC ist, wird es schwierig, die Pufferschicht zu bilden. Falls die Temperatur höher als 900ºC ist, wird die Pufferschicht monokristallin und funktioniert daher nicht mehr als Pufferschicht.
  • Die Epitaxieschicht der auf der Pufferschicht gebildeten Verbindung wird durch die Formel GaXAl1-XN (zu beachten ist, daß X in dem Bereich 0 ≤ X ≤ 1 liegt).
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur eines epitaxialen Wafers, der erhalten wird, wenn eine Halbleiterschicht dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) auf einer Pufferschicht bestehend aus GaXAl1-XN (0,5 ≤ X ≤ 1) aufgewachsen wird. Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Struktur eines Wafers, der erhalten wird, wenn eine Halbleiterschicht auf Galliumnitrid-Basis auf einer GaN-Pufferschicht aufgewachsen wird.
  • Der zulässige Dickenbereich der Pufferschicht der vorliegenden Erfindung ist größer als der bei konventionellen Pufferschichten. Aus diesem Grund ist es möglich, Pufferschichten und Verbindungshalbleiterschichten dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) mit hoher Ausbeute aufzuwachsen.
  • Ein Verfahren zum Aufwachsen von Verbindungshalbleiterschichten auf Galliumnitrid-Basis unter Verwendung von AlN als eine Pufferschicht wird im einzelnen in, z.B., Thin Solid Films, 163 (1988) , Seite 415, oder Applied Physics Letters 48 (1986), Seite 353 beschrieben. Die in diesen Referenzen beschriebenen Effekte der Pufferschicht werden weiter unten kurz beschrieben.
  • AlN, welches bei niedriger Temperatur (etwa 600ºC) aufgewachsen wird, ist eine polykristalline Schicht. Wenn die Temperatur eines Substrats, auf welchem diese polykristalline AlN-Schicht gebildet wird, auf etwa 1000ºC erhöht wird, um z.B. GaN zu bilden, wird diese polykristalline Schicht teilweise monokristallin. Dieser monokristalline Teil dient als Keimkristall mit einer gleichförmigen Orientierung. Wenn die GaN-Epitaxieschicht bei 1000ºC aufgewachsen wird, wird die GaN-Epitaxieschicht von diesem Keimkristall aufgewachsen, so daß es möglich wird, daß eine gleichförmige GaN-Epitaxieschicht aufwächst. Falls keine Pufferschicht verwendet wird, dient das Saphirsubstrat selbst als Keimkristall. Da in diesem Fall jeder Oberflächenteil des Saphirsubstrats als Keimkristall wirkt, gibt es eine große Variation in Kristallorientierungen der auf dem Saphirsubstrat aufgewachsenen hexagonalen GaN-Säulen.
  • Durch Vergleich des Falls, in welchem GaXAl1-XN (0,5 ≤ x ≤ 1) als Pufferschicht gebildet wird in der vorliegenden Erfindung mit dem Fall, in welchem konventionelles AlN als Pufferschicht verwendet wird, kann die folgende Annahme gemacht werden.
  • Zuerst soll angenommen werden, daß GaN bei, z.B. X = 1 als Pufferschicht gebildet wird. In diesem Fall ist der Schmelzpunkt des GaN 1100ºC und der Schmelzpunkt von AlN ist 1700ºC. Wenn eine pufferschicht GaN bei 600ºC gebildet wird, resultiert eine polykristalline Schicht. Folglich, wenn die Temperatur des Substrats auf 1000ºC erhöht wird, um eine GaN-Epitaxieschicht auf dieser polykristallinen GaN-Schicht aufgewachsen wird, wird die GaN-Pufferschicht teilweise monokristallin. Wie in dem Fall, wo AlN als Pufferschicht verwendet wird, dient dieser monokristalline Teil als Keimkristall fur eine GaN-Epitaxieschicht.
  • Es wird angenommen, daß die folgenden Vorteile durch die vorliegende Erfindung erzielt werden können verglichen mit dem Fall, in welchem die AlN-Pufferschicht gebildet wird.
  • Erstens, da der Schmelzpunkt niedrig ist, tritt eine Umwandlung in Einkristalle aufgrund des Anstiegs der Temperatur leicht auf, daher können die Effekte einer Pufferschicht auch erwartet werden, wenn die Dicke der Pufferschicht erhöht wird.
  • Zweitens besteht die Pufferschicht aus GaN. Als Resultat kann eine Verbesserung in der Kristallinität erwartet werden, wenn die GaN-Epitaxieschicht auf der Pufferschicht aufgewachsen wird, denn die Epitaxieschicht ist auf der Schicht desselben Materials gebildet worden.
  • Um die obengenannten Vorteile zu bestatigen, wurden drei Typen von Pufferschichten bestehend aus AlN, Ga0,5Al0,5N' und GaN unabhängig voneinander auf Saphirsubstraten bei 600ºC gebildet, und eine 4um dicke GaN-Epitaxieschicht wurde auf jedem der gebildeten Schichten bei 1000ºC aufgewachsen. Eine Messung der Halbwertsbreite (FWHM) der Doppelkristall- Röntgen-Rockingkurve von jeder GaN-Epitaxieschicht wurde durchgeführt. Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung zwischen der FWHM und der Schichtdicke der Pufferschicht. In Fig. 3 ist die Kristallinität umso besser, je kleiner die FWHM ist.
  • Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde gefunden, daß wenn GaN als Pufferschicht gebildet wird, eine verbesserte Kristallinität über einen größeren Schichtdickenbereich der Pufferschicht erzielt werden konnte und daß der Effekt des Ga0,5Al0,5N, in der Mitte dieser drei Fälle lag. Dies deutet an, daß die oben angenommenen Vorteile richtig sind.
  • Fig. 4 bis 7 sind Mikrophotographien zur Darstellung der Strukturen der Oberflächen der GaN-Epitaxieschichten, die erhalten werden, wenn GaN-Pufferschichten mit verschiedenen Schichtdicken auf Saphirsubstraten gebildet wurden und 4um dicke GaN-Epitaxieschichten auf den entsprechenden Pufferschichten aufgewachsen wurden. Die Dicken der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Pufferschichten betrugen 0,002 um, 0,07 um, 0,20 um, und 0 um (keine Pufferschicht) in dieser Reihenfolge.
  • Wie den Zeichnungen entnommen werden kann, erscheinen hexagonale Kristallsäulen auf der Oberfläche, wenn keine Pufferschicht gebildet wurde. Obwohl es von den Formationsbedingungen der Pufferschicht abhängt, tendiert die Oberfläche der Pufferschicht dazu, die Gleichförmigkeit einer Spiegeloberfläche aufzuweisen, wenn die Bildung der Pufferschicht voranschreitet. Wenn jedoch die Pufferschicht zu dick ist, verschlechtert sich der Oberflächenzustand (die Oberflächenmorphologie). Eine bevorzugte Dicke der Pufferschicht ist daher 0,01 um bis 0,2 um.
  • Die Temperatur, bei der eine Epitaxieschicht der Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) sich auf der Pufferschicht bildet, ist vorzugsweise 900ºC bis 1150ºC. Falls die Temperatur weniger als 900ºC beträgt, tendiert die Verbindung auf Galliumnitrid-Basis dazu, polykristallin zu werden. Falls die Temperatur 1150ºC übersteigt, tendieren die Galliumnitridkristalle dazu, sich während dem Aufwachsen zu zersetzen.
  • Die Pufferschicht gemäß des Kristallaufwachsverfahrens der vorliegenden Erfindung kann nicht nur auf einem Saphirsubstrat, sondern auch auf jeder anderen Schicht gebildet werden, solange wie die Schicht eine epitaxiale Halbleiterschicht einer Verbindung reprasentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) aufweist. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis eine Vielfachschichtstruktur wie Puffer-/Epitaxie-/Puffer-/ Epitaxie-Struktur und Puffer-/Epitaxie-/Epitaxie-/puffer-/ Epitaxie-Struktur bilden.
  • Zum Beispiel, wenn es gewünscht ist, eine mit Mg als p-Typ-Verunreinigung dotierte p-Typ-GaN-Epitaxieschicht auf einer n-Typ-GaN-Epitaxieschicht zu bilden, ist es ebenso möglich, eine Pufferschicht auf der n-Typ-GaN-Epitaxieschicht zu bilden und die p-Typ-GaN-Epitaxieschicht auf der pufferschicht zu bilden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Pufferschicht und/oder die Epitaxieschicht der auf der Pufferschicht gebildeten Verbindung repräsentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) mit einer n-Typ oder p-Typ-Verunreinigung dotiert werden.
  • Insbesondere ist das Wachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Zuführung eines Reaktionsgases in einen Reaktor, um eine Epitaxieschicht bestehend aus einer n-Typ- oder p-Typ Galliumnitridverbindung aufzuwachsen. Die charakteristische Eigenschaft dieses Verfahrens ist, daß vor dem Wachstum der Epitaxieschicht eine n-Typ- oder p-Typ-Verunreinigung in eine Pufferschicht repräsentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0,5 ≤ X ≤ 1) eindotiert wird, um eine polykristalline Schicht bei einer ersten Temperatur von etwa 200ºC bis etwa 900ºC aufzuwachsen, und dann wird eine n-Typ- oder p-Typ-Verunreinigung in die Oberfläche der Pufferschicht bei einer zweiten Temperatur von etwa 900ºC bis etwa 1150ºC oder mehr eindotiert, um eine Epitaxieschicht einer Verbindung repräsentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) aufzuwachsen.
  • Wenn die in die Verbindung repräsentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) einzudotierende Verunreinigung dieser einen n-Leitfähigkeitstyp verleiht, ist es möglich, z.B. Si und Sn zu verwenden. Beispiele einer Verunreinigung, die der Verbindung repräsentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) einen p-Leitfähigkeitstyp verleiht, sind Zn, Mg, Ca und Be. Bei dem Wachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung ist die der Verbindung auf Galliumnitrid-Basis den n- oder p-Leitfähigkeitstyp verleihende Verunreinigung nicht besonders begrenzt. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, jede Verunreinigung einzudotieren, welche gegenwärtig schon verwendet oder noch in der Zukunft zu entwickeln sein wird, um dem Vebindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis p- oder n-Leitfähigkeitstyp zu verleihen.
  • Die Konzentration der in die Halbleiterkristallschicht einzudotierenden Verunreinigung ist vorzugsweise so groß wie möglich, da der Widerstand einer Halbleiterkristallschicht abnimmt, wenn eine Verunreinigung stark eindotiert wird. Eine Konzentration, bei welcher die Verunreinigung eindotiert werden kann, ohne die Kristallininität der Epitaxieschicht zu verschlechtern, ist vorzugsweise 10¹&sup7; bis 10²&sup0;/cm³.
  • Die Dicke der Pufferschicht ist vorzugsweise 0,001 bis 0,5 um, und besonders vorzugsweise 0,02 bis 0,2 um. Falls die Dicke weniger als 0,001 um oder mehr als 0,5 um beträgt, tendieren der Oberflächenzustand und die Kristallinität der auf der Oberfläche der Pufferschicht gebildeten Epitaxieschicht der n- oder p-Typ-Verbindung auf Galliumnitrid-Basis dazu, sich zu verschlechtern. Zum Beispiel, erscheinen hexagonale Kristallsäulen auf der Oberfläche der Halbleiterkristallschicht, wenn keine pufferschicht vorhanden ist. Die Kristalloberfläche tendiert dazu, eine Gleichförmigkeit einer Spiegeloberfläche aufzuweisen, sowie die Bildung einer Pufferschicht voranschreitet, wiewohl dies von den Formationsbedingungen der Pufferschicht abhängt. Wenn jedoch die Pufferschicht zu dick ist, tendieren der Oberflächenzustand und die Kristallinität der Halbleiterkristallschicht dazu, sich zu verschlechtern.
  • Gemäß dem Kristallwachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Epitaxieschicht einer p-Typ-Verbindung reprasentiert durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) auf der Oberfläche einer mit z.B. einer p-Typ-Verunreinigung dotierten Pufferschicht zu bilden und diese Epitaxieschicht mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlen. Der durch dieses Verfahren hergestellte p-Typ- Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis zeigt eine große Wirkung auf die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl und kann eine besonders exzellente p-Typ-Epitaxieschicht liefern im Vergleich mit p-Typ-Epitaxieschicht, die auf einer Pufferschicht abgeschieden wurde, die mit einer p-Typ- Verunreinigung dotiert wurde.
  • Gemäß dem Wachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung kann eine p-Typ-GaN-Epitaxieschicht durch die folgenden Schritte aufgewachsen werden.
  • Zuerst wird eine Mg-dotierte polykristalline Pufferschicht bei einer niedrigen Temperatur von 200ºC bis 900ºC aufgewachsen. Nachfolgend wird, um eine Epitaxieschicht von Mg-dotiertem p-Typ-GaN auf der Oberfläche der Pufferschicht aufzuwachsen, die Temperatur auf etwa 1000ºC angehoben. Zu dieser Zeit wird die Pufferschicht partiell monokristallin, um so einen Keimkristall zum Aufwachsen von p-Typ-GaN zu bilden.
  • Die Art und Weise dieser Umwandlung in Einkristalle wird unten näher beschrieben. Während des Temperaturanstiegs auf 1000ºC bewirkt das Mg in der Pufferschicht eine Umordnung auf einen Ga-Gitterplatz, um seine Wanderung auf den Ga-Platz zu ermöglichen. Wenn daher die Temperatur auf 1000ºC angehoben wird und die Mg-dotierte p-Typ-GaN-Epitaxieschicht aufgewachsen wird, dient die Pufferschicht, in welcher Mg den Ga-Platz einnimmt, als Keimkristall, um es dem Mg zu erleichtern, in der auf die Oberfläche der Pufferschicht auf zuwachsenden p-Typ-GaN-Epitaxieschicht sich auf einen Ga-Platz zu bewegen.
  • Wie oben beschrieben, erleichtert die Eindotierung von Mg in die Pufferschicht die Bildung einer Epitaxieschicht einer p-Typ-Verbindung auf Galliumnitrid-Basis, was bei konventionellen Verfahren schwer zu erreichen ist.
  • Die Epitaxieschicht der Halbleiterverbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) weist die Eigenschaft auf, n-Typ-Leitfähigkeit anzunehmen, ohne daß sie mit einer Verunreinigung wie Si dotiert worden wäre. Aus diesem Grund ist es nicht immer notwendig, Si in die Halbleiterkristallschicht einzudotieren, um dem Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis n-Typ-Leitfähigkeit zu verleihen. Wenn jedoch der Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis auf die Oberfläche eines mit einer n-Typ-Verunreinigung dotierten Pufferschicht aufgewachsen wird, kann eine n-Typ- Epitaxieschicht mit bevorzugteren Eigenschaften gebildet werden.
  • Fig. 11 und 12 sind Querschnittsansichten zur Darstellung der Strukturen der lichtemittierenden Dioden einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in der Ausführungsform der Fig. 11 und 12 dargestellt, kann eine mit einer Verunreinigung dotierte Pufferschicht nicht nur auf dem Saphirsubstrat, sondern auch auf jeder anderen Schicht gebildet werden.
  • Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Reaktionsgas enthält mindestens ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trimethylgallium, Trimethylaluminium und Triethylaluminium. Dieses Reaktionsgas enthält vorzugsweise ebenso mindestens ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ammoniakgas und Hydrazin. Dieses Reaktionsgas enthält ebenso bevorzugterweise mindestens ein Gas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trimethylindium, Cyclopentadienyl-Magnesium, Diethylzink, und Trimethylzink.
  • Das Substrat wird aus der Gruppe bestehend aus Saphir, Si, SiC, GaP, InP und GaAs ausgewählt.
  • Beispiele der vorliegenden Erfindung werden weiter unten beschrieben. Die folgenden Beispiele exemplifizieren lediglich die praktische Umsetzung des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist daher nicht auf die Beispiele beschränkt, z.B. in Bezug auf Wachstumsbedingungen, die Art des organometallischen Verbindungsgases und die verwendeten Materialien. Vielfältige Modifikationen können für das Wachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung gemäß des Schutzbereichs der Ansprüche vorgenommen werden.
  • Eine in Fig. 8 dargestellte Einrichtung wurde zur Durchführung des Kristallwachstums eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis verwendet.
    • Beispiel 1
  • Eine GaN-Epitaxieschicht wurde mit einer Schichtdicke von 4 um auf einem Saphirsubstrat gemäß der folgenden Schritte aufgewachsen.
  • (1) Ein gewaschenes Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 2 Zoll wurde auf einem Suszeptor oder einer Auflagefläche 2 plaziert.
  • (2) Die Luft in einem Reaktor 1 aus rostfreiem Stahl wurde durch eine Absaugpumpe 6 abgesaugt, und H&sub2;-Gas wurde in den Reaktor 1 eingeleitet, um somit die Luft in dem Reaktor durch H&sub2;-Gas zu ersetzen.
  • (3) Danach wurde der Suszeptor 2 auf 1060ºC durch einen Erhitzer 3 aufgeheizt, während H&sub2;-Gas in den Reaktor 1 von einer Zuführungsleitung 4 für Reaktionsgas und einer Zuführungsleitung 5 in dem oberen Teil des Reaktors 1 eingeleitet wurde.
  • (4) Dieser Zustand wurde für 10 Minuten aufrechterhalten, um einen Oxidfilm von der Oberfläche des Saphirsubstrats zu entfernen.
  • (5) Die Temperatur des Suszeptors 2 wurde dann auf 500ºC abgesenkt und das Substrat wurde stehen gelassen, bis die Temperatur sich stabilisierte.
  • (6) Nachfolgend wurde eine Gasmischung aus H&sub2; und N&sub2; von der Zuführungsleitung 5 zugeführt und eine Gasmischung aus Ammoniakgas und H&sub2;-Gas wurde von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 zugeführt. Die Flußrate von jedem der von der Zuführungsleitung 5 zugeführten H&sub2;- und N&sub2;-Gase betrug 10l/min, und die Flußraten der von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 zugeführten Ammoniak- und H&sub2;-Gase betrug jeweils 4l/min und 1l/min. Dieser Zustand wurde aufrechterhalten, bis die Temperatur des Suszeptors 2 sich bei 500ºC stabilisierte.
  • (7) Danach wurde zur Bildung einer Pufferschicht TMG-(Trimethylgallium-)Gas bei einer Flußrate von 2,7 x 10&supmin;&sup5; mol/min für eine Minute zusätzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 eingeleitet.
  • (8) Nachfolgend wurde nur die Zufuhr des TMG-Gases gestoppt, um das Wachstum der pufferschicht zu stoppen. Das Resultat war eine 0,02 um dicke Pufferschicht. Die Temperatur des Suszeptors 2 wurde auf 1020ºC erhöht, während die anderen Gase einströmten.
  • (9) Nachdem die Temperatur des Suszeptors 2 auf 1020ºC erhöht wurde, wurde TMG-Gas bei einer Flußrate von 5,4 x 10&supmin;&sup5; mol/min für 60 Minuten zusätzlich zu den Ammoniakund H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 eingeleitet, um so eine GaN-Epitaxieschicht mit einer Schichtdicke von 4,0 um aufzuwachsen.
  • Während des Wachstums wurden die H&sub2;- und N&sub2;-Gase von der Zuführungsleitung 5 unter den oben bschriebenen Bedingungen konstant zugeführt, so daß das Innere des Reaktors nicht mit dem Reaktionsgas kontaminiert wurde. Zusätzlich wurde der Suszeptor 2 bei einer Rate von 5 U/m durch einen Motor 7 rotiert, um die Kristalle gleichförmig aufzuwachsen. Zu beachten ist, daß während der Zufuhr der Gase die zugeführten Gase von einer von den Leitungen der Absaugpumpe 6 abgezweigten Absaugleitung 8 außen abgesaugt wurden.
  • Auf diese Weise wurde eine 0,02 um dicke GaN-Pufferschicht und die 4um dicke Epitaxieschicht auf dem Saphirsubstrat aufgewachsen.
    • Kontrolle 1
  • Eine 4um dicke GaN-Epitaxieschicht wurde auf der AlN-Pufferschicht nach denselben Verfahrensschritten wie in Beispiel 1 aufgewachsen mit der Ausnahme, daß die AlN-Pufferschicht im Schritt (7) bei der Bildung der Pufferschicht mit einer Schichtdicke von 0,02 um gebildet wurde.
  • Bei der Bildung der AlN-Pufferschicht wurde zusatzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 in dem Schritt (7) TMA (Trimethylaluminium) bei einer Flußrate von 2,7 x 10&supmin;&sup5; mol/min eingeleitet.
  • Nach dem Wachstum wurden Hall-Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt, um die Ladungsträgerkonzentration und die Beweglichkeit in der erfindungsgemäßen GaN-Epitaxieschicht und die in der GaN-Epitaxieschicht der Kontrolle 1 zu ermitteln. In jeder der Figuren 9 und 10 ist die zweidimensionale Verteilung der Ladungsträgerkonzentration und der Beweglichkeit dargestellt. Die Resultate der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 9 und solche der Kontrolle in Fig. 10 dargestellt, wobei die Ladungsträgerkonzentration durch ein und die Beweglichkeit durch ein o dargestellt sind.
  • Bezugnehmend auf die Figuren 9 und 10 wird die Kristallinität in dem Fall des Wachstums von undotierten Kristallen verbessert und die Konzentration an Verunreinigungen nimmt ab, sowie die Ladungsträgerkonzentration abnimmt und die Beweglichkeit zunimmt.
  • Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, zeigt das erfindungsgemäße GaN sehr gute Werte: Eine Ladungsträgerkozentration von 4 x 10¹&sup6;/cm³ und eine Beweglichkeit von etwa 600 cm²/Vs.
  • Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, zeigt das GaN des Vergleichsbeispiels 1 unter Verwendung von AlN als Pufferschicht eine Ladungsträgerkonzentration von 1 x 10¹&sup8;/cm³ und eine Beweglichkeit von etwa 90 cm²/Vs.
    • Beispiel 2
  • Eine GaN-Epitaxieschicht wurde auf einer Ca0,5Al0,5N-Pufferschicht nach denselben Prozeßschritten wie im Beispiel 1 aufgewachsen mit der Ausnahme, daß die Pufferschicht in dem Schritt (7) der Bildung der Pufferschicht mit einer Schichtdicke von 0,02 um gebildet wurde.
  • Bei der Bildung der Pufferschicht wurden TMG und TMA bei Flußraten von jeweils 2,7 x 10&supmin;&sup5;mol/min und 2,7 x 10&supmin;&sup5;mol/min für 5 Minuten zusätzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 eingeleitet.
  • Wie in Fig. 3 dargestellt, weist diese GaN-Epitaxieschicht ebenfalls eine excellente Rontgen-Rdckingkurve auf. Darüberhinaus war die durch mikroskopische Untersuchung ermittelte Oberflächenmorphologie der Schicht äquivalent zu der von Beispiel 1 und ihre Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit lag zwischen denen von Beispiel 1 und Kontrolle 1.
    • Beispiel 3
  • Eine Calliumnitrid-Epitaxieschicht wurde aufgewachsen nach denselben Prozeßschritten wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Wachstumstemperatur der Pufferschicht auf 600ºC im Schritt (6) eingestellt wurde und die Gasflußzeit wurde auf 2,5 Minuten in dem Schritt (7) geändert, so daß die Pufferschicht mit einer Schichtdicke von 0,05 um gebildet wurde.
  • Die Oberflächenmorphologie dieser Calliumnitrid-Epitaxieschicht war äquivalent der von Beispiel 1 und die Halbwertsbreite ihrer Röntgen-Rockingkurve betrug 3 Minuten, was eine gute Kristallinität anzeigt. Darüberhinaus waren die Ladungsträgerkonzentration und die Beweglichkeit der Schicht äquivalent zu denen von Beispiel 1. Beispiel 4 Eine Galliumnitrid-Epitaxieschicht wurde aufgewachsen nach denselben Prozeßschritten wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Wachstumstemperatur der Pufferschicht auf 800ºC in dem Schritt (6) eingestellt wurde.
  • Die Oberflächenmorphologie dieser GaN-Epitaxieschicht war äquivalent der in Beispiel 1 und die Halbwertsbreite ihrer Röntgen-Rockingkurve betrug 3 Minuten, was gute Kristallinität anzeigt. Darüberhinaus war sowohl die Ladungsträgerkonzentration als auch die Beweglichkeit der Schicht äquivalent zu denen von Beispiel 1.
    • Beispiel 5
  • Eine 0,02 ,im dicke Ga0,5Al0,5N-Pufferschicht wurde auf einem Saphirsubstrat gemäß Beispiel 2 gebildet und eine 4 um dicke Ga0,5Al0,5N-Epitaxieschicht wurde auf der Pufferschicht nach denselben Prozeßschritten wie in Beispiel 1 aufgewachsen mit der Ausnahme, daß in dem Schritt (9) die TMA- und TMC-Gase bei Flußraten von jeweils 2,7 x 10&supmin;&sup5;mol/min und 2,7 x 10&supmin;mol/min für 60 Minuten zusätzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung zugeführt.
  • Die Oberflächenmorphologie dieser 4um dicken Ga0,5Al0,5N-Epitaxieschicht war äquivalent zu der von Beispiel 1.
    • Beispiel 6
  • In dem Schritt (9) wurde Mg als eine p-Typ-Verunreinigung in eine GaN-Epitaxieschicht eindotiert, während Cp&sub2;Mg (Biscyclopentadienylmagnesium)-Gas wurde zusätzlich zu den Ammoniak-, H&sub2;- und TMG-Gasen eingeleitet, um so eine p-Typ-GaN-Epitaxieschicht mit einer Schichtdicke von 4,0um aufzuwachsen.
  • Auf die oben beschriebene Weise wurde eine 0,02um dicke GaN-Pufferschicht auf einem Saphirsubstrat gebildet und die 4,0um dicke p-Typ-GaN-Epitaxieschicht dotiert mit 10²&sup0;/cm³Mg wurde auf der Pufferschicht aufgewachsen.
  • Diese p-Typ-GaN-Epitaxieschicht hatte eine Oberflächenmorphologie äquivalent zu der von Beispiel 1. Darüberhinaus hatte die Schicht eine Löcherkonzentration von 2,0 x 10¹&sup5;/cm³ und eine Beweglichkeit von 9,4 cm²/Vs, d.h. zeigte erstmals als ein Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid-Basis eine p-Typ-Charakteristik. Dies bedeutet, daß die Kristallinität dieser Epitaxieschicht sehr gut ist.
    • Beispiel 7
  • Nach denselben Prozeßschritten wie in Beispiel 6 wurde eine 0,02 um dicke GaN-Pufferschicht auf der nach demselben Prozeß wie in Beispiel 1 gebildeten, 4 um dicken GaN-Epitaxieschicht gebildet und eine 4,0um dicke p-Typ- GaN-Epitaxieschicht dotiert mit 10²&sup0;/cm³ Mg wurde auf der Pufferschicht aufgewachsen.
  • Diese p-Typ-Epitaxieschicht hatte ebenfalls eine Oberflächenmorphologie äquivalent zu der in Beispiel 1 und hatte eine Ladungsträgerkonzentration von 3,5 x 10¹&sup5;/cm³ und eine Beweglichkeit von 8,5 cm²/Vs, d.h. zeigte in gleicher Weise eine p-Typ-Charakteristik.
    • Beispiel 8
  • In dem Schritt (9) wurde Si als eine n-Typ-Verunreinigung in eine GaN-Epitaxieschicht eindotiert, während Silan-(SiH&sub4;-)Gas zusätzlich zu den Ammoniak-, H&sub2;- und TMG-Gasen eingeleitet wurde, um so eine Schicht mit einer Schichtdicke von 4,0 um aufzuwachsen.
  • Auf die oben beschriebene Weise wurde eine 0,02um dicke CaN-Pufferschicht auf einem Saphirsubstrat gebildet und die 4um dicke n-Typ-CaN-Epitaxieschicht dotiert mit etwa 10²&sup0;/cm³ Si wurde auf der Pufferschicht aufgewachsen.
  • Diese n-Typ-GaN-Epitaxieschicht hatte ebenfalls eine Oberflächenmorphologie äquivalent zu der in Beispiel 1 und zeigte eine sehr hohe Ladungsträgerkonzentration von 1,0 x 10¹&sup9;/cm³.
    • Kontrolle 2
  • Eine AlN-Pufferschicht wurde auf einem Saphirsubstrat unter Dotierung mit Si nach denselben Prozeßschritten wie im Beispiel 8 gebildet mit der Ausnahme, daß die Pufferschicht mit einer Schichtdicke von 0,02 um gebildet wurde und eine 4um dicke n-Typ-GaN-Epitaxieschicht auf der Pufferschicht gebildet wurde.
  • Die Ladungsträgerkonzentration dieser n-Typ-GaN-Epitaxieschicht betrug 5,0 x 10¹&sup8;/cm³, d.h. niedrig im Vergleich mit Kontrolle 1. Es wird angenommen, daß diese niedrige Ladungsträgerkonzentration durch Kompensation durch die Verunreinigung verursacht wurde.
    • Beispiel 9
  • In dem Schritt (7) wurden, um eine Pufferschicht zu bilden, TMG- (Trimethylgallium-) Gas und Cp&sub2;Mg-(Biscyclopentadienylmagnesium)Gas zusätzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 eingeleitet, um so eine 0,04um dicke Pufferschicht zu bilden.
  • In dem Schritt (9) wurden, nachdem die Temperatur des Susceptors auf 1000ºC anstieg, die TMG- und Cp&sub2;Mg-Case zusätzlich zu den Ammoniak- und H&sub2;-Gasen von der Reaktionsgaszuführungsleitung 4 zugeführt, um so eine p-Typ-CaN-Epitaxieschicht mit einer Schichtdicke von 4,0um aufzuwachsen.
  • Auf die oben beschriebene Weise wurde die 0,04um dicke CaN-Pufferschicht dotiert mit Mg als p-Typ-Verunreinigung auf einem Saphirsubstrat gebildet, und die 4 um dicke p-Typ-GaN-Epitaxieschicht dotiert mit Mg wurde auf der Pufferschicht aufgewachsen. Zu beachten %st, daß der Dotierungsgrad von Mg in sowohl der Puffer- als auch der p-Typ-Epitaxieschicht 10²&sup0;/cm³ betrug.
  • Danach wurden für diese p-Typ-GaN-Epitaxieschicht Hall-Messungen durchgeführt. Die Resultate waren eine Ladungsträgerkonzentration von 4,5 x 10¹&sup7;/cm³, ein spezifischer Widerstand von 1,0 Ω cm und eine Hall- Beweglichkeit von 9,0 cm²/Vs.
    • Beispiel 10
  • Eine Bestrahlungsbehandlung mit einem Elektronenstrahl wurde bei einer konstanten Beschleunigungsspannung von 5 kV auf der gesamten Oberfläche der in Beispiel 9 hergestellten p-Typ-GaN-Epitaxieschicht durchgeführt, um so einer Schicht mit einer Dicke von etwa 0,2 um von der Oberfläche noch mehr p-Leitfähigkeitstyp zu verleihen.
  • Die erhaltene p-Typ-GaN-Epitaxieschicht wurde einer Hall-Messung ausgesetzt. Als Resultat wurden in der 0,2 um dicken Schicht von der Oberfläche die Ladungsträgerkonzentration, der spezifische Widerstand und die Hall-Beweglichkeit auf 4,6 x 10¹&sup8;/cm³, 0,3 Ω cm und 11,0 cm²/Vs verbessert.
    • Kontrolle 3
  • Eine Pufferschicht und eine p-Typ-gaN-Epitaxieschicht dotiert mit 10²&sup0;/cm Mg wurden mit Dicken von jeweils 0,04 um und 4 um aufgewachsen nach denselben Verfahrensschritten wie in Beispiel 9 mit der Ausnahme, daß kein Mg in die Pufferschicht eindotiert wurde. Danach wurde nach denselben Verfahrensschritten wie in Beispiel 10 eine Elektronenstrahlbehandlung durchgeführt, um einer Schicht mit einer Dicke von etwa 0,2 um von der Oberfläche einen noch stärkeren p-Leitfähigkeitstyp zu verleihen.
  • Die Resultate der Hall-Messungen waren eine Ladungsträgerkonzentration von 3 x 10¹&sup7;/cm³, ein spezifischer Widerstand von 2 Ω cm, und eine Hall-Beweglichkeit von 10 cm²/Vs in der Schicht mit 0,2 um Dicke von der Oberfläche.
  • Wie oben beschrieben, verbessert die Bildung von GaXAl1-XN (0,5 ≤ X ≤ 1) als Pufferschicht die Kristallinität einer auf der Pufferschicht aufgewachsenen Epitaxieschicht einer Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) in drastischer Weise. Zum Beispiel ist eine Beweglichkeit von 600 cm²/Vs bei einer Hall-Messung an den Kristallen der excellenteste Wert der Epitaxieschicht.
  • Darüberhinaus, da die Pufferschicht gebildet worden ist, zeigt die auf der Pufferschicht aufgewachsene Mg-dotierte CaN-Epitaxieschicht einen p-Leitfähigkeitstyp ohne irgendeine Behandlung durchzuführen. Dies ist ein bei konventionellen Verfahren niemals aufgetretenes Phänomen, welches bedeutet, daß die Kristallinität der durch das Verfähren der vorliegenden Erfindung aufgewachsenen Epitaxieschicht des Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis excellent ist. Weiterhin hat auf der Pufferschicht aufgewachsenes Si-dotiertes n-Typ-GaN eine wesentlich höhere Ladungsträgerkonzentration als die von GaN unter Verwendung von AlN als Pufferschicht.
  • Weiterhin sind die Bedingungen, unter denen die Pufferschicht der vorliegenden Erfindung aufgewaqhsen werden muß, weniger kritisch als die bei einer konventionellen AlN-Pufferschicht. Das heißt, daß die Kristallinität einer Epitaxieschicht einer Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) aufgewachsen auf einer Pufferschicht über einen großen Bereich an Pufferschichtdicken gut ist. Dies resultiert in einer hohen Produktivität bei der Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen.
  • Darüberhinaus, da die Dotierung einer n- oder p-Typ-Verunreinigung in eine bei einer niedrigen Temperatur aufgewachsene Pufferschicht die Leitfähigkeitscharakteristik einer nachfolgend auf der Pufferschicht abzuscheidenden Halbleiter-Epitaxieschicht des n- oder p-Typs einer Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) verbessert, kann ein p-n-Ubergang leicht gebildet werden. Tabelle 1 zeigt, wie gut die Charakteristik der p-Typ-Epitaxieschicht der Verbindung auf Galliumnitrid-Basis ist. Tabelle 1 Löcherkonzentration (cm&supmin;³) Spezifischer Widerstand (Ωcm) Hall-Beweglichkeit cm³/Vs Beispiel Vergleichsbeispiel
  • Wie dargestellt in Tabelle 1, erreichen in dem Fall einer p-Typ-GaN-Epitaxieschicht die Ladungsträgerkonzentration und der spezifische Widerstand der Schicht praktische Werte, so daß die Schichteigenschaften um einen Faktor 100 besser sind als die von konventionellen Proben. Insbesondere wenn eine durch das Kristallwachstumsverfahren der vorliegenden Erfindung aufgewachsene p-Typ-GaN-Epitaxieschicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde, wird die Ladungsträgerkonzentration der Schicht um annähernd einen Faktor 1000 verbessert.
  • Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht es die Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, Kristalle einer Epitaxieschicht nach einer Verbindung dargestellt durch die Formel GaXAl1-XN (0 ≤ X ≤ 1) in einem großen Bereich von Anwendungen von einer blaues Licht emittierenden Diode bis zu einem Halbleiterlaser unter praktischen Bedingungen angewandt zu werden.

Claims (19)

1. Verfahren zum Aufwachsen eines Verbindungshalbleiters auf Galliumnitrid-Basis, mit den Verfahrensschritten:
Aufwachsen einer Pufferschicht, dargestellt durch die Formel
GaXAl1-XN (0.5 ≤ x ≤ 1),
auf einem Substrat aus der Casphase bei einer ersten Temperatur; und
Aufwachsen einer Halbleiterschicht, dargestellt durch die Formel
GaXAl1-XN (0 ≤ x ≤ 1)
auf die gebildete Pufferschicht aus der Gasphase bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
Aufwachsen einer weiteren Pufferschicht, dargestellt durch die Formel
GaXAl1-XN (0.5 ≤ x ≤ 1)
auf die Galliumnitridverbindungs-Halbleiterschicht aus der Gasphase bei einer dritten Temperatur, die niedriger ist als die zweite Temperatur; und
Aufwachsen einer Halbleiterschicht, dargestellt durch die Formel
GaXAl1-XN (0 ≤ x ≤ 1)
auf die weitere Pufferschicht aus der Casphase bei einer vierten Temperatur, die höher ist als die dritte Temperatur.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der Dotierung der Pufferschicht durch Verunreinigungen vom n- oder p-Typ.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung vom n-Typ mindestens ein aus der aus Si und Sn bestehenden Gruppe ausgewähltes Material ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung vom p-Typ mindestens ein aus der aus Zn, Mg, Ca, und Be bestehenden Gruppe ausgewähltes Material ist.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsgrad an Verunreinigungen des n- oder p-Typs 10¹&sup7; bis 10²&sup0;/cm³ ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der Dotierung der Halbleiterschicht mit Verunreinigungen vom n- oder p-Typ.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung vom n-Typ mindestens ein aus der aus Si und Sn bestehenden Gruppe ausgewähltes Material ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung vom p-Typ mindestens ein aus der aus Zn, Mg, Ca, und Be bestehenden Gruppe ausgewähltes Material ist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsgrad an Verunreinigungen des n- oder p-Typs 10¹&sup7; bis 10²&sup0;/cm³ ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht unter Verwendung eines Reaktionsgases aufgewachsen wird, das mindestens ein Gas enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Trimethylgallium und Triethylgallium, und mindestens einem Gas, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ammoniakgas und Hydrazin.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas Trimethylaluminium enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas mindestens ein Gas enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Cyclopentadienylmagnesium, Diethylzink und Trimethylzink ausgewählt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Material aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus Saphir, Si, SiC und GaAs ausgewählt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Temperatur in einem Bereich von 200ºC bis 900ºC liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Temperatur in einem Bereich von 900ºC bis 1150ºC liegt.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht eine Dicke von 0,001 bis 0,5 um aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrens schritt, daß nach der Bildung der Halbleiterschicht diese mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht die gleiche Zusammensetzung wie die Pufferschicht aufweist und durch die Formel
GaXAl1-XN (0.5 ≤ x ≤ 1) dargestellt ist.
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