DE102006008929A1

DE102006008929A1 - Nitridhalbleiter-Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102006008929A1
Application number: DE200610008929
Authority: DE
Original assignee: Azzurro Semiconductors AG
Current assignee: ALLOS SEMICONDUCTORS GMBH, DE
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-08-30
Also published as: CN101427391A; CN101427391B; ES2352434T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Substrats, das eine Siliziumoberfläche hat; - Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridankeimschicht auf der Siliziumoberfläche des Substrats; - optional: Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridpufferschicht auf der Nitridankeimschicht; - Abscheiden einer Maskierungsschicht auf der Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, auf der ersten Nitridpufferschicht; - Abscheiden einer galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht auf der Maskierungsschicht, wobei die Maskierungsschicht derart abgeschieden wird, dass im Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht zunächst getrennte Kristallite wachsen, die oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke zusammenwachsen und in einer Schichtebene der zusammengewachsenen Nitridhalbleiterschicht senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 µm<SUP>2</SUP> einnehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridhalbleiterbauelements. Schließlich betrifft die Erfindung ein Nitridhalbleiterbauelement, insbesondere eine Dünnfilm-Leuchtdiode auf Nitridhalbleiterbasis, sowie ein Nitridhalbleiterprodukt.
Nitridhalbleiter sind Halbleiterverbindungen, die ein oder mehrere Elemente der dritten Hauptgruppe sowie ein oder mehrere Elemente der fünften Hauptgruppe des Periodensystems enthalten. Zu ihnen gehören beispielsweise die Halbleiter GaN, InGaN, InGaAsN, AlGaN etc. Andere übliche Bezeichnungen für Nitridhalbleiter im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind Gruppe-III-Nitride, III-V-Nitride. Diese Bezeichnungen werden in der vorliegenden Anmeldung nebeneinander mit gleicher Bedeutung verwendet.
Nitridhalbleiter finden insbesondere in Lichtemitterstrukturen Anwendung, die im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich emittieren. Daneben sind auch elektronische Nitridhalbleiterbauelemente bekannt, wie etwa HEM (engl. high electron mobility)-Transistoren, die insbesondere für Hochfrequenzanwendungen wie beispielsweise in der Funkübertragungstechnik geeignet sind. Nitridhalbleiterbauelemente finden in Form so genannter „Power Devices" auch in der Hochleistungselektronik Anwendung.
Eine kostengünstige Homoepitaxie der Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements ist derzeit aufgrund der geringen Größe und Qualität verfügbarer Substrate aus Nitridhalbleitern kommerziell wenig interessant. Erhältliche Nitridhalbleiterbauelemente, wie etwa blaue oder grüne Leuchtdioden, enthalten daher Schichtstrukturen, die auf Saphir(Al₂O₃)- oder Siliziumcarbid(SiC)-Substraten abgeschieden werden. Diese Substratmaterialien haben verschiedene Nachteile. Zum einen sind sie teuer. Zum anderen sind gängige Substrate dieser Materialien vergleichsweise klein, so dass die Herstellungskosten pro Bauelement aufgrund der relativ geringen Ausbeute bei gegebener Substratfläche zusätzlich erhöht werden. Dazu kommt die große Härte dieser Materialien, die in der Mohsschen Skala oberhalb von 9 liegt und eine mechanische Bearbeitung nur mit teuren Diamantsägen und -schleifmaterialien ermöglicht.
Daher werden für ein großflächiges Wachstum verstärkt Siliziumsubstrate herangezogen, die bekanntlich mit großem Durchmesser kostengünstig erhältlich sind.
Typische Wachstumstemperaturen für die Schichtstrukturen von Nitridhalbleitern liegen in der kommerziell üblichen Gasphasenepitaxie bei Temperaturen von über 1.000°C. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und Nitridhalbleitermaterialien führen dann beim Abkühlen abgeschiedener Nitridhalbleiterschichtstrukturen nach dem Wachstum zu einem starken tensilen Stress der Nitridhalbleiterschichten von etwa 0,7 GPa/μm und ab Schichtdicken von weniger als 1 μm zur Rissbildung.
Zur Vermeidung einer Rissbildung beim Wachstum von GaN-Schichten auf Silizium werden dünne, bei ungewöhnlich tiefen Temperaturen (unter 1000°C) gewachsene, so genannte Niedertemperatur-AlN- oder AlGaN-Zwischenschichten verwendet. Die Wirkung dieser Schichten beruht auf einer teilweisen Kompensa tion des tensilen Stress durch Wachstum einer GaN-Schicht mit kompressivem Stress auf der AlN- oder AlGaN-Zwischenschicht. Beim Abkühlen nach der Schichtabscheidung wirkt dieser kompressive Stress der GaN-Schicht dem durch die unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten bewirkten tensilen Stress entgegen und führt im Ergebnis zu einem reduzierten tensilen Stress.

Nachteil dieser Technik ist eine hohe Versetzungsdichte in der auf der Zwischenschicht aufwachsenden GaN-Schicht. In der DE 101 51 092 A1 , die hiermit durch Referenznahme in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, wird daher zur Reduzierung der Versetzungsdichte das zusätzliche Einfügen von Siliziumnitrid-Zwischenschichten in die aufwachsende GaN-Schicht vorgeschlagen. Eine nicht notwendigerweise völlig geschlossene Si_xN_y-Zwischenschicht dient als Maskierung für anschließendes Wachstum von GaN. Die Dicke der Zwischenschicht wird gemäß der DE 101 51 092 A1 so gewählt, dass auf ihr nur wenige Wachstumsinseln im Abstand von 100 nm bis zu einigen μm entstehen, die im weiteren Verlauf des Wachstums bei zunehmendem Abstand der Wachstumsoberfläche von der SiN-Zwischenschicht ab einer so genannten Koaleszenzdicke zusammengewachsen sind und eine geschlossene Schichtoberfläche bilden. Zwar bewirkt erst eine SiN-Zwischenschicht bei der GaN-Epitaxie auf Silizium ein ausgeprägtes Inselwachstum und somit eine nennenswerte Koaleszenzdicke, welche mit zunehmender SiN-Dicke wächst. Durch geeignete Maßnahmen zur Beschleunigung der Koaleszenz dieser Wachstumsinseln kann jedoch verhindert werden, das die erwähnte kritische Rissdicke bereits erreicht wird, bevor die Wachstumsinseln koaleszieren.

Aus dem Dokument A. Dadgar et al., „Reduction of Stress at the Initial Stages of GaN Growth on Si(III)", Applied Physics Letters, Vol. 82, 2003, Nr. 1, Seiten 28–30, (nachfolgend kurz „Dadgar et al."), das hiermit durch Referenznahme in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, ist es weiterhin bekannt, GaN-Schichten nach Abscheidung einer Silizium-dotierten AlN-Ankeimschicht und einer SiN-Maskierungsschicht von maximal etwa 1,5 Monolagen nomineller Dicke herzustellen. Gegenüber einem Wachstum ohne eine sol che SiN-Maskierungsschicht kann der tensile Stress in der aufwachsenden GaN-Schicht reduziert werden.

Dieser Effekt zeigt als Funktion der SiN-Maskierungsschichtdicke ab einer gewissen Dicke Sättigungserscheinungen und lässt eine vollständige Stress-Kompensation nicht erwarten. Denn zum einen kann die SiN-Maskierungsschicht mit zunehmender Dicke die strukturelle Kopplung zwischen der AlN-Ankeimschicht und der nachfolgend (also nach der SiN-Maskierungsschicht) aufwachsenden GaN-Schicht stören oder sogar verhindern. Im Ergebnis kann dann eine erwünschte kompressive Wirkung der AlN-Ankeimschicht nicht mehr eintreten und es verbleibt eine unerwünscht hohe tensile Verspannung in der fertigen Nitridhalbleiterschicht. Zum anderen erhöht eine dicke SiN-Schicht die Koaleszenzdicke auf Werte, die mit den bekannten Methoden nicht mehr unter der für die Rissbildung kritische Schichtdicke gehalten werden kann.

Im Ergebnis kann demnach auch das Einfügen einer SiN-Maskierungsschicht den tensilen Stress in der Nitridhalbleiter-Schichtstruktur nicht beseitigen.

Inhomogener tensiler Stress hat weitere Nachteile. Er verursacht neben der bereits erwähnten hohen Versetzungsdichte auch eine Krümmung der aufwachsenden Schichtstruktur und des darunter liegenden Substrats. Dieses Problem betrifft auch Dünnschicht-Bauelemente, wie Dünnschicht-Leuchtdioden, bei denen das Siliziumsubstrat im Verlaufe der Herstellung entfernt wird. Schon die Prozessierung gekrümmter Nitridhalbleiterschichtstrukturen bereitet Schwierigkeiten und erhöht daher Aufwand und Kosten der Bauelementfertigung. Eine gekrümmte Nitridhalbleiterschichtstruktur, die dann typischerweise mit einem Träger verbunden wird, löst sich leicht vom Träger, und entsprechende Bauelemente haben eine unerwünscht niedrige Lebensdauer.

Aus dem Dokument C. Mo et al., „Growth and characterization of InGaN blue LED structure on Si(III) by MOCVD", Journal of Crystal Growth, 285 (2005), 312–317 (nachfolgend kurz „Mo et al.), das hiermit durch Referenznahme in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, ist es bekannt, den tensilen Stress durch Wachstum einer GaN-Pufferschicht auf der AlN-Ankeimschicht zu reduzieren. Dabei wird für das Wachstum der GaN-Pufferschicht in der Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie ein geringes Verhältnis der Gasstromdichten von Galliumprecursor zu Stickstoffprecursor eingestellt. Dies fördert das Inselwachstum der nachfolgenden GaN-Schicht. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass weiterhin tensiler Stress in der Nitridhalbleiter-Schichtstruktur verbleibt. Zusätzlich ist diese bekannte Leuchtdiode unerwünscht hochohmig.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche und ein Nitridhalbleiterbauelement anzugeben, bei dem der tensile Stress in der fertigen Schichtstruktur gegenüber bekannten Lösungen weiter reduziert ist.

Ein weiteres der vorliegenden Erfindung zugrunde liegendes technisches Problem ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche und ein Nitridhalbleiterbauelement anzugeben, welches die Krümmung der Nitridhalbleiterschichtstruktur gegenüber vorbekannten Lösungen verringert.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden die genannten technischen Probleme gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche, mit den Schritten:

– Bereitstellen eines Substrats, das eine Siliziumoberfläche hat;
– Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridankeimschicht auf der Siliziumoberfläche des Substrats;
– Optional: Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridpufferschicht auf der Nitridankeimschicht;
– Abscheiden einer Maskierungsschicht auf der Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, auf der ersten Nitridpufferschicht;
– Abscheiden einer galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht auf der Maskierungsschicht,

wobei die Maskierungsschicht derart abgeschieden wird, dass im Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht zunächst getrennte Kristallite wachsen, die oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke zusammenwachsen und in einer Schichtebene der zusammengewachsenen Nitridhalbleiterschicht senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es überraschender Weise, während des Wachstums der ersten Nitridhalbleiterschicht darin einen erhöhten kompressiven Stress zu erzeugen, der bei geeigneter weiterer Prozessführung sogar eine vollständige oder nahezu vollständige Kompensation des tensilen Stress σ bewirken kann, der durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsteht. Es kann eine Schichtstruktur gewachsen werden, die nach der Abkühlung bei Raumtemperatur entweder völlig verspannungsfrei oder- mit einem Wert von σ, der jedenfalls deutlich unter 0.2 GPa/μm, in aller Regel jedoch sogar unter 0.1 GPa/μm liegt – nahezu verspannungsfrei ist und darüber hinaus eine sehr geringe Versetzungsdichte und nur sehr wenige oder gar keine Risse aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zugleich zur Herstellung von Schichtstrukturen mit besonders hohem oder sogar unendlichem Krümmungsradius, die insbesondere in der Herstellung von Dünnfilm-Bauelementen wie Leuchtdioden von großem Vorteil sind.

Damit wird ein kostengünstiges Wachstum von Dünnfilm-Bauelementen auf Nitridhalbleiter-Basis auch auf großformatigen Silizium- oder SOI (Silicon-on-Insulator)-Wafern ermöglicht.

Diese Vorteile sind vermutlich darauf zurückzuführen, dass die zusammenwachsenden Kristallite oberhalb einer geeignet abgeschiedenen Maskierungsschicht, die bevorzugt aus SiN besteht, während des Wachstums mit Erreichen einer durchschnittlichen Kristallitfläche von 0,16 μm² und mehr in der Nitridhalbleiterschicht durch ihr Zusammenwachsen einen ausreichend starken kompressiven Stress erzeugen. Dieser stärkere kompressive Stress kann den später bislang unbekannt hinzukommenden tensilen Stress besser kompensieren.

Die durchschnittliche Kristallitfläche der Kristallite in einer Schichtebene oberhalb der Koaleszenzschichtdicke in einer Nitridhalbleiterschicht lässt sich durch mit Hilfe eines bildgestützten Analyseverfahrens wie beispielsweise einer Auswertung von plan-view transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Aufnahmen ermitteln, wie es weiter unten anhand zweier Beispiele näher erläutert wird. Der Analyse ist selbstverständlich eine ausreichend große Stichprobe von Kristalliten zugrunde zu legen.

Der bisherige Stand der Technik ließ aufgrund der beobachteten, oben beschriebenen Sättigungseffekte bei Verwendung einer SiN-Maskierungsschicht (Dadgar et al.) und der beobachteten und ebenfalls oben beschriebenen, nur partiellen Stressreduktion bei Verwendung einer GaN-Pufferschicht (Mo et al.) das Auftreten dieses Effektes und die Möglichkeit einer nahezu vollständigen Stresskompensation nicht erwarten. Dieser überraschende Effekt wird gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung besonders gering verspannter oder völlig unverspannter Nitridhalbleiterschichtstrukturen auf Siliziumoberfläche genutzt, aus denen anschließend besonders vorteilhafte Nitridhalbleiterbauelemente hergestellt werden können.

Wenn in den Ansprüchen von einer aluminiumhaltigen Nitridschicht mit jeweiliger Funktion (Ankeimschicht, Pufferschicht, Zwischenschicht etc.) gesprochen wird, so ist darunter eine Schicht der jeweiligen Funktion zu verstehen, die Aluminium entweder als alleiniges Gruppe-III-Metall enthält oder in einer Kombination mit anderen Gruppe-III-Metallen. Von Dotierungen mit Elementen anderer Gruppen des Periodensystems, etwa mit Silizium oder Magnesium, wird zum Zwecke der Definition hier abgesehen. Selbstverständlich können jedoch auch solche Dotierstoffe enthalten sein.

Eine Ankeimschicht ist eine nur wenige Nanometer dicke, nicht zwingend geschlossene Schicht, die trotz eventuell schlechter kristalliner und/oder stöchiometrischer Eigenschaften eine Grundlage für ein anschließendes Schichtwachstum der darauf aufwachsenden Schicht bildet, oder von der ein weiteres Schichtwachstum ausgeht.

Eine Maskierungsschicht dient zur vollständigen oder teilweisen Abdeckung einer Oberfläche und ist häufig nur wenige Monolagen oder sogar weniger als eine Monolage dick.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridhalbleiterbauelements, mit den Schritten:

– Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitrid-Halbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einem der in dieser Anmeldung nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele oder einem der zugehörigen abhängigen Ansprüche;
– Bonden der Schichtstruktur mit einem Träger derart, dass die Wachstumsoberseite der Schichtstruktur dem Träger zugewandt ist;
– Entfernen des Substrats;
– Herstellung einer Kontaktstruktur.

Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens des ersten Aspekts der Erfindung und ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Prozessierung von Nitridhalbleiterbauelementen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung werden die oben genannten technischen Probleme gelöst durch ein Nitridhalbleiterbauelement, mit

– einer galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht, die eine Struktur zusammengewachsener Kristallite aufweist, die in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen,
– einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht, die an die erste Nitridhalbleiterschicht angrenzt, und,
– angrenzend an letztere Schicht, einer galliumhaltigen weiteren, zweiten Nitridhalbleiterschicht.

Solche Bauelemente, die eine für die Herstellung auf einer Siliziumoberfläche charakteristische Struktur der Nitridhalbleiterschicht aufweisen, haben bei geringen Herstellungskosten eine für kommerzielle Anwendungen unerlässliche lange Lebensdauer und günstige Betriebsparameter.

Das Nitridhalbleiterbauelement des dritten Aspekts der Erfindung hat Strukturmerkmale, die für die erfindungsgemäße Verfahrensführung charakteristisch sind und es erlauben, ein nach diesem Verfahren hergestelltes Nitridhalbleiterbauelement von anderen Nitridhalbleiterbauelementen zu unterscheiden.

So ist es zwar grundsätzlich auch möglich und an sich bekannt, Kristallite mit einer großen durchschnittlichen Fläche bei Verwendung eines Saphir-Substrats zu erzeugen. Jedoch weisen auf Saphir-Substrat hergestellte Nitrithalbleiterbauelemente, die keine über 100 nm dicken AlGaN-Schichten enthalten, keine aluminiumhaltigen Nitridhalbleiterzwischenschichten, insbesondere keine Aluminiumnitrid-Zwischenschichten auf. Das Wachstum von Halbleiterschichten auf Saphir-Substrat unterliegt völlig anderen Randbedingungen als das Wachstum auf Siliziumsubstrat, wie es in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. Denn das Schichtwachstum auf Saphir-Substrat führt stets zu einer biaxial kompressiv verspannten Schicht nach dem Abkühlen. Ein StrAlN-Engineering mit Hilfe von aluminiumhaltigen Nitridzwischenschichten, das zu einer kompressiven Verspannung der GaN Schichten während des Wachstums führt, ist dort nicht erforderlich und bei LED Strukturen sogar unerwünscht, da dies zu einer sehr starken Substratkrümmung während des Wachstums der InGaN Schicht um 800°C und am Ende des Prozesses führt. Wie eingangs erläutert, ist es an sich auch bekannt, beim Wachstum von Nitridhalbleiterschichten auf Silizium aluminiumhaltige Nitridhalbleiterzwischenschichten für das StrAlN-Engineering zu verwenden.

Doch eine Kombination dieser beiden Merkmale war bislang technisch nicht erreichbar. Erst mit der Verfahrensführung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, Schichten mit Kristalliten einer ausreichend großen Fläche auf Silizium-Substrat zu erzeugen. Bei fortgesetztem Wachstum dieser Nitridhalbleiterschichten für die Herstellung dickerer Nitridhalbleiter-Schichten von mehr als etwa 1300 nm Dicke werden allein für das Wachstum auf der Grundlage eines Substrates mit Siliziumoberfläche StrAlN-Engineering-Zwischenschichten erforderlich, um so während des Wachstums einen ausreichend großen kompressiven Stress einzustellen, der beim abschließenden Abkühlen einen dann auftretenden tensilen Stress vollständig oder nahezu vollständig kompensieren kann. In der Fachwelt war es bislang nicht möglich, ein Nitridhalbleiterbauelement gemäß dem vorliegenden dritten Aspekt der Erfindung herzustellen.

Die beim Abscheiden auf der Siliziumoberfläche zunächst hergestellten Schichten, nämlich die aluminiumhaltige Nitridankeimschicht und die Maskierungsschicht werden für eine Herstellung von Dünnfilm-Bauelementen wie Dünnfilm-LEDs nach der Ablösung der gewachsenen Schichten von der Siliziumoberfläche im Rahmen der weiteren Prozessierung typischerweise entfernt. Daher können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Nitridhalbleiterbauelemente hergestellt werden, denen man die erfindungsgemäße Verfahrensführung zwar nicht am Vorhandensein der Ankeim- und Maskierungsschichten nachweisen kann, bei denen jedoch das Vorliegen von aluminiumhaltigen Nitridhalbleiterzwischen schichten in der Schichtstruktur einen eindeutigen Hinweis auf die Verwendung eines Siliziumsubstrats beim Wachstum liefert.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung werden die oben genannten technischen Probleme gelöst durch ein Nitridhalbleiterprodukt mit

– einem Substrat, das eine Siliziumoberfläche hat,
– einer an die Siliziumoberfläche angrenzenden aluminiumhaltigen Nitridankeimschicht,
– optional: einer an die Nitridankeimschicht angrenzenden aluminiumhaltigen Nitridpufferschicht,
– einer Maskierungsschicht auf der Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, auf der Nitridpufferschicht, und mit
– einer an die Maskierungsschicht angrenzend angeordneten galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht, die eine Struktur zusammengewachsener Kristallite aufweist, wobei die Kristallite oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke und in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen.

Das Nitridhalbleiterprodukt der Erfindung ist typischerweise ein selbstständig handelbares Zwischenprodukt der Bauelementfertigung. Es kann zur Herstellung von Bauelementen sowohl auf dem vorhandenen Substrat mit Siliziumoberfläche als auch, nach Ablösen des Substrats, auf einem anderen Träger genutzt werden, oder für die Herstellung großflächiger freitragender Schichten, großflächiger Nitridhalbleiter-Substrate oder freitragender Bauelemente.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der verschiedenen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausführungs beispiele können miteinander kombiniert werden, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.

Zunächst werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben.

Mit besonders großen Kristallitflächen wird die Schichtqualität verbessert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Maskierungsschicht daher derart abgeschieden, dass im Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht zunächst getrennte Kristallite wachsen, die oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke zusammenwachsen und in einer Schichtebene der zusammengewachsenen Nitridhalbleiterschicht senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,36 μm² einnehmen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Maskierungsschicht mit einer Schichtdicke abgeschieden, die bei der zunächst in Form von Wachstumsinseln aufwachsenden ersten Nitridhalbleiterschicht ab einem Abstand von mindestens 600 nm von der Maskierungsschicht eine zu mindestens 80% geschlossene Schichtfläche entstehen lässt. Die Prozessführung dieses Ausführungsbeispiels hat in Untersuchungen mit guter Reproduzierbarkeit zu galliumhaltigen Nitridhalbleiterschichten geführt, die oberhalb einer Schichtdicke von 600 nm weitestgehend zusammengewachsen sind und in Schichtebenen oberhalb dieses Abstandes von der Keimschicht großflächige Kristallite aufweisen, deren durchschnittliche Fläche oberhalb von 0,16 μm² liegt.

Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Prozessführung und insbesondere bei der Prozessführung bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel von einer Maskierungsschicht ausgegangen, die eine Bedeckung der darunter liegenden Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, der ersten Nitridpufferschicht von mindestens 95% aufweist. Bei diesem Bedeckungsgrad entstehen oberhalb der Maskierungsschicht relativ wenige Wachstumskeime, die sich im Verlaufe der weiteren Schichtabscheidung durch ein dreidimensionales Wachstum (Inselwachstum) zu großen Kristalliten entwickeln können.

Die besten Ergebnisse wurden bisher mit Maskierungsschichten aus Siliziumnitrid erzielt. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, andere geeignete Materialien für die Maskierungsschicht zu verwenden, wie etwa Anti-Surfactands, die also eine Benetzung der Ankeimschicht verhindern. Hier könnten prinzipiell beispielsweise alle Metall-Nitride, die bei den hohen Wachstumstemperaturen der Nitridhalbleiterabscheidung verwendet werden, geeignet sein. Stoffe, die amorph aufwachsen, sind aber eher geeignet, da auf solchen Oberflächen oft keine oder nur eine verzögerte Bekeimung stattfindet.

Die Verfahrensführung wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine mitlaufende Messung der Reflexionsintensität der Wachstumsoberfläche begleitet (Reflektometrie). Dieses an sich bekannte Verfahren zur Überwachung des Schichtwachstums ermöglicht eine Kontrolle und definierte Einstellung der Dauer der Abscheidung der Maskierungsschicht, die bevorzugt so gewählt wird, dass beim Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht die mitlaufende Messung der Reflexionsintensität der Wachstumsoberfläche bei einer Lichtwellenlänge von ca. 600 nm einen oszillierenden Intensitätsverlauf mit ansteigender Oszillationsamplitude zeigt, die nach frühestens fünf Oszillationszyklen einen dann etwa gleichbleibenden Maximalwert erreicht. Der genaue Wert der Dauer der Abscheidung der Maskierungsschicht hängt von zahlreichen Parametern ab, die von Wachstumsreaktor zu Wachstumsreaktor variieren können. Mit der Anleitung des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann in wenigen Experimenten eine geeignete Dauer der Abscheidung der Maskierungsschicht für einen jeweiligen Wachstumsreaktor ermittelt werden.

Schon die erste Nitridhalbleiterschicht wächst gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit kompressivem Stress auf. Es werden bevorzugt keine die Koaleszenz fördernden Wachstumsparameter (wie beispielsweise eine erhöhte Wachstumstemperatur oder ein hohes V/III-Verhältnis) eingestellt. Unter diesen Bedingungen erhält man ein besonders kompressives Schichtwachstum und kann damit einen geringeren tensilen Stress nach dem Abkühlen und somit eine homogen verspannte bzw. unverspannte Nitridhalbleiter-Schichtstruktur herstellen.

Soll ein Nitridhalbleiter mit einer höheren Schichtdicke abgeschieden werden, wird die erste Nitridhalbleiterschicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke von 800–1600 nm abgeschieden, bevor nachstehend erläuterte weitere Schichten aufgewachsen werden, die zu der höheren Schichtdicke führen. Bevorzugt wird dann nämlich auf der ersten Nitridhalbleiterschicht eine aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht abgeschieden und anschließend auf letzterer Schicht eine galliumhaltige weitere Nitridhalbleiterschicht abgeschieden, die auch als zweite Nitridhalbleiterschicht bezeichnet wird. Mit der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht, die im Falle des Wachstums von GaN als erster Nitridhalbleiterschicht bevorzugt eine Niedertemperatur-AlN-Schicht ist, kann der kompressive Stress in der Schichtstruktur weiter erhöht werden. Die Funktion der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht ist also das StrAlN-Engineering.

Die Schrittfolge der Abscheidung einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht und einer galliumhaltigen weiteren Nitridhalbleiterschicht kann wiederholt durchgeführt werden. Auf diese Weise können der ersten Nitridhalbleiterschicht eine zweite, dritte, vierte usw. Nitridhalbleiterschicht folgen, jeweils mit davor abgeschiedenen aluminiumhaltigen Zwischenschichten. Es ergibt sich, abgesehen von den Nitridzwischenschichten, eine dicke Nitridhalbleiterschicht, die sich aus der ersten, zweiten, ggf. dritten, usw. Nitridhalbleiterschicht zusammensetzt. Bei Bedarf können hierin selbstverständlich weitere Zwischenschichten mit anderer Funktion eingefügt werden.

Die Dicke der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht beträgt beispielsweise im Falle der Verwendung einer Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht 8 bis 15 nm. Denkbar ist auch die Verwendung einer AlGaN-Zwischenschicht, wobei hier in etwa dieselben Schichtdicken geeignet sind. Aus der DE 10 2004 038 573 A1 der Anmelderin ist die Verwendung von dickeren, bei hohen Temperaturen gewachsenen AlN-Zwischenschichten für StrAlN-Engineering-Zwecke bekannt. Zu beachten hierbei ist, dass erfahrungsgemäß ab einer Dicke dieser Schicht von ca. 30 nm eine Tendenz zur Bildung einer hochohmigen Schichtstruktur entsteht, was für die Herstellung von Lichtemittern nachteilig ist. Auch nimmt die Neigung zur Rissbildung zu.

Wird auf die Verwendung von aluminiumhaltigen Nitridzwischenschichten verzichtet, wird die erste Nitridhalbleiterschicht vorzugsweise mit einer Dicke von 1300 nm (für den Fall GaN) abgeschieden. Oberhalb dieser Schichtdicke können beim Abkühlen aufgrund der dann auftretenden tensilen Spannungskomponente Risse auftreten.

Zur Herstellung lichtemittierender Nitridhalbleiterbauelemente wird bevorzugt auf der zweiten oder, nach Verfahrensführung mit einer oben erläuterten wiederholten Schichtabscheidung, einer anderen weiteren Nitridhalbleiterschicht eine Multi-Quantum-Well-Struktur aus Nitridhalbleitermaterial abgeschieden. Multi-Quantum-Well-Strukturen für lichtemittierende Nitridhalbleiterbauelemente sind an sich bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert werden.

Es hat sich gezeigt, dass das Abscheiden mindestens einer zweiten Maskierungsschicht aus Silizium unmittelbar vor dem Abscheiden derjenigen der weiteren Nitridhalbleiterschichten, auf der die Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden wird, eine besonders gute Schichtqualität in dem für die Lichtemission entscheidenden Bereich der Schichtstruktur erzielt.

Zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements wird vorzugsweise in die erste und, wenn vorhanden, diejenigen weiteren Nitridhalbleiterschichten, die vor der Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden werden, eine n-Dotierung eingebracht. Zur Herstellung einer p-dotierten Zone wird vorzugsweise auf der Multi-Quantum-Well-Struktur eine p-dotierte galliumhaltige Nitridhalbleiterdeckschicht abgeschieden.

Insbesondere für das Wachstum dicker Schichtstrukturen ist das Problem zu beachten, dass ein in der Nitridhalbleiterschichtstruktur entstehender Stress auch auf das Substrat wirkt und zu einer Substratkrümmung führen kann. Eine solche Krümmung ist auch von anderen Heterosubstraten, wie beispielsweise Saphir bekannt. Die Reduzierung dieser Krümmung beinhaltet in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel den Schritt des Bereitstellens eines Substrats das Bereitstellens eines insbesondere leitfähigen Siliziumsubstrats, dessen Dicke mindestens D_GaN·x beträgt, wobei D_GaN die Schichtdicke der auf dem Substrat abzuscheidenden Nitridhalbleiterschicht oder, wenn mehr als eine Nitridhalbleiterschicht abzuscheiden ist, die Summe der Schichtdicken der auf dem Substrat abzuscheidenden Nitridhalbleiterschichten und der vorhandenen Nitridzwischenschicht bezeichnet, und wobei x im Falle der Verwendung eines dotierten Siliziumsubstrats mindestens 110 und im Falle der Verwendung eines undotierten Substrats mindestens 200 beträgt. Mit diesen Werten der Schichtdicke gelingt es jeweils, die durch die kompressive Vorspannung im Si-Substrat mögliche plastische Deformation zu verhindern. Dies ist vorteilhaft, weil ein auf diese Weise verformter Kristall nicht mehr plan werden könnte.

Dieses zusätzliche Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels stellt einen selbstständig schutzwürdigen Erfindungsgedanken dar. Ein selbstständig schutzwürdiges Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche beinhaltet demnach den Schritt des Bereitstellens eines Siliziumsubstrats entsprechend dem zusätzlichen Merkmal des zuletzt genannten Ausführungsbeispiels. Die weiteren Schritte des Verfahrens des ersten Aspekts der Erfindung sowie die hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens des ersten Aspekts der Erfindung bilden Ausführungsbeispiele dieses selbstständig schutzwürdigen Verfahrens. Gerade bei stärker verspannten Schichtstrukturen kann mit dem Verfahren dieser selbstständigen Erfindung verhindert werden, dass sich das Siliziumsubstrat zu stark krümmt.

Das vorstehende Ausführungsbeispiel wird zusätzlich verbessert, wenn das Siliziumsubstrat eine Dicke aufweist, die zusätzlich größer oder gleich

ist, wobei

Diese zusätzliche Bedingung ist insbesondere bei Leuchtdioden mit InGaN oder AlGaN-Schichten von Vorteil.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben, das die Herstellung eines Nitridhalbleiterbauelements betrifft. Dieses Verfahren enthält alle Schritte des Verfahrens des ersten Aspekts der Erfindung und teilt somit auch dessen Vorteile.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht auf der Wachstumsoberseite der nach dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellten Schichtstruktur abgeschieden.

In einem ersten von zwei nachfolgend beschriebenen alternativen Ausführungsbeispielen hat die Kontaktschicht einen höheren Brechungsindex als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht. Die Kontaktschicht kann zusätzlich metallisiert werden, ebenso wie die Wachstumsoberseite der Nitridhalbleiterschichtstruktur, wenn keine Kontaktschicht vorhanden ist. Auf diese Weise wird die Lichtausbeute des Nitridhalbleiterbauelements erhöht. Bei diesem ersten alternativen Ausführungsbeispiel mit einer Kontaktschicht, deren Brechungsindex größer als der der p-dotierten Nitridhalbleiterdeckschicht ist, wird diese Nitridhalbleiterdeckschicht vorzugsweise mit einer Dicke von

abgeschieden wird, wobei m = 0, 1, 2, 3, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet. Dies erhöht die Lichtausbeute, wenn die Nitridhalbleiterdeckschicht im fertigen Bauelement in Material mit n > n(Nitrid) eingebettet ist. Hierzu zählen Metalle oder höherbrechende Materialien, beispielsweise höherbrechende Halbleiter.

Im zweiten der beiden alternativen Ausführungsbeispiele hat die Kontaktschicht einen geringeren Brechungsindex als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Nitridhalbleiterdeckschicht vorzugsweise mit einer Dicke von

abgeschieden, wobei m = 1, 2, 3, 4, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet. Diese Formel gilt für den Fall der Abdeckung der Nitridhalbleiterdeckschicht mit einem Material mit kleinerem Brechungsindex, wie z. B. verschiedene Kunststoffe, Luft etc.. Dies ist der üblichere Fall bei Standard LEDs, nicht jedoch bei abgelösten LEDs.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, einen Träger zu verwenden, dessen zum Bonden verwendete Oberfläche elektrisch leitfähig, reflektierend oder metallisch ist. Bekanntlich verbinden die meisten Metalle diese Eigenschaften in vorteilhafter Weise. Auf diese Weise wird die Wärmeabfuhr aus dem Bauelement verbessert. Vorzugsweise ist die metallische Oberfläche oder der gesamte Träger aus Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid, Silizium oder Aluminium-Silizium bzw. Aluminium-Silizium-Kohlenstoff gebildet.

Ein besonders geeignetes anderes Trägermaterial ist Aluminium-Silizium (Al/Si) mit hohem, idealerweise über mindestens 70% liegendem Siliziumgehalt, eine elektrisch und thermisch sehr gut leitende Verbindung mit, anders als Kupfer oder Aluminium, nahezu identischem Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu GaN bzw. bei höherem Si-Gehalt sogar identischem Ausdehnungskoeffizienten. Dies verhindert Probleme beim Montieren und Betreiben der LEDs, da die dabei auftretenden Verspannungen zum Ablösen des Bauelements oder Reißen der Schicht führen können. Derzeit werden daher beispielsweise LEDs auf Al-Trägern mit elastischen Klebern befestigt, da nur so die stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (GaN ∼ 5.6 ppmK^–1, Al > 20 ppmK^–1) beherrscht werden können. Die Verwendung elastischer Kleber hat jedoch Nachteile. Eine weitere selbständig schutzwürdige Erfindung bildet demnach die Verwendung eines Al/Si-Trägers für die Herstellung eines Licht emittierenden Dünnfilm-Nitridhalbleiterbauelements, sowie ein Licht emittierendes Dünnfilm-Nitridhalbleiterbauelement mit einem Al/Si-Träger als solches, wobei die Zusammensetzung des Al/Si-Trägers erfindungsgemäß so gewählt ist, dass er einen identischen oder nahezu identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Nitridhalbleitermaterial des Bauelements hat. Die Nachteile elastischer Kleber können mit einem Al/Si-Träger (Ausdehnungskoeffizient von AlSi(30/70) beispielsweise 7.5 ppmK^–1) gänzlich vermieden werden. Die Wärmeleitung dieses Trägermaterials ist immerhin halb so gut wie die von Aluminium und damit um mehr als eine Größenordnung besser als die von Si.

Das Bonden wird vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, die in einem Bereich zwischen 280 und 500°C liegen. Besonders bevorzugt ist derzeit eine Temperatur von 280°C. Auf diese Weise werden beim Abkühlen nach dem Bonden keine bzw. nur geringe zusätzlichen Verspannungen erzeugt. Unterhalb von 280°C wird das Metall nicht flüssig. Eine Temperatur von 500°C stellt für manche Träger wegen eventuell auftretendem Stress eine tendenziell schon kritische Obergrenze dar, kann aber bei anderen Trägern noch sinnvoll sein. Bei höheren Temperaturen als 500°C kann je nach verwendetem Material auch das Kontaktmetall stark leiden.

Das Entfernen des Substrats beim Verfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung erfolgt vorzugsweise durch Abschleifen. Zusätzlich kann nass- oder trockenchemisches Ätzen eingesetzt werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die durch Entfernen des Substrats freigelegte Wachstumsrückseite zur Bildung einer antireflektiv wirkenden Schicht strukturiert. Dies kann beispielsweise sehr einfach durch Ätzen mit KOH (Kaliumhydroxid) vom N-face, also dem Stickstoffface (000-1) des Materials her erfolgen und ergibt bei geeigneter Prozessführung gut geeignete Strukturen, die etwa pyramidenförmig sind.

Gemäß einer alternativen Prozessführung, die auch eine vierte selbstständig schutzwürdige Erfindung bildet, wird das Substrat nach der beschriebenen Prozessführung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder eines seiner Ausführungsbeispiele nicht vollständig, sondern auf eine verbleibende Schichtdicke von 3–10 μm gedünnt und dann oxidiert. Die so entstandene Siliziumoxidschicht wird als transparente Schicht rauh strukturiert. Das Verfahren umfasst also die Schritte

– Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitrid-Halbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche;
– Bonden der Schichtstruktur mit einem Träger derart, dass die Wachstumsoberseite der Schichtstruktur dem Träger zugewandt ist;
– Entfernen des Substrats bis auf eine dünne Siliziumschicht, die vorzugsweise 5 bis 10 μm dick ist;
– Oxidieren der Siliziumschicht zur Bildung einer Siliziumdioxid-Schicht;
– Herstellen einer Kontaktstruktur.

Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass sie für eine verbesserte Lichtauskopplung genutzt werden kann. Darüber hinaus bewirkt die Oxidation des Siliziumsubstrats eine Ausdehnung des ehemaligen Substrats und somit in der Folge eine leicht kompressive Verspannung der Nitridhalbleiter (beispielsweise GaN)-Schicht. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn diese GaN-Schicht leicht zugverspannt ist. Durch die Druckverspannung wird somit ein Reißen und Verbiegen der GaN-Schicht sicher vermieden. Der durch das Verbleiben des oxidierten Si-Substrats dickere Schichtstapel mit Dicken im Bereich von 6–20 μm weist insbesondere eine höhere mechanische Festigkeit auf, was die Herstellung der Bauelemente vereinfacht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterbauelements gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben, soweit sie sich nicht schon unmittelbar aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben. Bevorzugt enthält das Nitridhalbleiterbauelement einen Träger der Nitridhalbleiterschichtstruktur, der vom Substrat verschieden ist, auf dem die Schichtstruktur gewachsen wurde. Ein besonders geeigneter Träger besteht im Wesentlichen aus Kupfer, Aluminium oder Al/Si. Auf diese Weise wird die Ableitung von Wärme verbessert, die beim Betrieb des Nitridhalbleiterbauelements erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele mit p- und n-dotierten Bereichen, wie sie für lichtemittierende Halbleiterbauelemente (LEDs, Laserdioden), aber auch für elektronische Bauelemente (Transistoren, etc.) üblich sind, werden in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement versehen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel enthält mindestens eine weitere Maskierungsschicht aus Siliziumnitrid unmittelbar angrenzend an diejenige der weiteren Nitridhalbleiterschichten angeordnet, auf der die Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden ist, jedoch an der von der Multi-Quantum-Well-Struktur abgewandten Seite dieser weiteren Nitridhalbleiterschicht. Auf diese Weise wird die Schichtqualität in dem Bereich des Bauelements verbessert, der der Multi-Quantum-Well-Struktur am nächsten liegt und daher einen großen Einfluss auf die Ladungsträgerlebensdauer hat. Durch eine Verbesserung der Schichtqualität kann eine längere Ladungsträgerlebensdauer erzielt werden, was auf das Unterdrücken von unerwünschter Rekombination an Defekten zurückzuführen ist.

Ein Zwischenprodukt, das bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterbauelements erzeugt wird, ist eine Trägerscheibe, auf der eine Vielzahl erfindungsgemäßer Nitridhalbleiterbauelemente angeordnet ist. Die Trägerscheibe bildet ein Zwischenprodukt, das mit einem prozessierten Wafer der Siliziumtechnologie vergleichbar ist. Die Vereinzelung der auf der Trägerscheibe angeordneten Nitridhalbleiterbauelemente kann beim Hersteller der insoweit prozes sierten Trägerscheibe selbst oder nach einem Transport bei einem Bauelementhersteller erfolgen.

Der Vorteil der Erfindung liegt bei diesem Aspekt darin, dass besonders große Trägerscheiben verwendet werden können, denn das erfindungsgemäße Verfahren kann auf großen, kommerziell weit verbreiteten Silizium-Wafern durchgeführt werden. Nach Abtrennen der auf den Silizium-Wafer aufgewachsenen Nitridhalbleiter-Schichtstruktur kann diese mit einer Trägerscheibe entsprechender Größe verbunden werden. Die Erfindung ermöglicht daher eine besonders kostengünstige Herstellung von Bauelementen. Die Nitridhalbleiterbauelemente können auf dem Träger beispielsweise in ihrer Gesamtheit eine laterale Erstreckung von mindestens 24 cm haben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Nitridhalbleiterprodukts gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung beschrieben, soweit sie sich nicht unmittelbar aus den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der anderen Aspekte der Erfindung ergeben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Nitridhalbleiterprodukt eine, am Substrat in einer zur rückseitigen Substratfläche senkrechten Richtung messbare Krümmung, die einem Krümmungsradius von mindestens 10 m oder einem unendlich großen Krümmungsradius entspricht. Derart hohe Krümmungsradien sind mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung möglich, wenn durch das Einfügen von Niedertemperatur-StrAlN-Engineering-Zwischenschichten ein ausreichend hoher kompressiver Stress während des Wachstums erzeugt wird, der beim nachfolgenden Abkühlen durch den dann entstehenden tensilen Stress möglichst genau kompensiert wird.

Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beiliegenden Figuren. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Nitridhalbleiterproduktes, das ein Zwischenprodukt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterbauelements bildet;
2 ein Diagramm, das die Entwicklung des Krümmungsradius des Halbleiterprodukts der 1 während seiner Herstellung, sowie im Vergleich den Krümmungsradius eines Nitridhalbleiterprodukts nach dem Stand der Technik während seiner Herstellung;
3 ein Diagramm, mit der zeitlichen Entwicklung der von der Wachstumsoberfläche des Nitridhalbleiterprodukts während seiner Herstellung reflektierten Lichts;
4a) und b) Differenz-Interferenzkontrastmikroskop(DIC)-Aufnahmen von GaN-Schichten, die mit Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurden;
4c) eine DIC-Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde;
5a) eine In-Plane-Transmissionelektronenmikroskop-Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde;
5b) eine In-Plane-Transmissionelektronenmikroskopische Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde; und
6a)–6f) unterschiedliche Verfahrensstadien bei der Herstellung einer Leuchtdiode aus dem Nitridhalbleiterprodukt der 1.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht den Schichtaufbau eines Nitridhalbleiterproduktes 100. Das Nitridhalbleiterprodukt 100 bildet ein Zwischenprodukt bei der Herstellung eines Nitridhalbleiterbauelements, wie weiter unten anhand der 6a)–6f) näher erläutert wird.
Die Darstellung in 1 ist nicht maßstabsgetreu. Insbesondere lässt sich aus der Fig. nicht das genaue Verhältnis der Schichtdicken der einzelnen dargestellten Schichten zueinander bestimmen. Die in der Fig. gezeigten Schichtdickenverhältnisse geben insofern nur einen ganz groben Anhaltspunkt. Bei der nachfolgenden Beschreibung werden der Knappheit der Darstellung halber Verfahrensaspekte parallel zu Vorrichtungsaspekten erläutert.
Das Nitridhalbleiterprodukt 100 enthält eine Schichtstruktur 102 auf einem Siliziumwafer 104. Die verwendete Wachstumsoberfläche des Wafers, die senkrecht zur Papierebene der 1 steht, ist eine (III)-Siliziumoberfläche. Anstelle eines Siliziumwafers kann auch ein SOI-Substrat oder ein beliebiges anderes Substrat, vorzugsweise mit einer (III)-Siliziumoberfläche, verwendet werden.
In 1 sind zur Bezeichnung der Schichten der Deutlichkeit halber zusätzlich zu den von Zahlen gebildeten Bezugszeichen 106 bis 122 Buchstaben A bis F links neben die einzelnen Schichten gestellt. Dabei kennzeichnen gleiche Buchstaben Schichten gleichen Typs. Im einzelnen kennzeichnen

A: eine Nitridankeimschicht im Verbund mit einer Pufferschicht,
B: eine Maskierungsschicht,
C: Nitridhalbleiterschichten, hier insbesondere n-leitende GaN-Schichten
D: eine Multi-Quantum-Well-Struktur,
E: eine p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht, hier insbesondere p-GaN und
F: eine Niedertemperatur-AlN oder AlGaN-Zwischenschicht für das StrAlN-Engineering.

Nähere Einzelheiten der Schichtstruktur und ihrer Herstellung werden nachfolgend beschrieben.
Vor dem Abscheiden von Schichten wird die Wachstumsoberfläche des Wafers 104 passiviert. Das bedeutet, dass sie entweder durch nasschemische Behandlung oder durch Ausheizen im Vakuum oder unter Wasserstoff bei Temperaturen oberhalb von 1.000°C deoxidiert wird und eine Wasserstoff terminierte Oberfläche erzeugt wird.
Die Ankeimschicht 106 hat eine Dicke von zwischen 10 und 50 nm. Im Verbund mit einer im vorliegenden Beispiel darauf abgeschiedenen, in der Verfahrensführung grundsätzlich jedoch optionalen Pufferschicht, entsteht eine Schichtdicke von maximal 400 nm.
Geeignet ist eine AlN-Keimschicht, die entweder bei niedriger Temperatur, also unterhalb von 1.000°C, beispielsweise 600–800°C oder bei hoher Temperatur, also gewöhnlichen Wachstumstemperaturen von AlN oberhalb von 1.000°C, gewachsen wird. Die optionale Pufferschicht ist vorzugsweise ebenfalls aus AlN und wird bei hohen Wachstumstemperaturen aufgebracht. Die Pufferschicht kann jedoch auch aus AlGaN bestehen. Bei Verwendung von AlGaN kann die Ankeimschicht auch eine größere Dicke aufweisen, beispielsweise ca. 600 nm.
Beim Wachstum der Keimschicht ist es günstig, die Zufuhr des Aluminiumprecursors in den Reaktor vor der Zufuhr des Stickstoffprecursors zu starten, um so eine Nitridierung des Substrats zu verhindern. Eine Nitridierung des Substrats kann zu einem unerwünschten polykristallinen Wachstum von AlN führen.
Auf dem Verbund von Ankeim- und Pufferschicht 106 wird eine Maskierungsschicht aus Siliziumnitrid abgeschieden. Dies erfolgt durch gleichzeitiges Leiten eines Siliziumprecursors wie beispielsweise Silan oder Disilan oder einer organischen Silizium-Verbindung, und eines Stickstoffprecursors wie Ammoniak oder Dimethylhydrazin. Auf der Wachstumsoberfläche reagieren die beiden Precursor unter Bildung von Siliziumnitrid.
Die Dicke der SiN-Maskierungsschicht wird so gewählt, dass beim nachfolgenden Wachstum der ersten Nitridhalbleiterschicht 110 in einer mitlaufenden Re flektometriemessung bei einer Wellenlänge von 630 nm die volle Oszillationsstärke erst nach mehr als vier Oszillationen erreicht ist. Dies entspricht ca. 600 nm Schichtdicke. Im Allgemeinen führt dies zu einer Oberfläche mit einer nur geringen Löcherdichte, d.h. noch nicht planarisierten Bereichen zwischen den ursprünglichen Inseln, von < 5%, die in der Reflektometrie in der Regel nicht auflösbar ist. Eine geeignete SiN-Schichtdicke ist nach dieser Vorschrift durch einfache Versuche zu ermitteln. Eine Übertragung dieser technischen Lehre auf andere bei der Reflektometrie verwendete Wellenlängen ist für den Fachmann problemlos.
Beim Wachstum der ersten Nitridhalbleiterschicht 110, die im vorliegenden Beispiel der 1 im wesentlichen aus GaN besteht und deshalb auch als GaN-Schicht 110 bezeichnet wird, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Koaleszenz fördernde Wachstumsparameter eingestellt. Das heißt, die Temperatur und das Verhältnis von Stickstoff- und Galliumprecursor werden nicht erhöht. Unter Verwendung solcher Parameter erhält man ein ausreichend kompressives Wachstum der GaN-Schicht 110 und damit einen weit geringeren tensilen Stress nach dem Abkühlen, und somit eine wesentlich weniger gekrümmte und homogene entspannte Bauelementstruktur.
Die genannten Wachstumsbedingungen führen zu einer höheren Inselgröße, die eine Verbesserung der Schichtqualität bewirkt und ebenfalls eine geringere Risstendenz zeigt.
Die Schichtdicke der GaN-Schicht 110 beträgt zwischen 800 und 1600 nm. Hierauf wird für das StrAlN-Engineering eine aluminiumhaltige Nitridhalbleiterzwischenschicht in Form einer Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht 112 abgeschieden. Die Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht hat hier eine Dicke von 8 bis 15 nm.
Die Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht erhöht die kompressive Stresskomponente. Würde diese Schicht weggelassen, könnte aufgrund der SiN-Maskierungsschicht 108 eine GaN-Schicht von 1300 nm Dicke rissfrei gewach sen werden, weil beim Abkühlen in diesem Fall die tensile Stresskomponente oberhalb dieser Dicke Risse hervorrufen würde.
Das Einfügen der Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht 112 erlaubt es also, eine höhere Gesamtschichtdicke der GaN-Schicht durch Aufwachsen einer Abfolge weiterer GaN-Schichten und Niedertemperatur-AlN-Zwischenschichten zu erzielen. Der Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht 112 folgt dementsprechend eine zweite GaN-Schicht 114 von erneut ca. 800 bis 1600 nm Dicke, wiederum gefolgt von einer weiteren Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht 115. Auf dieser wird eine dritte GaN-Schicht 116 abgeschieden. Auf dieser wiederum wird eine zweite Maskierungsschicht 117 aus SiN abgeschieden. Die zweite SiN-Maskierungsschicht 117 bewirkt eine Reduzierung der Versetzungsdichte in der nachfolgenden vierten GaN-Schicht 118. Die vier GaN-Schichten 110, 114, 116 und 118 sind n-dotiert. Die Dotierung erfolgt beim Wachstum durch Zugabe eines geeigneten Dotierstoffprecursors.
Die soweit beschriebene Verfahrensführung führt also schon in der ersten GaN-Schicht 110, die der ersten Nitridhalbleiterschicht der oben stehenden Beschreibung entspricht, zu einem Wachstum mit kompressivem Stress. Die so erzielbare verringerte tensile Verspannung erleichtert das spätere Entfernen und Aufkleben des Wafers 104 auf einen Träger. Denn die auf den Kleber wirkenden Kräfte sind geringer. Die gesamte Schichtstruktur 102 bleibt demnach einfacher auf dem Träger hängen. Die verbesserte Kristallstruktur und die reduzierte tensile Verspannung schon in der ersten GaN-Schicht 110 reduzieren darüber hinaus die Neigung zur Rissbildung während und nach dem Ablösen der Schichtstruktur 102.
Auf der vierten GaN-Schicht 118 wird eine Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden. Die Materialwahl und genaue Schichtstruktur dieser Multi-Quantum-Well-Struktur 120 wird entsprechend der gewünschten Wellenlänge der Lichtemission eingestellt. Die hierfür einzustellenden Parameter, wie Schichtstöchiometrie und Schichtdicke sind dem Fachmann bekannt. Bekanntermaßen wird durch Zugabe von Indium die Bandlücke eines Nitridhalbleiters, beispielsweise ausgehend von reinem GaN, in Richtung der Bandlücke von Indiumnitrid reduziert. Durch Zugabe von Aluminium wird die Bandlücke in Richtung des Wertes von AlN erhöht. Auf diese Weise kann eine Lichtemission mit einer gewünschten Wellenlänge eingestellt werden, die zwischen dem roten und dem ultravioletten Spektralbereich liegt.
Auf der Multi-Quantum-Well-Struktur 120 kann optional eine Injektionsbarriere von etwa 10 bis 30 nm Dicke vorgesehen sein, die in 1 nicht dargestellt ist.
Dargestellt ist vielmehr eine unmittelbar an die Multi-Quantum-Well-Struktur 120 anschließende Deckschicht 122 aus p-GaN.
Die vorstehende Beschreibung betraf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterbauelements. Es versteht sich, dass bei einem anderen Bauelement wie beispielsweise einem Feldeffekttransistor die Einzelheiten des Schichtaufbaus und der Schichtdotierung in an sich bekannter Weise einzustellen sind.
2 zeigt ein Diagramm, das die Entwicklung der Krümmung eines Nitridhalbleiterprodukts während seiner Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellt, sowie im Vergleich die Krümmung eines Nitridhalbleiterprodukts nach dem Stand der Technik während seiner Herstellung. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Zeit in Minuten abgetragen, die zwischen dem Beginn der Schichtabscheidung auf einem (III)-Siliziumsubstrat und dem Ende des Abkühlens der gewachsenen Schichtstruktur verstreicht. Auf der Ordinate ist die Krümmung aufgetragen, also der Kehrwert des Krümmungsradius des Nitridhalbleiterprodukts. Die Messung der Krümmung ist mit modernen Messmethoden in großer Präzision möglich. Details der Krümmungsmessung können den Veröffentlichungen A. Krost et al., phys. stat. sol. (b) 242, 2570–2574 (2005) und A. Krost et al., phys. stat. sol. (a) 200, 26–35 (2003) entnommen werden. Die auf der Ordinate abgetragenen Krümmungswerte zwischen –0,2 und 0,2 entsprechen Krümmungen mit einem Betrag des Krümmungsradius zwischen 5 m und Unendlich.
Im Diagramm der 2 sind zwei unterschiedliche Messkurven aufgetragen. Mit gestrichelten Linien ist eine Messkurve der Krümmung während des Wachstums des konventionellen Nitridhalleiter nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Mit durchgezogener Linie ist der zeitliche Verlauf der Krümmung des erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterprodukts wiedergegeben.
Es lassen sich bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung vier unterschiedliche Wachstumsphasen unterscheiden, die in 2 durch vertikale gestrichelte Linien voneinander getrennt sind. Die so definierten Zeitintervalle sind mit arabischen Ziffern 1 bis 4 gekennzeichnet. In einem Zeitintervall 1 erfolgt das Wachstum der AlN-Ankeimschicht 106 sowie das Aufheizen auf eine zum Abscheiden von GaN geeignete Wachstumstemperatur oberhalb von 1000°C. Ausgehend von einer zunächst verschwindenden Krümmung (entsprechend einem unendlichem Krümmungsradius) stellt sich in diesem Zeitintervall bei beiden unterschiedlichen Strukturen eine geringfügige positive Krümmung ein. In einem anschließenden Zeitintervall 2, das sich von knapp über 30 Minuten bis etwa 45 Minuten nach Beginn des Wachstums erstreckt, wird die SiN-Maskierungsschicht (108 beim Beispiel der 1) und die erste GaN-Schicht (110 in 1) aufgewachsen. In dieses Zeitintervall fällt der Beginn der Koaleszenz der GaN-Wachstumsinseln. Deutlich erkennbar ist, dass die Krümmung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtstruktur in diesem Stadium höhere Werte annimmt als in der Vergleichsstruktur, die mit einem konventionellen Verfahren ohne SiN-Maskierungsschicht gewachsen wird.
In einem nachfolgenden Zeitintervall 3 wird die erste GaN-Schicht (110 in 1) gewachsen. Bei der Vergleichsprobe nach konventionaller Verfahrensführung ist die Verfahrensführung hier wegen des Fehlens von Zwischenschichten abweichend und erstreckt sich das Zeitintervall 3 zwischen 30 und etwas über 80 Minuten nach Beginn des Wachstums. Vorliegend wird keine Niedertemperatur-AlN-Wachstumsphase zur Herstellung der AlN-Zwischenschicht 112 eingeschoben.
Beide Strukturen werden nach Abschluss der Schichtabscheidung abgekühlt (Zeitintervall 4). Bei der nach dem Stand der Technik hergestellten Vergleichsprobe wie bei der erfindungsgemäß hergestellten Probe erfolgt die Abkühlung etwa 90 Minuten nach Beginn des Verfahrens und führt bei der Vergleichsprobe im Ergebnis zu einer relativ starken Krümmung der Probe von etwa 0,17 m^–1, was einem Krümmungsradius von etwa 5,8 m entspricht. Bei der erfindungsgemäß hergestellten Schichtstruktur beträgt die Krümmung nach Abschluss des Abkühlungsprozesses etwa 0,12 m^–1, was einem Krümmungsradius von etwa 8,3 m entspricht. Dieser Wert kann durch Einschieben weiterer Niedertemperatur AlN-Schichten, wie bei der Schichtstruktur der 1, weiter optimiert werden, so dass ein Nitridhalbleiterprodukt mit verschwindender Krümmung hergestellt werden kann.
3 zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Entwicklung des von der Wachstumsoberfläche des Nitridhalbleiterprodukts während seiner Herstellung reflektierten Lichts während der anhand von 2 beschriebenen Verfahrensführung für die Vergleichsprobe (gestrichelte Kurve) und die erfindungsgemäß hergestellte Probe. Das Diagramm zeigt also das Ergebnis einer Reflektometriemessung mit einer Lichtwellenlänge von ca. 600 nm während des Wachstums der Schichtstruktur entsprechend der bei 2 erläuterten Prozessführung. Aufgetragen ist die reflektierte Lichtintensität über der Zeit. Das Diagramm ist in gleicher Weise wie 2 in Zeitabschnitte 1, 2, 3 und 4 unterteilt. Mit Pfeilen sind im Abschnitt 2 anfängliche Intensitätsmaxima der beim Schichtwachstum bekanntlich oszillierenden reflektierten Lichtintensität gekennzeichnet. Es ist erkennbar, dass im Unterschied zur Vergleichsprobe bei der erfindungsgemäß hergestellten Probe der volle Hub zwischen Intensitätsminima und -maxima nach 5 bis 6 Oszillationen erreicht ist. Wird die Dauer des Wachstums der Maskierungsschicht so eingestellt, dass ein derartiger Verlauf in der Reflektometriemessung auftritt, liegen erfahrungsgemäß im Abscheideschritt der GaN-Schicht zunächst getrennte Kristallite vor, die oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke zusammenwachsen und in einer Schichtebene der zusammengewachsenen Nitridhalbleiterschicht senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² bis 0,36 μm² einnehmen. Es ist zu erwarten, dass bei weiterer Optimie rung der Wachstumsparameter noch größere durchschnittliche Flächen erzielt werden können.
4a) und b) zeigen Differenz-Interferenzkontrastmikroskop(DIC)-Aufnahmen von GaN-Schichten, die mit Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurden. 4c) zeigt eine eine DIC-Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde.
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der 4a) bis 4c) zeigen mit gleichem Maßstab abgebildete Oberflächen unterschiedlich hergestellter GaN-Schichten. Die in 4a) dargestellte Probe wurde ohne SiN-Maskierungsschicht hergestellt und hat eine Dicke von etwa 2,5 μm. Deutlich zu erkennen ist, dass die Oberfläche eine Vielzahl von Rissen aufweist. Die in 4b) dargestellte Oberfläche gehört zu einer Probe, die zwar mit einer SiN-Maskierungsschicht, jedoch ohne AlN-Zwischenschicht zum StrAlN-Engineering mit einer Dicke von 2,4 μm hergestellt wurde. Diese Schicht zeigt eine gegenüber der zuvor erläuterten Probe deutlich verbesserte Struktur mit nur wenigen Rissen.
Die in 4c) dargestellte Oberfläche einer Probe, die erfindungsgemäß, also mit einer geeigneten SiN-Maskierungsschicht und mit Niedertemperatur-AlN-Zwischenschichten bis zu einer Dicke von 2,8 μm gewachsen wurde, zeigt dagegen eine stark verbesserte Qualität ohne jegliche Rissbildung im abgebildeten Ausschnitt.
5a) zeigt eine In-Plane-Transmissionelektronenmikroskopie-Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. 5b) zeigt eine In-Plain-Transmissionelektronenmikroskopische-Aufnahme einer GaN-Schicht, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Aufnahmen zeigen mit etwa gleichem Maßstab unterschiedlich gewachsene GaN-Schichten. Beim Wachstum der in 5a) abgebildeten Schicht wurde keine SiN-Maskierungsschicht verwendet. Beim Wachstum der in 5b) abgebildeten Schicht wurde dagegen die erfindungsgemäße Prozessfolge eingehalten.
Zur Auswertung der Aufnahmen wurde die Größe der in der abgebildeten Schichtebene sichtbaren Kristalliten geschätzt, und hierfür wurden der Aufnahme kreisförmige oder elliptische Ringe überlagert, die in etwa der erkennbaren Grenze der zusammengewachsenen Kristallite folgen.
Zur Erläuterung wird hinzugefügt, dass Versetzungen in der Heteroepitaxie zum einen als Anpassungsversetzungen an der Grenzfläche und zum anderen durch das zumeist stattfindende Inselwachstum entstehen. Inseln wachsen bei starker Fehlanpassung der Kristallstrukturen immer leicht verkippt (tilt) oder verdreht (twist) auf. Dabei verursacht die Verkippung an der Grenzfläche von zwei Kristalliten die Entstehung von Schraubenversetzungen. Die Verdrehung verursacht an der Grenzfläche zweier Kristalliten die Entstehung von Stufenversetzungen. Diese Versetzungen entstehen demnach an der Grenze von zwei Kristallisten eben durch den mit zunehmender Schichtdicke eintretenden Koaleszenzprozess. Nur wenige Versetzungen kommen unabhängig von diesen Effekten zustande, etwa unmittelbar von der Grenzfläche zum Substrat her. Daher geben die erkennbaren Stufen- und Schraubenversetzungen in etwa die Grenze der zusammenwachsenden Kristallite an, weil sie, sofern der Nachbarkristallit leicht fehlorientiert ist, diesen dekorieren. Zur Überprüfung der durchschnittlichen Fläche der Kristallite sollte eine Schichtebene in einem Abstand von 700 ± 50 nm von der Maskierungsschicht herangezogen werden.
Aus dem Verhältnis der abgebildeten Fläche und der Anzahl der so identifizierten Kristallite wurde eine durchschnittliche Fläche ermittelt, die die Kristallite in der dargestellten Schnittebene einnehmen. Diese Schnittebene liegt in beiden untersuchten Proben oberhalb der Koaleszenzschichtdicke. Bei der in 5a) dargestellten Probe wurden auf einer Fläche von 894 nm × 1195 nm = 1,0681 μm² 38 Kristallite gezählt. Dies ergibt eine durchschnittliche Fläche von 0,0281 μm² pro Kristallit.
Bei der in 5b) dargestellten Probe eines erfindungsgemäßen Nitridhalbleiterproduktes wurden dagegen auf einer Fläche 2982 nm × 2238 nm = 6,67 μm² 35 Kristallite gezählt. Dies ergibt eine durchschnittliche Fläche von 0,19 μm² pro Kristallit.
Anzumerken ist, dass die untersuchte Probe der 5b) in ihrer Qualität am unteren Rand der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Werte liegt. Vorzugsweise erfolgt die Verfahrensführung so, dass die durchschnittliche Fläche mindestens 0,36 μm² beträgt. Auf diese Weise kann der kompressive Stress in der GaN-Schicht deutlich erhöht werden, was zu besseren Ergebnissen des Krümmungsradius und des tensilen Stress in dem fertigen Bauelement führt.
6a)–6f) zeigen unterschiedliche Verfahrensstadien bei der Herstellung einer Leuchtdiode aus dem Nitridhalbleiterprodukt der 1. Die hier beschriebene Verfahrensführung schließt sich an die Herstellung des Nitridhalbleiterbauelements der 1 an.
Dabei wird auf dem Nitridhalbleiterprodukt 100 zunächst eine Oberseitenmetallisierung versehen. Diese dient einerseits zum nachfolgenden Bonden an einen Träger 126 und andererseits zur Verbesserung der Lichtauskopplung aus dem entstehenden Bauelement.
Der Träger 126 ist aus Kupfer oder AlSi gefertigt und hat an einer Seite 128, die zum Bonden verwendet wird, eine Metallisierung 130. 6b) zeigt ein Prozessstadium nach dem Bonden. Das Bonden wird bei einer Temperatur von 280°C durchgeführt. Das Verwenden einer derart niedrigen Temperatur hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Verspannungen durch den thermischen Zyklus beim Bonden entstehen.
In einem nachfolgenden Schritt wird der Si-Wafer 104 entfernt. Dies ist in 6c) schematisch dargestellt. Der Si-Wafer 104 wird mittels Schleifen und Ätzen entfernt. Das Ätzen kann nass- oder trockenchemisch erfolgen. Es entsteht so die in 6d) dargestellte Struktur, bei der die ehemals mit dem Si-Wafer verbundene Ankeimschicht 106 nun die Oberseite bildet und die p-Deckschicht 122 unmittelbar an die Metallisierung 124/130 anknüpft. In einem nachfolgenden Schritt wird die Oberseite durch Ätzen strukturiert. Durch das Ätzen, beispielsweise mit KOH oder H₃PO₄ entstehen pyramidenförmige Strukturen, die die Lichtauskopplung aus dem Bauelement verbessern. Abschließend werden Kontaktstrukturen erzeugt. Für eine Flusspolung der Leuchtdiode wird ein negativ zu polender Kontakt 136 auf der Oberfläche und ein positiv zu polender Kontakt am Träger vorgesehen.
Das Schichtwachstum ist erfindungsgemäß auf großen Substraten möglich und erlaubt so entweder die Herstellung großer Bauelemente oder eine kosteneffiziente Herstellung einer großen Anzahl kleinerer Bauelemente. Die beschriebene Prozessführung kommt ohne das bei der Verwendung von Saphir-Substraten übliche Laser-Ablösen aus und ist daher einfacher und billiger. Lediglich für die Herstellung von Rückseitenkontakt und eine Strukturierung vor der Vereinzelung der Bauelemente sind Fotolithographieschritte erforderlich.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, dass auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Wachstumsverfahrens für eine unverspannte Nitridhalbleiterschichtstruktur eine besonders einfache Prozessierung in der weiteren Bauelementherstellung möglich ist. Auf diese Weise können qualitativ hochwertige, jedoch kostengünstige Bauelemente hergestellt werden.
Bei der Verfahrensführung sind verschiedene Varianten möglich. Beispielsweise kann die p-leitfähige Deckschicht 122 nach mindestens 20 nm Wachstum von p-GaN mit einer SiN-Maske versehen werden. Das anschließende weitere Wachstum von p-GaN erfolgt inselförmig und führt nicht zur vollständigen Koaleszenz. Dies erzeugt eine raue Oberfläche und führt bei dem fertigen Halbleiterbauelement der 6f) zu einer homogeneren Lichtabstrahlung nach oben. Das Licht wird besser ausgekoppelt, selbst wenn auf der Oberseite eine weniger effiziente Antireflexschicht aufgebracht wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats, das eine Siliziumoberfläche hat; – Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridankeimschicht auf der Siliziumoberfläche des Substrats; – Optional: Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridpufferschicht auf der Nitridankeimschicht; – Abscheiden einer Maskierungsschicht auf der Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, auf der ersten Nitridpufferschicht; – Abscheiden einer galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht auf der Maskierungsschicht, wobei die Maskierungsschicht derart abgeschieden wird, dass im Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht zunächst getrennte Kristallite wachsen, die oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke zusammenwachsen und in einer Schichtebene der zusammengewachsenen Nitridhalbleiterschicht senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Maskierungsschicht mit einer Schichtdicke abgeschieden wird, die bei der zunächst in Form von Wachstumsinseln aufwachsenden ersten Nitridhalbleiterschicht ab einem Abstand von durchschnittlich mindestens 600 nm von der Maskierungsschicht eine zu mindestens 80% geschlossene Schichtfläche entstehen lässt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Maskierungsschicht mit einer Bedeckung der darunter liegenden Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, der ersten Nitridpufferschicht von mindestens 95% abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Maskierungsschicht aus Siliziumnitrid abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Dauer der Abscheidung der Maskierungsschicht so gewählt wird, dass beim Abscheideschritt der ersten Nitridhalbleiterschicht eine mitlaufende Messung der Reflexionsintensität der Wachstumsoberfläche mit einer Lichtwellenlänge von ca. 600 nm einen oszillierenden Intensitätsverlauf mit ansteigender Oszillationsamplitude zeigt, die nach mindestens 5 Oszillationszyklen einen dann etwa gleichbleibenden Maximalwert erreicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Abscheiden der Nitridankeimschicht auf einer (III)-Siliziumoberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Nitridhalbleiterschicht mit einer Schichtdicke von zwischen 800 nm und 1600 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem auf der ersten Nitridhalbleiterschicht eine aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht abgeschieden wird und bei dem auf letzterer Schicht eine galliumhaltige weitere, zweite Nitridhalbleiterschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Schrittfolge der Abscheidung einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht und einer galliumhaltige weiteren Nitridhalbleiterschicht wiederholt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem auf der weiteren Nitridhalbleiterschicht eine Multi-Quantum-Well-Struktur aus Nitridhalbleitermaterial abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Abscheiden mindestens einer weiteren Maskierungsschicht aus Siliziumnitrid unmittelbar vor dem Abscheiden derjenigen der weiteren Nitridhalbleiterschichten, auf der die Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine n-Dotierung in die erste und, wenn vorhanden, diejenigen weiteren Nitridhalbleiterschichten eingebracht wird, die vor der Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: Herstellen einer p-dotierten, galliumhaltigen Nitridhalbleiterdeckschicht auf der Multi-Quantum-Well-Struktur.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bereitstellens eines Substrats das Bereitstellen eines Siliziumsubstrats beinhaltet, dessen Dicke mindestens D_GaN·x beträgt, wobei D_GaN die Schichtdicke der auf dem Substrat abzuscheidenden Nitridhalbleiterschicht oder, wenn mehr als eine Nitridhalbleiterschicht abzuscheiden ist, die Summe der Schichtdicken der auf dem Substrat abzuscheidenden Nitridhalbleiterschichten und der vorhandenen Nitridzwischenschicht bezeichnet, und wobei x im Falle der Verwendung eines dotierten Siliziumsubstrats 110 und im Falle der Verwendung eines undotierten Substrats 200 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem bei dem der Schritt des Bereitstellens eines Substrats das Bereitstellen eines Siliziumsubstrats beinhaltet, dessen Dicke zusätzlich größer oder gleich
ist, wobei
Verfahren zur Herstellung eines Nitridhalbleiterbauelements, mit den Schritten: – Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitrid-Halbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche; – Bonden der Schichtstruktur mit einem Träger derart, dass die Wachstumsoberseite der Schichtstruktur dem Träger zugewandt ist; – entweder vollständiges oder teilweises Entfernen des Substrats; – Herstellung einer Kontaktstruktur.
Verfahren nach Anspruch 16, mit einem Schritt des Abscheidens einer elektrisch leitfähigen Kontaktschicht auf der Wachstumsoberseite der Schichtstruktur.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem für die Kontaktschicht ein Material verwendet wird, das einen höheren Brechungsindex hat als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, mit einem vor dem Bonden durchgeführten Schritt des Metallisierens der Wachstumsoberseite der Schichtstruktur oder, wenn vorhanden, der Kontaktschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem ein Träger verwendet wird, dessen zum Bonden verwendete Oberfläche elektrisch leitfähig oder reflektierend oder metallisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Nitridhalbleiterdeckschicht der Schichtstruktur mit einer Dicke von
abgeschieden wird, wobei m = 0, 1, 2, 3, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem für die Kontaktschicht ein Material verwendet wird, das einen geringeren Brechungsindex hat als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Nitridhalbleiterdeckschicht der Schichtstruktur mit einer Dicke von
abgeschieden wird, wobei m = 1, 2, 3, 4, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem das Bonden bei einer Temperatur im Bereich zwischen 280 und 500°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, bei dem der Schritt des Entfernens des Substrats durch Abschleifen oder durch kombiniertes Abschleifen und Ätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, bei dem der Schritt des Entfernens des Substrats allein durch Ätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 25, bei dem die durch Entfernen des Substrats freigelegte Wachstumsrückseite zur Bildung einer antireflexiv wirkenden Schicht strukturiert wird.
Nitridhalbleiterbauelement, mit – einer galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht, die eine Struktur zusammengewachsener Kristallite aufweist, die in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen, – einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht, die an die erste Nitridhalbleiterschicht angrenzt, und, – angrenzend an letztere Schicht, einer galliumhaltigen weiteren, zweiten Nitridhalbleiterschicht.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 28, bei dem die Kristallite in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Ausdehnung von mindestens 400 × 400 nm² haben.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 28, bei dem die Kristallite in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,36 μm² einnehmen.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem die erste Nitridhalbleiterschicht eine Schichtdicke von zwischen 800 nm und 1600 nm aufweist.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 31, das die Schichtfolge von aluminiumhaltiger Nitridzwischenschicht und galliumhaltiger weiteren Nitridhalbleiterschicht wiederholt enthält.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 31 oder 32, bei dem auf der weiteren Nitridhalbleiterschicht eine Multi-Quantum-Well-Struktur aus Nitridhalbleitermaterial abgeschieden wird.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Maskierungsschicht aus Siliziumnitrid unmittelbar angrenzend an diejenige der weiteren Nitridhalbleiterschichten, auf der die Multi-Quantum-Well-Struktur abgeschieden wird, jedoch an der von der Multi-Quantum-Well-Struktur abgewandten Seite dieser weiteren Nitridhalbleiterschicht.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 34, bei der die erste und, wenn vorhanden, diejenigen weiteren Nitridhalbleiterschichten n-dotiert sind, die auf der Seite der Multi-Quantum-Well-Struktur angeordnet sind, die der ersten Nitridhalbleiterschicht zugewandt ist.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 33 bis 35, mit einer p-dotierten, galliumhaltigen Nitridhalbleiterdeckschicht, die auf der, der ersten Nitridhalbleiterschicht abgewandten Seite der Multi-Quantum-Well-Struktur, angeordnet ist.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche Anspruch 28 bis 36 mit einem Träger, der mit der ersten Nitridhalbleiterschicht verbunden ist.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 37, bei dem der Träger und die erste Nitridhalbleiterschicht über eine Metallschicht miteinander verbunden sind.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 37 oder 38, bei dem der Träger im wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium oder Silizium oder Aluminiumnitrid oder aus Al/Si besteht.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 39, bei dem zwischen dem Träger und der ersten Nitridhalbleiterschicht eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht angeordnet ist.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 36 und Anspruch 40, bei dem die Kontaktschicht einen höheren Brechungsindex hat als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 36, bei dem die Nitridhalbleiterdeckschicht der Schichtstruktur eine Dicke von
abgeschieden wird, wobei m = 0, 1, 2, 3, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 36 und Anspruch 40, bei dem die Kontaktschicht einen geringeren Brechungsindex hat als die p-dotierte Nitridhalbleiterdeckschicht.
Nitridhalbleiterbauelement nach Anspruch 43, bei dem die Nitridhalbleiterdeckschicht der Schichtstruktur eine Dicke von
hat, wobei m = 1, 2, 3, 4, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, n_Nitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und d_MQW die Dicke der Multi-Quantum-Well-Struktur bezeichnet.
Nitridhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 44, mit einem n-seitigen und einem p-seitigen elektrischen Kontaktelement.
Trägerscheibe mit einer Vielzahl Nitridhalbleiterbauelemente nach einem der Ansprüche 28 bis 45.
Trägerscheibe nach Anspruch 46, bei dem die Vielzahl Nitridhalbleiterbauelemente auf dem Träger in ihrer Gesamtheit eine laterale Erstreckung von mindestens 24 cm hat.
Nitridhalbleiterprodukt mit – einem Substrat, das eine Siliziumoberfläche hat, – einer an die Siliziumoberfläche angrenzenden aluminiumhaltigen Nitridankeimschicht, – optional: einer an die Nitridankeimschicht angrenzenden aluminiumhaltigen Nitridpufferschicht, – einer Maskierungsschicht auf der Nitridankeimschicht oder, wenn vorhanden, auf der Nitridpufferschicht, und mit – einer an die Maskierungsschicht angrenzend angeordneten galliumhaltigen ersten Nitridhalbleiterschicht, die eine Struktur zusammengewachsener Kristallite aufweist, wobei die Kristallite oberhalb einer Koaleszenzschichtdicke und in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,16 μm² einnehmen.
Nitridhalbleiterprodukt nach Anspruch 48, bei dem die Wachstumsinseln bei einem Abstand von mindestens 600 nm von der Maskierungsschicht zu mindestens 80% koalesziert sind.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 oder 49, bei dem die Nitridankeimschicht eine Aluminiumnitridschicht oder eine Aluminiumgalliumnitridschicht mit einem Aluminiumanteil von mindestens 10% ist.
Nitridhalbleiterprodukt nach Anspruch 50, bei der die Nitridankeimschicht eine Schichtdicke von zwischen 10 und 100 nm hat.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 bis 51, bei der die Nitridpufferschicht eine Schichtdicke von maximal 400 nm hat.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 bis 52, bei dem das Substrat in einer zur rückseitigen Substratfläche senkrechten Richtung entweder krümmungsfrei ist oder einem Krümmungsradius von mindestens 10 m hat.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 bis 53, mit einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht, die an die erste Nitridhalbleiterschicht angrenzt, und, – angrenzend an letztere Schicht, einer galliumhaltigen weiteren, zweiten Nitridhalbleiterschicht.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 bis 54, bei dem die Kristallite in einer Schichtebene senkrecht zur Wachstumsrichtung eine durchschnittliche Fläche von mindestens 0,36 μm² einnehmen.
Nitridhalbleiterprodukt nach einem der Ansprüche 48 bis 55, bei dem das Substrat eine laterale Erstreckung von mindestens 24 cm hat.