DE69217903T2

DE69217903T2 - Halbleiteranordnung auf Basis von Gallium-Nitrid und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69217903T2
Application number: DE69217903T
Authority: DE
Inventors: Isamu Akasaki; Hiroshi Nijigaokahigashi Amano; Katsuhide Toyoda Gosei Manabe; Tetsuya Takeuchi; Atsushi Watanabe
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp; Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1992-11-12
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2012-11-13
Also published as: DE69217903D1; EP0551721A3; US5389571A; US5239188A; EP0551721A2; JP3352712B2; EP0551721B1; JPH05343741A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-(GaN-)Typ mit einem (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall, das als Halbleiter mit breitem Bandabstand zunehmende Beachtung in der Industrie gefunden hat, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung eines hochwertigen (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristalls auf einem Silicium-(Si-)Substrat, von dem erwartet wird, daß er ein Material für ein Bauelement zur Emission oder zum Nachweis von Licht mit einer Wellenlänge von 200 bis 700 nm ist.
Ein (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristall (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1 und y = 0) ist ein Halbleiter mit direktem Übergang mit einer Lichtwellenlänge von 200 bis 700 nm für den Energiebandabstand bei Raumtemperatur, und es ist zu erwarten, daß er ein Material besonders für ein Bauelement bildet, das Licht mit einer Wellenlänge im kurzwelligen sichtbaren oder ultravioletten Bereich aussendet und empfängt.
Da der (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristall Stickstoff (N) enthält, dessen Gleichgewichtsdampfdruck in der Nähe der Wachstumstemperatur sehr hoch ist, kann sein massiver Kristall nicht mühelos hergestellt werden. Gegenwärtig wird daher der Einkristall durch heteroepitaxiales Aufwachsen hergestellt, wobei verschiedene Kristalle als Substrat verwendet werden.
Es ist wünschenswert, daß das Substrat als wesentliche Anforderungen an ein Substrat zur Herstellung des (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristalls die folgenden Eigenschaften aufweist:
(1) Hoher Schmelzpunkt (mindestens 1000ºC)
(2) Chemische Stabilität
(3) Hervorragende Kristallgüte
(4) Geringer Unterschied in der Gitterkonstanten
(5) Leichte Verfügbarkeit
(6) Große Abmessungen
Außerdem ist es im Falle der Herstellung eines Bauelements mit elektrischer Funktion wünschenswert, daß
(7) die elektrischen Eigenschaften leicht zu steuern sind; insbesondere ist ein niedriger Widerstand erwünscht.
Bisher sind keine Kristalle gefunden worden, die alle diese Bedingungen erfüllen. Das gegenwärtig am häufigsten eingesetzte Material wird aus Saphir geformt, der die Bedingungen (1), (2), (3), (5) und (6) erfüllt.
Da jedoch die Differenz zwischen der Gitterkonstante von Saphir und (Ga1-xAlx)1-yInyN mindestens 11% beträgt, ist Saphir im Hinblick auf die Bedingung (4) nicht wünschenswert. Da Saphir außerdem ein starres Isolatormaterial ist, erweist es sich als nicht einfach, ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ auszubilden; insbesondere ist seine Elektrode nicht für ein Halbleiterbauelement geeignet, das mit einer hohen Stromzufuhr arbeitet.
Silicium (Si) ist eines der vorgeschlagenen Substratmaterialien, welche diesen Nachteil überwinden. Durch Verwendung von Si erhält man ein bevorzugtes Substrat mit niedrigem Widerstand und hohem Schmelzpunkt und einem großen und weitgehend fehlerfreien Kristall. Ein Si-Substrat ist billig und hat eine hohe Kristallgüte und hohe Kristallinität Die Feinbearbeitung des Si-Substrats läßt sich leicht ausführen. Das heißt, Si erfüllt die Bedingungen (1), (2), (3), (5), (6) und (7). Das größte Problem beim Hervorbringen eines (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristalls auf einem Si-Substrat ist, daß zwischen GaN und Si eine große Differenz in der Gitterkonstante von etwa 17% besteht, und daher besteht ein Bedarf für die Entwicklung einer Technologie zum Unterdrücken des Auftretens von Kristallfehlern, die auf diesen Unterschied in der Gitterkonstante zurückzuführen sind. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ, das es gestattet, einen (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristall, von dem zu erwarten ist, daß er ein Material für ein Bauelement darstellt, das Licht mit einer Wellenlänge im kurzwelligen sichtbaren oder ultravioletten Bereich aussendet und empfängt, auf einem billigen Si-Substrat auszubilden, das die obenerwähnten Vorteile aufweist, z.B. eine hohe Kristallgüte, einen großformatigen Wafer, niedrige Kosten und eine gut steuerbare elektrische Leitfähigkeit.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 3.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ mit einer einkristallinen (Ga1-xAlx)1-yInyN- Schicht auf einem Si-Substrat unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, das den folgenden Schritt aufweist: Einbringen einer metallorganischen Verbindung, die zumindest Aluminium (Al) enthält, und einer Stickstoffverbindung in einen Reaktionsbehälter vor dem Aufwachsen des (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristalls, um auf einem Teil oder auf der gesamten Oberfläche des Si-Substrats eine Verbindung auszubilden, die zumindest Al und N enthält, beispielsweise eine dünne AlN-Schicht, worauf vorübergehend nur die Zufuhr der Al-haltigen metallorganischen Verbindung unterbrochen wird, mit anschließender Zufuhr von metallorganischen Verbindungen mit erforderlichen Anteilen von Al, Ga und In, die einer gewünschten Zusammensetzung eines Mischkristalls entsprechen, dadurch Ausbildung von (Ga1-xAlx)1-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1, y = 0) auf der dünnen Schicht einer Al- und N-haltigen Verbindung, d.h. auf einer Zwischenschicht.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Temperatur des Si-Substrats vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 400 bis 1300ºC, falls eine Al-haltige metallorganische Verbindung und eine Stickstoffverbindung in einen Reaktionsbehälter eingebracht werden, um eine Verbindung zu bilden, die zumindest Al und N enthält, z.B. AlN (nachstehend wird eine derartige Verbindung als AlN bezeichnet).
Zu beachten ist, daß die vorliegende Erfindung effektiv ist, falls der AlN-Molenbruch x der obenerwähnten (Ga1-xAlx)1-yInyN-Schicht im Bereich von 0 bis 1, einschließlich 0 und 1, und der InN-Molenbruch y im Bereich von 0 bis 1, einschließlich 0 und 1 liegen, mit Ausnahme des Falls x = 1 und y = 0.
Die gegenwärtigen Erfinder haben die vorliegende Erfindung auf der Grundlage von Untersuchungsergebnissen über verschiedene Verfahren zur Behandlung einer Si-Substratoberfläche entwickelt, um durch das Dampfphasenepitaxieverfahren, insbesondere durch Organometall-Dampfphasenepitaxie, einen hochwertigen (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall auf einem Si-Substrat zu erhalten, der leicht steuerbare elektrische Eigenschaften und eine hervorragende Kristallgüte aufweist und billig ist.
Die größte Schwierigkeit beim Aufwachsen einer (Ga1-xAlx)1-yInyN- Schicht auf einem Si-Substrat ist der große Unterschied von etwa 17% in der Gitterkonstante zwischen GaN und Si. Tatsächlich kristallisiert GaN, selbst wenn man es direkt auf einem Si-Substrat aufwachsen läßt, in polykristalliner Form aus, oder es wächst inselförmig zu hexagonalen Prismen, selbst wenn es ein Einkristall wird. Dadurch wird die Gewinnung eines hochwertigen Einkristalls von guter Ebenheit erschwert. Zum Beispiel berichteten T. L. Chu, Journal of Electrochemical Society, Solid State Science 118 (1971) 1200, und Yasuo Morimoto, Kosuke Uchiho und Shintaro Ushio, Journal of Electrochemical Society 120 (1973) 1783, über die Fälle von direktem Aufwachsen von GaN auf einem Si-Substrat, und die gegenwärtigen Erfinder haben die Berichte unter verschiedenen Aspekten nachgeprüft, nur um festzustellen, daß ein direktes Aufwachsen eines hochwertigen Kristalls auf einem Si-Substrat schwierig ist. Die gegenwärtigen Erfinder dachten dann, daß eine Zwischenschicht erforderlich sein könnte, und untersuchten verschiedene Kristalle, wobei sie 3C-SiC als ersten Kandidaten auswählten.
Es ist bereits bestätigt worden, daß bei Verwendung von 3C-SiC als Zwischenschicht ein hochwertiger (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall aufwachsen kann (siehe die ungeprüfte JP-A-2-418003). Die gegenwärtigen Erfinder überlegten ferner, daß durch Verwendung von AlN als Zwischenschicht, das nahezu die gleiche Gitterkonstante besitzt wie 3C-SiC, ähnliche Effekte zu erwarten sein könnten. Aufgrund ihrer Erkenntnisse führten sie verschiedene Untersuchungen durch, um die vorliegende Erfindung zu vollenden. Aus Tabelle list ersichtlich, daß die Differenz zwischen der Gitterkonstante von 3C-SiC und der von AlN mit 0,94% wesentlich kleiner ist als diejenigen zwischen Si und 3C-SiC (19,74%) und zwischen AlN und GaN (2,50%). TABELLE 1 Gitterkonstanten von Si, SiC und Nitrid und Differenzen zwischen den Gitterkonstanten
Das charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß AlN als Zwischenschicht verwendet wird; die Verwendung von AlN als Zwischenschicht zum Aufwachsen einer (Ga1-xAlx)1-yInyN-Schicht auf einem Si-Substrat kann im Vergleich zu dem durch direktes Aufwachsen von GaN auf einem Si-Substrat gewonnenen Kristall ein (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall von sehr hoher Güte und besonders hervorragender Ebenheit liefern.
Die vorliegende Erfindung kann ein (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall zu niedrigen Kosten liefern. Ferner kann die vorliegende Erfindung Feinstrukturen und eine starke Strominjektion erreichbar machen, wodurch man ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ, insbesondere eine Halbleiter-Laserdiode, erhält. Die gegenwärtigen Erfinder haben außerdem festgestellt, daß man durch Aufbringen einer dünnen AlN-Schicht (von etwa 50 nm Dicke) auf ein Saphirsubstrat bei niedriger Temperatur (etwa 600ºC) als Pufferschicht vor dem Aufwachsen eines (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristalls einen hochwertigen (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristall auf dem Saphirsubstrat erzielen kann (siehe die ungeprüfte JP-A-60-256806). Die gegenwärtigen Erfinder haben unter Anwendung dieses Verfahrens erfolgreich blaue und ultraviolette Hochleistungs-LEDs hergestellt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht, welche die Struktur einer Leuchtdiode darstellt, die ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ bildet und bei der (Ga1-xAlx)1-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1, y = 0) auf einem Si-Substrat ausgebildet ist;
Fig. 2A, 2B und 2C zeigen schematische Schnittansichten, die einzelne Schichten auf einem Si-Substrat darstellen, welche durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet werden;
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht, welche die Struktur einer Leuchtdiode in Form eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
Fig. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen schematische Schnittansichten, die einzelne Schichten auf einem Si-Substrat darstellen, die durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden;
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht, welche die Struktur einer Leuchtdiode in Form eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 6A und 6B zeigen schematische Schnittansichten, die einzelne Schichten auf einem Si-Substrat darstellen, die durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden;
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht, welche die Struktur einer Leuchtdiode in Form eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
Fig. 8A und 8B zeigen schematische Schnittansichten, die einzelne Schichten auf einem Si-Substrat darstellen, die durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden;
Fig. 9 zeigt eine schematische Schnittansicht, welche die Struktur einer Leuchtdiode in Form eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 10A zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf der Basis einer Mikrofotografie, welche die Oberfläche von GaN darstellt, die durch das vorliegende Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ ausgebildet wird, und Fig. 10B zeigt ein Beugungsbild reflektierter Elektronenstrahlen; und
Fig. 11A zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf der Basis einer Mikrofotografie, welche die Oberfläche von GaN nach einem Vergleichsbeispiel für den Fall darstellt, daß man GaN direkt auf dem Si- Substrat aufwachsen läßt, und Fig. 11b zeigt ein Beugungsbild reflektierter Elektronenstrahlen.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Ausbildung eines (Ga1-xAlx)1-yInyNEinkristallsmit (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mitausnahmedes Falls x = 1, y= 0) auf einem Si-Substrat nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Zu beachten ist, daß das Ausführungsbeispiel und die weiter unten zu beschreibenden Beispiele einfach die Erfindung veranschaulichen und daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
In dem Ausführungsbeispiel wird ein Dampfphasenepitaxieverfahren mit einer metallorganischen Verbindung verwendet, das sich hervorragend für die Massenproduktion und zur Kontrolle der Schichtdicke eignet und besonders die Herstellung eines Lichtemissionsbauelements erleichtert. Wie in Fig. 1 dargestellt, läßt man nach der Ausbildung einer dünnen AlN- Zwischenschicht 2 auf einem niederohmigen n-leitenden Si-Substrat-Wafer 1 mit einer (111)-Ebene eine undotierte oder Si-dotierte n-leitende GaN- Schicht 3 auf der Zwischenschicht 2 aufwachsen. Als nächstes läßt man eine Mg-dotierte GaN-Schicht 4 selektiv auf der Oberfläche der entstandenen Struktur aufwachsen, und dann wird der Wafer aus einem Reaktionsbehälter entfernt und einer Bestrahlung mit einem energiearmen Elektronenstrahl ausgesetzt (ungeprüfte JP-A-2-2614), um die Mg-dotierte GaN-Schicht 4 teilweise in eine p-leitende Schicht umzuwandeln, die einen p-leitenden Bereich 5 bildet. Dann werden auf die n-leitende GaN-Schicht 3 bzw. auf den p-leitenden GaN-Bereich 5 Metallelektroden 6A bzw. 6B aufgedampft, und an die Elektroden 6A bzw. 6B werden Zuleitungen 7A bzw. 7B angeschlossen, wodurch man eine Leuchtdiode erhält. Es wurde bestätigt, daß bei Anlegen einer Vorspannung an die Diode zwischen der n-leitenden GaN-Schicht 3 als negativer Seite und dem Mg-dotierten p-leitenden GaN-Bereich 5 als positiver Seite bei einer Spannung von etwa 3,5 Volt bei Raumtemperatur blaues und ultraviolettes Licht emittiert wurde.
(1) Verfahren zum Ausbilden der Zwischenschicht
Die AlN-Zwischenschicht und ein (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall mit (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1, y = 0) wurden unter Verwendung der normalen Verbindungshalbleiter-Kristallwachstums- bzw. -züchtungsvorrichtung vom Honzontaltyp ausgebildet. Die Wachstumsverfahren werden weiter unten beschrieben. Nach dem Reinigen eines Kristallwachstumssubstrats, d.h. eines niederohmigen Si-Substrats (bei dem Experiment wurde eine (111)-Ebene verwendet) mit einem organischen Lösungsmittel, wie z.B. Methanol, wird zunächst das Oxid auf der Oberfläche durch ein Ätzmittel vom Flußsäure-Typ entfernt, und die entstehende Struktur wird mit reinem Wasser abgespült und dann in einen Kristallwachstumsabschnitt eingelegt. Nach dem Evakuieren des Ofens wird Wasserstoff eingeleitet, und die Temperatur wird auf beispielsweise etwa 1200ºC (im Bereich von 400 bis 1300ºC) erhöht. Da im Ofen dieser Züchtungsvorrichtung Quarz verwendet wird, dessen Schmelzpunkt 1300ºC beträgt, ist das Experiment oberhalb dieser Temperatur schwierig und daher nicht ausgeführt worden.
Danach wird Wasserstoff in den Ofen gegeben, und eine Al-haltige metallorganische Verbindung, z.B. Trimethylaluminium (TMA), sowie eine Stickstoffverbindung, wie z.B. Ammoniak (NH&sub3;), werden in die Züchtungsvorrichtung eingeleitet und bilden eine dünne AlN-Schicht von etwa 5 bis 200 nm Dicke auf dem Si-Substrat. Wenn die Substrattemperatur bei der Ausbildung der AlN-Dünnschicht niedriger als 400ºC ist, dann ist die Zersetzung des gasförmigen Ausgangsmaterials unzureichend, so daß nicht zu erwarten ist, daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung zum Tragen kommen. Wegen der Verwendung von Quarz im Ofen zur bequemeren Handhabung der Vorrichtung sind keine Experimente oberhalb 1300ºC ausführbar. Wenn außerdem die AlN-Pufferschicht dicker als 200 nm wird, dann verschlechtert sich die Ebenheit der (Ga1-xAlx)1-yInyN- die auf der AlN-Schicht aufwächst.
Die Verwendung der AlN-Zwischenschicht zeigt zwar eine gute Wirkung bei der Herstellung eines hochwertigen GaN-Einkristalls, beispielsweise auf dem Si-Substrat, aber das Substrat ist wegen des hohen Widerstands der AlN- Schicht elektrisch von der GaN-Schicht isoliert. Das Substrat kann daher nicht als Elektrode verwendet werden. Es gibt viele Methoden zur Überwindung dieses Problems, und vier davon werden im folgenden diskutiert.
(i) Anwendung eines selektiven Verfahrens zum Erzeugen eines Polykristalls
Wie schematisch in dem Wachstumsprozeß in Fig. 2 dargestellt, wird die AlN-Zwischenschicht 2 auf dem Si-Substrat 1 ausgebildet, das teilweise mit SiO&sub2; bedeckt ist (Fig. 2A), und die entstandene Struktur wird vorübergehend aus dem Ofen genommen, um das SiO&sub2; abzutrennen. Infolgedessen ist die Oberfläche des Si-Substrats in einen mit der AlN-Schicht bedeckten Abschnitt und einen freiliegendenen Si-Substratabschnitt unterteilt (Fig. 2B). In diesem Fall werden der Abschnitt mit der AlN-Schicht und der Abschnitt mit dem freiliegenden Si-Substrat so bemessen, daß sie etwa die gleiche Fläche haben. Dann läßt man GaN auf dem resultierenden Substrat aufwachsen. GaN wächst als Einkristall auf der AlN-Zwischenschicht 2 auf und liefert auf dem Si-Substrat 1 einen GaN-Polykristall. Der GaN- Polykristall auf dem Si-Substrat 1 zeigt eine niederohmige n-Leitfähigkeit und hat selbst dann keinen hohen Widerstand, wenn ein Akzeptor- Dotierungsstoff zugesetzt wird, so daß das Si-Substrat und der GaN- Einkristall über den GaN-Polykristall elektrisch miteinander verbunden werden (Fig. 2C). Fig. 3 veranschaulicht die schematische Struktur einer Leuchtdiode, die nach dem selektiven Verfahren zum Erzeugen eines Polykristalls hergestellt wurde. Diese Leuchtdiode weist eine Au-Sb- Elektrode, ein Si-Substrat, eine AlN-Zwischenschicht, eine n-leitende GaN- Einkristallschicht, die über eine n-leitende GaN-Polykristallschicht mit dem Si-Substrat verbunden ist, eine p-leitende GaN-Einkristallschicht und eine Au-Elektrode auf, die in der genannten Reihenfolge übereinandergeschichtet sind.
(ii) Anwendung eines selektiven Horizontal-Bearbeitungsverfahrens
Wie schematisch in dem Wachstumsprozeß gemäß Fig. 4A, 4B, 4C und 4D dargestellt, werden unter Verwendung der gleichen Einrichtung (Fig. 4A und 4B) wie bei dem selektiven Polykristallwachstumsprozeß (i) auf der Oberfläche des Si-Substrats 1 ein AlN-Zwischenschichtabschnitt 2 und ein Abschnitt mit freiliegendem Si-Substrat ausgebildet. In diesem Fall wird die Fläche des AlN-Zwischenschichtabschnitts im Vergleich zu der des Abschnitts mit freiliegendem Si-Substrat größer ausgeführt. Beim Aufwachsen eines GaN-Einkristalls auf dem resultierendem Substrat läßt man den GaN- Einkristall zunächst nur auf den AlN-Zwischenschichtabschnitt aufwachsen (Fig. 4C). Der auf der AlN-Zwischenschicht aufgewachsene GaN-Einkristall wächst dann in horizontaler Richtung, um sich mit der auf der angrenzenden AlN-Zwischenschicht aufgewachsenen GaN-Schicht zu verbinden, und schließlich erhält man einen GaN-Einkristall auf dem gesamten Si-Substrat 1 (Fig. 4D). Das Si-Substrat und der GaN-Einkristall sind an dem horizontal gewachsenen Abschnitt elektrisch miteinander verbunden. Fig. 5 veranschaulicht die schematische Struktur eines Lichtemissionsbauelements, das nach dem selektiven Horizontalbearbeitungsverfahren hergestellt wurde. Dieses Lichtemissionsbauelement weist eine Au-Sb-Elektrode, ein Si- Substrat, einealn-Zwischenschicht, eine n-leitende GaN-Einkristallschicht, eine p-leitende GaN-Einkristallschicht und eine Au-Elektrode auf, die in der genannten Reihenfolge übereinandergeschichtet sind.
(iii) Verwendung einer AlxGa1-xN-Zwischenschicht (x ≠ 1)
Wie schematisch in dem Wachstumsprozeß gemäß Fig. 6A und 6B dargestellt, wird anstelle der AlN-Zwischenschicht eine AlxGa1-xN- Zwischenschicht 2 (x ≠ 1) gleichmäßig auf dem Si-Substrat 1 ausgebildet (Fig. 6A). Da durch Dotierung mit einer Donatorsubstanz ein niedriger Widerstand des AlxGa1-xN erreicht werden kann, kann es elektrisch mit dem Si-Substrat 1 verbunden werden. Tatsächlich wird, da Si als Donator in AlxGa1-xN wirkt und während des Wachstums automatisch vom Substrat aus dotiert wird, die AlxGa1-xN-Zwischenschicht 2 auch ohne absichtliche Zugabe eines Dotierungsstoffs niederohmig n-leitend, was sehr bequem ist. Hinsichtlich der Zusammensetzung eines Mischkristalls ist es vorzuziehen, daß x größer oder gleich 0,1 ist, in welchem Fall die AlxGa1-xN- Zwischenschicht 2 etwa den gleichen Effekt erzeugt wie die zuvor erwähnte AlN-Zwischenschicht. Auf dieser Zwischenschicht 2 läßt man einen GaN- Einkristall aufwachsen (Fig. 6B). Fig. 7 veranschaulicht die schematische Struktur eines Lichtemissionsbauelements mit der AlGaN-Zwischenschicht. Dieses Lichtemissionsbauelement weist eine Au-Sb-Elektrode, ein Si- Substrat, eine AlGaN-Zwischenschicht, eine n-leitende GaN- Einkristallschicht, eine p-leitende GaN-Einkristallschicht und eine Au- Elektrode auf, die in der genannten Reihenfolge übereinandergeschichtet sind.
(iv) Verwendung einer sehr dünnen AlN-Zwischenschicht
Wenn, wie schematisch in dem Wachstumsprozeß gemäß Fig. 8A und 8B dargestellt, die AlN-Zwischenschicht 2 als sehr dünne Schicht auf dem Si- Substrat 1 ausgebildet wird (Fig. 8A), überlappt die Wellenfunktion der Elektronen in dem Si-Substrat, beispielsweise vom niederohmigen, n- leitenden Typ, die Wellenfunktion der Elektronen in dem n-leitenden GaN und bewirkt, daß ein Tunnelstrom fließt, so daß das GaN elektrisch mit dem Si- Substrat 1 verbunden ist. Um diesen Effekt auszunutzen, sollte die AlN- Zwischenschicht 2 nicht dicker als 10 nm ausgebildet werden, was etwa der Verbreiterung der Wellenfunktion entspricht, und hat vorzugsweise eine Dicke von 1 nm oder mehr, um wirksam als Zwischenschicht zu dienen. Bei diesem Verfahren wird die Ultradünnschichttechnik angewandt. Auf dieser Zwischenschicht 2 läßt man einen GaN-Einkristall aufwachsen (Fig. 8B). Fig. 9 veranschaulicht die Struktur eines Lichtemissionsbauelements mit sehr dünner AlN-Zwischenschicht. Dieses Lichtemissionsbauelement weist eine Au- Sb-Elektrode, ein Si-Substrat, eine sehr dünne AlN-Zwischenschicht, eine n-leitende GaN-Einkristallschicht, eine p-leitende GaN-Einkristallschicht und eine Au-Elektrode auf, die in der genannten Reihenfolge übereinandergeschichtet sind.
Damit ist der Prozeß zur Ausbildung der Zwischenschicht vollständig.
(2) Ausbildung des pn-Übergangs
Nach dem Prozeß zur Ausbildung der Zwischenschicht werden, beispielsweise bei einer auf 1040ºC eingestellten Substrattemperatur, eine galliumhaltige metallorganische Verbindung, z.B. Trimethylgalhum (TMG), und NH&sub3; in die Züchtungsvorrichtung eingebracht, um ebenso wie im Fall des Kristallwachstums auf einem Saphirsubstrat eine GaN-Schicht aufwachsen zu lassen. Beim Aufwachsen eines Mischkristalls werden die notwendigen Anteile TMG, TMA und Trimethylindium (TMI) für eine geforderte Zusammensetzung des Mischkristall 5 zugeführt.
Nach Erreichen der gewünschten Dicke der (Ga1-xAlx)1-yInyN-Schicht wird die Zufuhr von TMG, TMA und TMI unterbrochen, und die Temperatur wird abgesenkt. Nachdem die Substrattemperatur auf 600ºC oder weniger abgesunken ist, wird die Zufuhr von NH&sub3; unterbrochen. Sobald die Temperatur annähernd Raumtemperatur erreicht, wird die entstandene, Struktur aus der Züchtungsvorrichtung entnommen. Die vorliegende Erfindung bietet die gleichen Vorteile beim Aufwachsen des (Ga1-xAlx)1-yInyN-Mischkristalls in nahezu allen Zusammensetzungen des Mischkristalls. Zu beachten ist jedoch, daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung beim Aufwachsen von AlN mit (x = 1 und y = 0) auf der Zwischenschicht nicht erwartet werden können. Da der auf die obige Weise hergestellte (Ga1-xAlx)1-yInyN-Kristall ohne absichtlichen Zusatz eines Dotierungsstoffs n-Leitfähigkeit aufweist, wird er direkt als n-leitende Schicht des Lichtemissionsbauelements verwendet. Natürlich kann während des Wachstums des obenerwähnten (Ga1-xAlx)1-yInyN- Kristalls absichtlich ein als Donator dienender Dotierungsstoff zugesetzt werden. Als nächstes wird der Fluß des gasförmigen Ausgangsmaterials so gesteuert, daß x und y auf der gesamten oder auf einem Teil der Kristalloberfläche die gewünschten Werte annehmen, während gleichzeitig ein Dotierungsstoff als Akzeptor zugeführt wird, z.B. das Gas, welches das Ausgangsmaterial für Zink oder Magnesium bildet, wodurch ein Übergang des (Ga1-xAlx)1-yInyN-kristalls mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten ausgebildet wird. Nachdem das Wachstum beendet und der resultierende Wafer aus dem Ofen entnommen ist, werden auf den einzelnen Schichten mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten Elektroden ausgebildet, womit die Herstellung eines Lichtemissionsbauelements beendet ist.
Fig. 10A zeigt eine Mikrofotografie, welche die Oberfläche des auf der erfindungsgemäß hergestellten AlN-Zwischenschicht aufgewachsenen GaN- Kristalls darstellt, und Fig. 10B zeigt ein Beugungsbild reflektierter Elektronenstrahlen.
Fig. 11A zeigt eine Mikrofotografie, welche als Vergleichsbeispiel die Oberfläche des direkt auf dem Si-Substrat aufgewachsenen GaN-Kristalls darstellt, und Fig.11B zeigt ein Beugungsbild reflektierter Elektronenstrahlen. Aus dieser Aufnahme ist ersichtlich, daß die Oberfläche des GaN-Kristalls, der wie bei der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der AlN-Zwischenschicht hergestellt wurde, im wesentlichen eben ist (Fig. 10A), während das Beugungsbild reflektierter Elektronenstrahlen zeigt, daß das erhaltene GaN ein Einkristall von hervorragender Kristallinität ist, wie aus den Kikuchi-Linien und dem Kikuchi-Band erkennbar, die in diesem Bild zu beobachten sind (Fig. 10B). Bei direkt auf dem Si-Substrat aufgewachsenem GaN-Kristall, wie in dem Vergleichsbeispiel, wächst der Kristall einfach inselförmig (Fig. 11A), und es ist keine Beugung zu beobachten (Fig. 11B) was zu einer sehr schlechten Kristallinität führt.
Die einzelnen Schichten wurden mit einem Einkristall-Röntgenstrukturanalysegerät unter Anwendung der Kα-Strahlung von Kupfer als einfallender Röntgenstrahlung beurteilt. Die erfindungsgemäß hergestellte GaN-Schicht zeigte starke Röntgenbeugung und eine klare Trennung der Kα&sub1;-Strahlung und der Kα&sub2;-Strahlung und wies eine keineswegs schlechtere Kristallinität auf als die auf dem Saphirsubstrat aufgewachsene Schicht. Die im Vergleichsbeispiel direkt auf dem Si-Substrat ausgebildete Schicht zeigte keine Röntgenbeugung, woraus geschlossen wurde, daß diese Schicht eine schlechte Kristallinität aufweist.
Da die vorliegende Erfindung ein billiges Si-Substrat verwendet, wird sie die grundlegende Technologie insbesondere bei der Verwirklichung der praktischen Anwendung eines Bauelements sein, das Licht mit Wellenlängen im kurzwelligen sichtbaren und ultravioletten Bereich aussendet und empfängt.
Wie oben beschrieben, weist ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ auf: ein Siliciumsubstrat, eine auf dem Si-Substrat ausgebildete Zwischenschicht, die aus einer Verbindung besteht, welche zumindest Aluminium und Stickstoff enthält, und eine Kristallschicht aus (Ga1-xAlx)1-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1, y = 0), so daß dieses Halbleiterbauelement auch bei Anlegen eines starken Stromes arbeiten und außerdem eine Feinbearbeitung erleichtern kann, insbesondere die Ausbildung von Elektroden.
Nach dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom Galliumnitrid-Typ wird ein einkristallines Si- Substrat auf einer Temperatur von 400 bis 1300ºC und in einer Atmosphäre gehalten, in der eine metallorganische Verbindung, die zumindest Aluminium enthält, und eine stickstoffhaltige Verbindung vorhanden sind, um auf einem Teil oder auf der gesamten Oberfläche des einkristallinen Substrats eine dünne Zwischenschicht auszubilden, die zumindest Aluminium und Stickstoff enthält, und dann werden auf der Zwischenschicht mindestens eine oder mehrere Schichten aus einkristallinem (Ga1-xAlx)1-yInyN ausgebildet. Es ist daher möglich, ein Halbleiterbauelement vom Galliumnitrid-Typ zu erhalten, das einen (Ga1-xAlx)1-yInyN-Einkristall aufweist, der das Auftreten von Kristallfehlern der erhaltenen einkristallinen Schicht unterdrückt und folglich eine sehr hohe Kristallinität und eine besonders hervorragende Ebenheit aufweist.

Claims

1. Halbleiterbauelement auf Galliumnitrid-Basis mit:

einem Siliciumsubstrat (1);

einer auf dem Siliciumsubstrat ausgebildeten Zwischenschicht (2), bestehend aus einer Verbindung, die zumindest Aluminium und Stickstoff enthält; und

einer auf der Zwischenschicht ausgebildeten kristallinen Schicht (3) aus (Ga1-xAlx)1-yInyN, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1 und y = 0.

2. Halbleiterbauelement auf Galliumnitrid-Basis nach Anspruch 1, wobei mindestens eine weitere kristalline Schicht (5) aus (Ga1-aAla)1-bInbN, mit 0 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 1, mit Ausnahme des Falls a = 1 und b = 0, auf der kristallinen Schicht aus (Ga1-xAlx)1-yInyN ausgebildet ist, wobei die weitere kristalline Schicht (5) eine andere Leitfähigkeit als die der kristallinen Schicht (3) aufweist und einen pn-Übergang bildet.

3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements auf Galliumnitrid-Basis mit einem Silicium-(Si-)Substrat (1), einer Zwischenschicht (2), die aus einer mindestens Aluminium und Stickstoff enthaltenden Verbindung besteht und auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, und mit einer kristallinen Schicht (3) aus (Ga1-xAlx)1-yInyN, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, mit Ausnahme des Falls x = 1 und y = 0, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Halten des einkristallinen Siliciumsubstrats (1) auf einer Temperatur von 400 bis 1300ºC;

Halten des einkristallinen Substrats in einer Atmosphäre, in der eine metallorganische Verbindung, die zumindest Aluminium enthält, und eine stickstoffhaltige Verbindung vorhanden sind, um eine dünne Zwischenschicht (2), die zumindest Aluminium und Stickstoff enthält, auf einem Teil oder der gesamten Oberfläche des einkristallinen Substrats auszubilden; und

anschließendes Ausbilden mindestens einer Schicht (3) oder mehrerer Schichten eines Einkristalls aus (Ga1-xAlx)1-yInyN auf der Zwischenschicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein AlN-Molenbruch x der einkristallinen Schicht aus (Ga1-xAlx)1-yInyN einen Wert von 0 bis 1 aufweist, 0 und 1 eingeschlossen, und wobei ein InN-Molenbruch y einen Wert von 0 bis 1 aufweist, 0 und 1 eingeschlossen, mit Ausnahme des Falls x = 1 und y = 0.