DE102005021099A1 - GaN-Schichten - Google Patents

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Abstract

Rissfreie dicke GaN-Schichten konnten mittels Hydrid-Gasphasen-Epitaxie (HVPE) sowohl auf exakt als auch auf leicht fehlorientierten GaN-Al¶2¶O¶3¶ Templat-Strukturen abgeschieden werden. Ein dramatischer Unterschied in der Oberflächenqualität konnte auf die Fehlorientierung der Substrate zurückgeführt werden. Spiegelglatte Schichten konnten auf leicht fehlorientierten Wafern erzielt werden, während auf exakt orientierten Substraten die Ausbildung von pyramidenförmigen Strukturen und insgesamt raueren Oberflächen beobachtet wurden. HVPE-Schichten mit einer so ausgezeichneten Oberflächenmorphologie können voraussichtlich ohne die sonst notwendigen Polier-Zwischenschritte als Substrate für anschließende Epitaxie-Prozesse verwendet werden.

Description

  • Das hetero-epitaktische Wachstum dicker GaN-Schichten mittels Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) ist in den letzten Jahren von einigen Gruppen mit dem Ziel entwickelt worden, die bisher in der GaN-Technologie notwendigen Fremdsubstrate wie Saphir (Al2O3) und SiC zu ersetzen, die nach wie vor die Leistungsfähigkeit entsprechender Bauelemente begrenzen. Ursache hierfür ist die hohe Defektdichte als Folge der Epitaxie auf diesen Fremdsubstraten. Auf solchen HVPE-GaN-Unterlagen („Templaten") konnten hervorragende elektronische und optoelektronische Bauelemente, insbesondere Laserdioden und UV-Licht emittierende Dioden (LEDs) hergestellt werden. Allerdings leiden diese Substrate immer noch unter mehreren Problemen wie etwa einer starken Verkrümmung und einer ausgeprägten Tendenz, Risse zu bilden, beides als Folge des großen Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaN und den üblicherweise verwendeten Saphir-Substraten. Darüberhinaus weisen GaN-Schichten aus dem HVPE-Verfahren normalerweise eine recht recht Oberfläche auf, die spezielle Polierschritte vor der Verwendung in weiteren Epitaxieverfahren notwendig macht.
  • Die Empfindlichkeit zur Rissbildung hängt – neben der Wahl des entsprechenden Fremdsubstrats – stark von der verwendeten Pufferschicht bzw. Unterlage unter der eigentlichen HVPE-Schicht ab. Wir verwenden typischerweise 1.5μm dicke GaN-Template, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf 2''-Saphir-Wafern hergestellt werden. Wir haben beobachtet, dass dickere riss-freie HVPE-Schichten abgeschieden werden können, wenn wir eine Tieftemperatur-Nukleationsschicht aus AIN statt der üblichen GaN-Nukleationsschicht in unserem MOVPE-Prozess verwenden. Hierfür ist offensichtlich die stärkere Druckverspannung der ersteren Schichten bei Raumtemperatur verantwortlich, die mit einer geringeren bzw. fehlenden Zugverspannung bei den typischen HVPE-Wachstumstemperaturen von 1000°C korrespondiert. Noch dickere rissfreie Schichten können auf strukturierten Templaten (z.B. selektiv abgeschiedenen GaN-Streifen) hergestellt werden.
  • In früheren Studien beobachteten wir große Unterschiede in der HVPE-Schicht-Morphologie, die offensichtlich von der Wahl des verwendeten Templats abhing. Andere Charakteristika, die wir mit Standard-Methoden (optisches Mikroskop, Röntgenbeugung, Photolumineszenz, Rasterkraftmikroskop) bestimmt hatten, zeigten allerdings keine signifikanten Unterschiede. Deshalb konzentrierten wir im im weiteren Vorgehen auf Templat-Eigenschaften, die wir in den ersten Untersuchungen nicht adressiert hatten.
  • Erst in jüngerer Zeit beobachteten einige Gruppen, daß die Oberflächenqualität dünner GaN- oder AIN-, Schichten, die mittels MOVPE abgeschieden wurden, durch die Verwendung von leicht fehlorientierten Saphir-Wafern (Fehlorientierungs-Winkel circa 0.3°) verbessert werden kann. Ein solches Verhalten ist aus der MOVPE und HVPE von Arseniden und Phosphiden bekannt. Allerdings wurden hier optimale Fehlorientierungswinkel von einigen Grad beobachtet. Solche größeren Winkel erbrachten bei GaN keine Vorteile oder erwiesen sich sogar als Nachteil. Vermutlich hat der vergleichsweise kleine optimale Fehlorientierungswinkel bei der Epitaxie von GaN auf Saphir dazu geführt, dass dieser Effekt lange übersehen wurde.
    •
  • Diese neuen Ergebnisse ermutigten uns, mehrere Template auf fehlorientiertem Saphir-Wafer mit den konventionellen exakt orientierten Templaten zu vergleichen, indem wir sie gleichzeitig in einem HVPE-Prozess verwendeten.
  • Alle hier beschriebenen Wachstumsexperimente wurden in einer AIXTRON-Einzelscheiben-HVPE-Anlage mit horizontalem Quarz-Reaktor durchgeführt. Wie üblich, wird dabei metallisches Ga mittels HCl-Gas zum Substrat transportiert. Als Stickstoff-Quelle verwendeten wir Ammoniak. Die Ga-Quelle wurde bei 850°C betrieben, während die Substrat-Zone auf 1040–1075°C geheizt wurde. Eine 1:1-Mischung von N2 and H2 wurde als Trägergas verwendet. Die Experimente wurden bei Atmosphärendruck und einem V-III-Verhältnis von etwa 40 durchgeführt.
  • Wie bereits angesprochen, wurden alle HVPE-Schichten auf GaN-Templaten abgeschieden, die ihrerseits mittels MOVPE auf 2-Zoll-Saphir-Wafern deponiert worden waren. Bis zu 4 unterschiedliche Template konnten gleichzeitig überwachsen werden, indem wir jeweils 4 Wafer-Viertel gleichzeitig in die HVPE-Anlage einbauten. Bei unseren typischen Wachstumsbedingungen betrug die Wachstumsrate ca. 40μm/h. Die nackten Template und die überwachsenen Proben mit typischen Schichtdicken zwischen 40 und 140 μm wurden anschließend mit Standard-Methoden wie optischer Mikroskopie, hochauflösender Röntgenbeugung (HRXRD), Tieftemperatur-Photolumineszenz (PL) und Oberflächenprofilometrie charakterisiert.
    •
  • Diese Messungen zeigten, dass die Template sehr vergleichbare Charakteristika – außer der Fehl-Orientierung – aufwiesen. Beispielhaft sind die Tieftemperatur-PL-Spektren von zwei im gleichen MOVPE-Prozess in einer Multi-Wafer-Anlage hergestellten Templaten in 1 dargestellt. Die zwei Proben unterscheiden sich nur leicht in der Oberflächen-Qualität und bestätigen damit die oben diskutierten Ergebnisse. Insbesondere fanden wir keine Unterschiede in der Verspannung oder der Linienbreite in PL oder HRXRD. Die GaN-Schichten auf diesen Wafern hatten dieselbe Orientierung wie die Saphir-Substrate. Wir fanden eine maximale Verkippung der GaN-MOVPE-Schicht gegenüber dem Saphir-Substrat von ca. 3 arcmin.
  • Unmittelbar vor dem HVPE-Prozess wurden die Template in Standard-Lösungsmitteln gereinigt, um möglichen Staub und andere Verunreinigungen zu entfernen, die vom Wafer-Handling verursacht sein könnten. Wir konnten keine Korrelation zwischen der Lagerzeit – die zwischen einigen Stunden und mehreren Monaten variierte – der Template zwischen dem MOVPE-Wachstum und dem späteren HVPE-Prozess und der Oberflächen-Morphologie beobachten. Deshalb können starke Einflüsse durch Oberflächen-Oxidation o. ä. sicherlich ausgeschlossen werden.
  • Andererseits fanden wir überdeutliche Hinweise, dass die leichte Fehlorientierung in der Tat für die hervorragende Oberflächenmorphologie verantwortlich ist, die wir bereits früher beobachtet hatten: Die Schichten auf den fehlorientierten Templaten wiesen selbst bei HVPE-Dicken von 100μm und mehr eine spiegelglatte Oberflächenmorphologie (2) auf, die ohne weiteres vergleichbar mit guten MOVPE-Schichten ist, während sich auf den exakt orientierten Templaten recht hohe Wachstumspyramiden entwickelten, wie sie in der Regel beim HVPE-Wachstum beobachtet werden. Die größere Rauigkeit ließ sich auch gut mittels Oberflächen-Profilometrie messen (3).
  • Ganz offensichtlich wird das epitaktische Wachstum durch einen Stufenwachstums-Prozess („step-flow-mode") auf Grund der atomaren Stufen des leicht fehlorientierten Wafers bestimmt. Bei einer Fehlorientierung von 0.3° haben diese Stufen einen mittleren Abstand von etwa 50 nm. Dies ist offensichtlich kleiner als die Diffusionslänge der auf der Oberfläche adsorbierten Ga-Atome. Gleichzeitig ist er deutlich kleiner als der mittlere Abstand der Versetzungen (etwa 300 nm bei einer Versetzungsdichte von 109 cm–2). Dies könnte der Grund sein, warum in diesem Fall die dreidimensionale Nukleation an Versetzungen gegenüber dem Einbau an den atomaren Stufen nicht in Erscheinung tritt.
  • Wie schon bei den Templaten beobachtet, fanden wir auch bei den HVPE-Schichten keine signifikanten Unterschiede bei den anderen Charakterisierungs-Experimenten. Wieder sei betont, dass sie insbesondere den gleichen Verspannungsgrad aufweisen, wie aus der Lage der PL des Donator-gebundenen Exzitons deutlich wird (4).
  • Zusammenfassend sei bemerkt, dass die Oberflächen-Qualität von dicken GaN-HVPE-Schichten durch die Verwendung von leicht fehlorientierten Wafern (ca. 0.3°) wesentlich verbessert werden konnte, während das Wachstum auf exakt orientierten Wafern zur Ausbildung der normalerweise beobachteten Pyramiden-Strukturen führt. Somit können solche Schichten sehr gut in weiteren Epitaxieprozessen eingesetzt werden, ohne dass aufwändige Oberflächen-Präparationsarbeiten notwendig werden.

Claims (10)

  1. Hydrid-Gasphasen-Epitaxieverfahren zur Erzeugung einer dicken GaN-Schicht auf einem Saphir-Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Saphir-Substrat mit einer Fehlorientierung zwischen 0,1° und 2° eine GaN-Schicht mit einer Dicke ≥ 40 μm aufgebracht wird.
  2. Hydrid-Gasphasen-Epitaxieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Saphir-Substrat eine Fehlorientierung zwischen 0,3° und 1° aufweist.
  3. Hydrid-Gasphasen-Epitaxieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Saphir-Substrat eine Fehlorientierung von etwa oder genau 0,3° aufweist.
  4. Hydrid-Gasphasen-Epitaxieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-Schicht in einer Dicke von > 100 μm aufgebracht wird.
  5. Bauelement mit einem Saphir-Substrat und einer auf zumindest einer der Oberflächen angeordneten dicken GaN-Schicht mit einer Dicke ≥ 40 μm, dadurch gekennzeichnet, dass das Saphirsubstrat eine Fehlorientierung zwischen 0,1° und 2° aufweist.
  6. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Fehlorientierung zwischen 0,3° und 1°, vorzugsweise etwa 0,3° oder genau 0,3° aufweist.
  7. Bauelement nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-Schicht eine Dicke ≥ 100 μm aufweist.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-Schicht eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit ≤ 50 nm aufweist.
  9. GaN-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit ≤ 50 nm aufweist.
  10. Bauelement oder GaN-Schicht nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt oder herstellbar ist.
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