DE102005057253A1 - Method for producing a semiconductor component - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht (11) eines Verbindungshalbleiters mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente eine zweite Schicht (12) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, bei der ein erster Anteil der ersten Komponente oder der zweiten Komponente durch eine dritte Komponente ersetzt worden ist, und bei dem auf die zweite Schicht (12) eine dritte Schicht (13) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, läßt sich ein unkontrolliertes Zuschütten einer Inselstruktur der zweiten Schicht (12) dadurch vermeiden, daß bei dem Verbindungshalbleiter für die dritte Schicht (13) ein zweiter Anteil der ersten Komponente oder der zweiten Komponente zum Erzeugen von Inseln (14) der zweiten Schicht (12) beim Aufbringen der dritten Schicht (13) durch die dritte Komponente ersetzt worden ist.In a method for producing a semiconductor component, in particular a laser diode, in which a second layer (12) of the compound semiconductor is applied to a first layer (11) of a compound semiconductor with a first component and a second component, in which a first portion of the first component or the second component has been replaced by a third component, and in which a third layer (13) of the compound semiconductor is applied to the second layer (12), uncontrolled filling of an island structure of the second layer (12) can be avoided by in the compound semiconductor for the third layer (13), a second portion of the first component or the second component for creating islands (14) of the second layer (12) has been replaced by the third component when the third layer (13) is applied.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht eines Verbindungshalbleiters mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente eine zweite Schicht des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, bei welcher ein erster Anteil der ersten Komponente oder der zweiten Komponente durch eine dritte Komponente ersetzt worden ist, und bei dem auf die zweite Schicht eine dritte Schicht des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird.The The invention relates to a method for producing a semiconductor component, in particular a laser diode, in which a first layer of a Compound semiconductor with a first component and a second Component applied a second layer of the compound semiconductor is at which a first portion of the first component or the second component has been replaced by a third component, and in the second layer, a third layer of the compound semiconductor is applied.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie insbesondere Laserdioden, werden sogenannte Verbindungshalbleiter verwendet. Das sind Halbleiter, die im allgemeinen aus Komponenten der Elemente der III. und V. chemischen Hauptgruppe, sogenannte III-V-Halbleiter oder Komponenten der Elemente der II. und VI. chemischen Hauptgruppe, sogenannte II-VI-Halbleiter, sowie deren Mischkristallen bestehen. Zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften, insbesondere zur Auswahl der von einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode ausgesendeten Lichtfarbe werden häufig Mischkristalle verwendet, bei denen die erste Komponente und/oder die zweite Komponente aus mehreren Elementen der jeweiligen Hauptgruppen des Periodensystems bestehen. Beispielsweise ist bei dem Verbindungshalbleiter InGaN Indium Gallium Nitrit ein Teil der Galliumatome der Kristallstruktur durch Indiumatome ersetzt worden. Dies hat einerseits Einfluß auf die Gitterkonstante und andererseits auf die Größe der Energielücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband des Verbindungshalbleiters, was wiederum die Lichtfarbe des emittierten Lichtes beeinflußt. Um der fortschreitenden Miniaturisierung in der Optoelektronik und der Nachrichtentechnik und dem Bedarf an steigender Speicherdichte Rechnung zu tragen, ist es wünschenswert, die Halbleiterbauelemente, insbesondere die Laserdioden immer weiter zu verkleinern. Zu diesem Zweck sind beispielsweise für im infraroten Spektralbereich emittierende Laserdioden sogenannte Quantenpunktstrukturen (Quantum Dot QD) vorgeschlagen worden. Bei diesen Quantenpunktstrukturen wird die Tatsache genutzt, daß Verbindungshalbleiter wie beispielsweise InGaN beim epitaktischen Schichtwachstum zur Inselbildung neigen. Wird beispielsweise auf eine Schicht GaN Galliumnitrit eine weitere Schicht InGaN Indiumgalliumnitrit, bei der ein Teil der Galliumatome durch Indiumatome ersetzt worden sind, aufgebracht, so lassen sich leicht inselartige Strukturen des InGaN erzeugen. Deckt man diese inselartigen Strukturen anschließend mit einer sogenannten Cappingschicht aus GaN Galliumnitrit ab, so läßt sich der im Bereich dieser Inseln lokalisierte punktartige Potentialtopf vorteilhaft für Laserdioden verwenden. Problematisch bei diesem Verfahren ist, daß zum Gewährleisten guter Kristalleigenschaften das Aufbringen der Cappingschicht bei verhältnismäßig hohen Temperaturen erforderlich ist. Bei diesen hohen Temperaturen neigt das Indium auf den Inseln aber dazu, in die Cappingschicht zu diffundieren, was wiederum eine Rückbildung der Inseln zur Folge haben kann. Im Extremfall können vor Aufbringen der Cappingschicht vorhandene Inseln nach dem Abdecken mit der Cappingschicht vollständig verschwunden sein.at the production of semiconductor devices, in particular laser diodes, So-called compound semiconductors are used. These are semiconductors, which generally consists of components of the elements of III. and V. main chemical group, so-called III-V semiconductors or components the elements of II. and VI. main chemical group, so-called II-VI semiconductors, and their mixed crystals exist. To adjustment the desired Properties, in particular for the selection of a light emitting diode or a light color emitted by a laser diode often become mixed crystals used in which the first component and / or the second component from several elements of the respective main groups of the periodic table consist. For example, in the compound semiconductor InGaN Indium gallium nitrite is a part of the gallium atoms of the crystal structure replaced by indium atoms. This has an influence on the one hand Lattice constant and on the other hand, the size of the energy gap between the conduction band and the valence band of the compound semiconductor, which in turn affects the light color of the emitted light. To the progressive Miniaturization in optoelectronics and communications engineering and the need for increasing storage density, it is desirable the semiconductor devices, in particular the laser diode always on to downsize. For this purpose, for example, for in the infrared Spectral region emitting laser diodes so-called quantum dot structures (Quantum Dot QD) has been proposed. In these quantum dot structures the fact is used that compound semiconductors such as InGaN for epitaxial layer growth Tend island formation. For example, on a layer of GaN gallium nitrite another layer of InGaN indium gallium nitrite, in which a part the gallium atoms have been replaced by indium atoms, applied, this makes it easy to create island-like structures of the InGaN. If one then covers these island-like structures with a so-called Capping layer of GaN gallium nitrite, so can be in the range of this Islands isolated point-like potential well advantageous for laser diodes use. The problem with this method is that to ensure good crystal properties, the application of the capping layer relatively high Temperatures is required. At these high temperatures tends the indium on the islands but to diffuse into the capping layer, which in turn is a regression can result in the islands. In extreme cases, before applying the capping layer existing Islands completely disappeared after covering with the capping layer be.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes anzugeben, mit dem sich Halbleiterbauelemente mit Quantenpunktstrukturen in hoher Qualität, zuverlässig, reproduzierbar und bei guten Kristalleigenschaften des Halbleiterbauelementes herstellen lassen.The The problem underlying the invention is to provide a method for Produce a semiconductor device to specify with which Semiconductor devices with high-quality quantum dot structures, reliable, reproducible and produce good crystal properties of the semiconductor device to let.
Das Problem wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bei dem Verbindungshalbleiter für die dritte Schicht ein zweiter Anteil der ersten Komponente oder der zweiten Komponente zum Erzeugen von Inseln der zweiten Schicht beim Aufbringen der dritten Schicht ersetzt worden ist.The Problem is solved by that at a method of the type mentioned in the compound semiconductor for the third layer, a second portion of the first component or the second component for generating islands of the second layer in the Applying the third layer has been replaced.
Weil in diesem Fall auch die dritte Schicht einen Anteil der dritten Komponente enthält, kann bei verhältnismäßig hohen Temperaturen diese dritte Schicht aufgebracht werden, da aus den Inseln heraus diffundierende Atome der dritten Komponente durch aus der dritten Schicht in die Inseln hinein diffundierende Atome der dritten Komponente ausgeglichen werden können. Im Einzelnen können die Schichtdicke der zweiten Schicht, der erste Anteil und der zweite Anteil so gewählt werden, daß durch die Diffusion der Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht in die zweite Schicht die Inseln überhaupt erst entstehen. Weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Diffusion der Atome der dritten Komponente nicht unbedingt vermieden werden muß, lassen sich dadurch Kristalle mit guten Kristalleigenschaften erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch zur Erzeugung von Quantenpunktstrukturen bei Elementhalbleitern verwenden. In diesem Fall werden für die erste und dritte Schicht ein erster Halbleiter und für die zweite Schicht ein zweiter Halbleiter verwendet, wobei das Material zum Aufbringen der dritten Schicht neben dem ersten Halbleiter einen geringen Anteil des zweiten Halbleiters zum Erzeugen von Inseln der zweiten Schicht beim Aufbringen der dritten Schicht enthält. Anstelle des ersten Halbleiters kann für die erste Schicht auch eine andere geeignete Unterlage verwendet werden. Wichtig ist ein gutes Wachstumsverhalten entsprechend der vorstehenden Erläuterungen.Because in this case, the third layer also accounts for the third Component contains can at relatively high Temperatures are applied to this third layer, as out of the Islands out diffusing atoms of the third component atoms diffusing from the third layer into the islands third component can be compensated. In detail, the layer thickness the second layer, the first part and the second part are chosen that through the Diffusion of the atoms of the third component from the third layer in the second layer the islands in the first place emerge. Because in the method according to the invention the diffusion of the atoms of the third component is not necessarily avoided must become, can thereby produce crystals with good crystal properties. The inventive method let yourself also for the generation of quantum dot structures in elemental semiconductors use. In this case, for the first and third layer a first semiconductor and for the second layer uses a second semiconductor, the material being for applying the third layer next to the first semiconductor one small proportion of the second semiconductor for generating islands the second layer during application of the third layer. Instead of of the first semiconductor can for the first layer also uses another suitable substrate become. Important is a good growth behavior according to the above explanations.
Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der erste Anteil 10% bis 50%, vorzugsweise 20% bis 25% beträgt. Bei einem derartigen ersten Anteil ändert sich die Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters von der ersten Schicht zur zweiten Schicht derart, daß die gewünschten Wachstumsbedingungen eingestellt werden können. Üblicherweise erfolgt das Wachstum der zweiten Schicht nach dem sogenannten Stransky-Kastranow-Modell, wobei zunächst ein lagenweises Wachstum erfolgt und nach einem Aufwachsen von etwa 2 bis 3 Monolagen aufgrund der größeren Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters der zweiten Schicht gegenüber der ersten Schicht ein Inselwachstum einsetzt.A development of the invention is characterized in that the first portion 10% to 50%, preferably 20% to 25%. In such a first proportion, the lattice constant of the compound semiconductor changes from the first layer to the second layer so that the desired growth conditions can be set. Usually, the growth of the second layer takes place according to the so-called Stransky-Kastranow model, wherein first a layer-wise growth takes place and after an increase of about 2 to 3 monolayers due to the larger lattice constant of the compound semiconductor of the second layer relative to the first layer island growth.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite Anteil kleiner ist als der erste Anteil. Vorzugsweise beträgt der zweite Anteil 5% bis 10%. Mittels dieses geringeren zweiten Anteils ist die Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters der dritten Schicht nach Diffusion der Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht an die zweite Schicht in etwa gleich der Gitterkonstante der ersten Schicht. Auf diese Weise lassen sich gute Kristalleigenschaften erzielen, wobei gleichzeitig die Diffusion der Atome der dritten Komponente zu der zweiten Schicht hin zur Inselbildung unterstützt wird.A Another embodiment of the invention is characterized in that the second Share is smaller than the first share. Preferably, the second is Share 5% to 10%. By means of this lower second fraction the lattice constant of the compound semiconductor of the third layer after diffusion of the atoms of the third component from the third layer to the second layer approximately equal to the lattice constant of the first Layer. In this way, good crystal properties can be At the same time, the diffusion of the atoms of the third Component to the second layer is supported towards islanding.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite Schicht monolagenweise aufgebracht wird. Dadurch lassen sich besonders gute Kristalleigenschaften erzielen. Die Schichtdicke der zweiten Schicht kann dabei 1 bis 7 Monolagen, vorzugsweise 2 Monolagen betragen. Insbesondere bei dem auftretenden Stransky-Kastranow-Wachstum befindet sich das System so am Übergang zwischen dem lagenweisen Wachstum und dem Inselwachstum, so daß weitere Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht beim Diffundieren zu der zweiten Schicht die gewünschten Inseln als Quantenpunktstrukturen produzieren.A advantageous embodiment of the invention is characterized by that the second layer is applied monolayer by layer. This can be done achieve particularly good crystal properties. The layer thickness The second layer can be 1 to 7 monolayers, preferably 2 Monolayers amount. Especially with the occurring Stransky-Kastranow growth the system is at the transition between the layered growth and the island growth, so that more atoms the third component from the third layer when diffusing to the second layer the desired Produce islands as quantum dot structures.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht bei einer Temperatur von 600°C bis 820°C, vorzugsweise von 820°C aufgebracht wird. Bei diesen hohen Temperaturen lassen sich Schichten guter Qualität und Kristalle von guten Kristalleigenschaften erzeugen. Insbesondere bei 820°C treten nur sehr wenige Defekte in der Kristallstruktur auf.A Another embodiment of the invention is characterized in that the second Layer and / or the third layer at a temperature of 600 ° C to 820 ° C, preferably from 820 ° C is applied. At these high temperatures can be layers good quality and produce crystals of good crystal properties. Especially at 820 ° C Only very few defects in the crystal structure occur.
Es ist weiter von Vorteil, wenn die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht epitaktisch aufgebracht werden. Vorzugsweise kann dies mittels Metallorganischer Dampfphasenepitaxie (MOVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Hydrid-Dampfphasen-Epitaxie (HVPE) erfolgen. Mittels dieser epitaktischen Verfahren lassen sich kontrollierbar Schichten hoher Qualität mit guter Ausbeute erzeugen.It is further advantageous if the second layer and / or the third Layer epitaxially applied. This can preferably be done by means of Metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE) or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). By means of these epitaxial methods can be controllable produce high quality layers with good yield.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die erste Schicht eine Schichtdicke von 2-3 Mikrometer insbesondere 2,3 Mikrometer aufweist. Wird die erste Schicht mit dieser Schichtdicke erzeugt, eignet sie sich gut als Trägermaterial und ist hinreichend robust für die weitere Bearbeitung.To Another aspect of the invention, it is advantageous if the first layer has a layer thickness of 2-3 microns in particular 2.3 microns. Will the first layer with this layer thickness produced, it is well suited as a carrier material and is sufficient robust for the further processing.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn die erste Schicht auf einem Substrat aufgebracht wird. Als Substrat eignet sich beispielsweise Saphir. Insbesondere kann eine Saphir (0001) Fläche verwendet werden. Dieses Saphir Substrat eignet sich gut als Trägermaterial für die Verbindungshalbleiter und hat andererseits die erforderlichen optischen Eigenschaften zum Herstellen beispielsweise einer Laserdiode. Auch SiC, Si, GaN und andere Trägermaterialien sind bei einem geeigneten Wachstumsverhalten der Schichten darauf als Substrate geeignet.It is also advantageous if the first layer applied to a substrate becomes. As a substrate, for example, sapphire is suitable. Especially Can be a sapphire (0001) area be used. This sapphire substrate is well suited as a carrier material for the Compound semiconductors and on the other hand has the required optical Properties for producing, for example, a laser diode. Also SiC, Si, GaN and other support materials with a suitable growth behavior of the layers on it as Substrates suitable.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beim Aufbringen der dritten Schicht die Inseln auf der zweiten Schicht mit einer Flächenanzahldichte von 108 bis 109 pro Quadratzentimeter erzeugt. Mit konventionellen Methoden zum Erzeugen dieser Quantenpunktstrukturen liegt die Flächenanzahldichte der Inseln nicht unter 1011. Gerade zum Erzeugen von sogenannten Einzelphotonenemittern, mit denen sich gezielt einzelne Photonen emittieren lassen, ist eine Reduzierung der Flächenanzahldichte bei gleichzeitig hoher Qualität aber zwingend erforderlich. Mit diesen Einzelphotonenemittern lassen sich die Halbleiterbauelemente beispielsweise für die Nachrichtentechnik weiter deutlich miniaturisieren.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the islands are produced on the second layer with an areal density of 10 8 to 10 9 per square centimeter when applying the third layer. With conventional methods for generating these quantum dot structures, the area number density of the islands is not less than 10 11 . Especially for generating so-called single-photon emitters, which can be used to selectively emit individual photons, a reduction of the number of surface areas and at the same time high quality is absolutely necessary. With these single-photon emitters, the semiconductor components can be further miniaturized significantly, for example for communications technology.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß als Verbindungshalbleiter GaN mit Ga als erster Komponente und mit N als zweiter Komponente verwendet wird. Dieser GaN-Halbleiter eignet sich zum Herstellen von Laserdioden, die blaues Licht emittieren. Dieses blaue Licht hat wegen seiner geringen Wellenlänge den Vorteil, daß sich damit beispielsweise Leseköpfe für optische Speichermedien mit einer hohen Speicherdichte herstellen lassen. Vorzugsweise wird dabei als dritte Komponente Indium zum Erzeugen von InGaN als Verbindungshalbleiter verwendet. Hierdurch läßt sich eine Verschiebung des emittierten Lichtes in den grünen Spektralbereich erzeugen. Gleichzeitig bewirkt ein Zusetzen von Indium eine Vergrößerung der Gitterkonstante des Verbindungshalbleiterkristalls, so daß das gewünschte Stansky-Kastranow-Wachstum erzielt werden kann.A Another development of the invention is characterized in that as a compound semiconductor GaN with Ga as the first component and with N as the second component is used. This GaN semiconductor is suitable for manufacturing of laser diodes that emit blue light. This blue light because of its low wavelength has the advantage of being so for example, reading heads for optical Make storage media with a high storage density. Preferably, the third component is indium for generating used by InGaN as compound semiconductors. This can be a shift of the emitted light in the green spectral range produce. At the same time adding indium causes an enlargement of the lattice constant of the compound semiconductor crystal to achieve the desired Stansky-Kastranow growth can be.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Einzelphotonenemitter.Another aspect of the invention relates to a semiconductor device produced by the method according to the invention. The semiconductor component may be, for example, a laser diode. In particular, the invention relates to egg single photon emitter.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:following is an embodiment of Invention explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Als
nächstes
folgt der Schritt S12. In Schritt S12 wird die Nukleationsschicht
Es
folgt der Schritt S13. Im Schritt S13 wird die Formationsschicht
Im
nachfolgenden Schritt S14 wird sodann die Cappingschicht
Zur Herstellung der erforderlichen und gewünschten Bauelemente kann das erfindungsgemäße Verfahren lagenweise aufeinander folgend so oft wiederholt werden, wie es den Anforderungen entspricht. Beispielsweise genügt für einen Einzelphotonenemitter eine Lage Quantenpunkte, während für Laserdioden Stapel mit drei bis zwölf Lagen erforderlich sind.to Production of the required and desired components can be inventive method successively repeated as many times as it is meets the requirements. For example, it is sufficient for a single photon emitter a location quantum dots while for laser diodes Stack of three to twelve Layers are required.
Mit
dem vorstehend beschriebenen Verfahren läßt sich das aktive Gebiet einer
Lichtemitterstruktur für
Halbleiterbauelemente herstellen, bei denen in Form der Inseln
- 1010
- Substratsubstratum
- 1111
- Unterlagedocument
- 1212
- Nukleationsschichtnucleation
- 1313
- Formationsschichtformation layer
- 1414
- Inselisland
- 1515
- CappingschichtCappingschicht
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120601 |