DE102006008929A1 - Layer structure production for nitride semiconductor component on silicon surface, involves preparation of substrate having silicon surface on which nitride nucleation layer is deposited with masking layer - Google Patents
Layer structure production for nitride semiconductor component on silicon surface, involves preparation of substrate having silicon surface on which nitride nucleation layer is deposited with masking layer Download PDFInfo
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Abstract
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.The The present invention relates to a process for the preparation of a Layer structure of a nitride semiconductor device on a silicon surface. Farther The invention relates to a method for producing a nitride semiconductor device. After all The invention relates to a nitride semiconductor device, in particular a thin film light emitting diode nitride semiconductor base, as well as a nitride semiconductor product.
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.nitride are semiconductor compounds that contain one or more elements of the third Main group and one or more elements of the fifth main group of the periodic table. They include, for example, the semiconductors GaN, InGaN, InGaAsN, AlGaN, etc. Other common names for nitride semiconductors For the purposes of the present application are group III nitrides, III-V nitrides. These terms will coexist in the present application used with the same meaning.
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.nitride find particular application in light emitting structures, which are used in the emit visible and ultraviolet spectral range. Next to it are Also known electronic nitride semiconductor devices, such as HEM (high electron mobility) transistors, in particular for high frequency applications such as in radio transmission technology are suitable. Nitride semiconductor devices find in the form of so-called "Power Devices "also in the high performance electronics application.
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.Cost-effective homoepitaxy of the layer structure of a nitride semiconductor component is currently of little commercial interest due to the small size and quality of available substrates made of nitride semiconductors. Thus, available nitride semiconductor devices, such as blue or green LEDs, include layered structures deposited on sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) substrates. These substrate materials have several disadvantages. For one thing, they are expensive. On the other hand, common substrates of these materials are comparatively small, so that the production costs per component are additionally increased due to the relatively low yield for a given substrate area. Added to this is the high hardness of these materials, which is above 9 on the Mohs scale and enables machining only with expensive diamond saws and abrasive materials.
Daher werden für ein großflächiges Wachstum verstärkt Siliziumsubstrate herangezogen, die bekanntlich mit großem Durchmesser kostengünstig erhältlich sind.Therefore be for a large-scale growth reinforced Silicon substrates used, which are known to be of large diameter are available inexpensively.
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.typical Growth temperatures for the layer structures of nitride semiconductors are in the commercially usual Gas phase epitaxy at temperatures above 1,000 ° C. Different thermal Expansion coefficients of silicon and nitride semiconductor materials to lead then deposited on cooling Nitride semiconductor layer structures after growth to a strong Tensile stress of the nitride semiconductor layers of about 0.7 GPa / μm and from Layer thicknesses of less than 1 micron to Cracking.
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.to Prevent cracking during the growth of GaN layers Silicon becomes thin, at unusual low temperatures (below 1000 ° C) grown, so-called low-temperature AlN or AlGaN intermediate layers used. The effect of these layers is based on a partial Compensa tion of the tensile stress by growth of a GaN layer with compressive stress on the AlN or AlGaN interlayer. At the cooling down After layer deposition, this compressive stress of the GaN layer due to the different thermal expansion coefficients caused tensile stress and results in a reduced Tensile stress.
Nachteil
dieser Technik ist eine hohe Versetzungsdichte in der auf der Zwischenschicht
aufwachsenden GaN-Schicht. In der
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.From the document A. Dadgar et al., "Reduction of Stress at the Initial Stages of GaN Growth on Si (III)", Applied Physics Letters, Vol. 82, 2003, No. 1, Pages 28-30, (hereinafter "Dadgar et al."), Which is hereby incorporated by reference into the disclosure of the present application, it is also known to deposit GaN layers after deposition of a silicon-doped AlN seed layer and a SiN layer. In contrast to growth without such a SiN masking layer, the tensile stress in the growing GaN layer can be reduced.
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.This Effect shows as a function of SiN masking layer thickness above a certain thickness saturation phenomena and lets not complete stress compensation expect. For one thing, the SiN masking layer can increase with increasing Thickness the structural coupling between the AlN seed layer and the following (ie after the SiN masking layer) interfere with the growing GaN layer or even prevent. As a result, then a desired compressive effect the AlN seeding layer no longer enter and it remains one undesirable high tensile stress in the finished nitride semiconductor layer. On the other hand increases a thick SiN layer the coalescence thickness to values consistent with the known methods no longer below the cracking critical layer thickness can be held.
Im Ergebnis kann demnach auch das Einfügen einer SiN-Maskierungsschicht den tensilen Stress in der Nitridhalbleiter-Schichtstruktur nicht beseitigen.in the The result can also be the insertion of a SiN masking layer the tensile stress in the nitride semiconductor layer structure not remove.
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.inhomogeneous Tensile stress has other disadvantages. He causes next to the already mentioned high dislocation density and a curvature of the growing layer structure and the underlying substrate. This problem also affects thin-film devices, like thin film light emitting diodes, where the silicon substrate is removed in the course of manufacture becomes. Already the processing of curved nitride semiconductor layer structures prepares Difficulties and increases therefore, effort and cost of component manufacturing. A curved nitride semiconductor layer structure, which is then typically connected to a carrier dissolves light from the carrier, and corresponding components have an undesirably low life.
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.Out Document 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 (hereafter "Mo et al.) hereby incorporated by reference into the disclosure of the present application Registration is known, it is known the tensile stress through Growth of a GaN buffer layer on the AlN seed layer to reduce. It is for the growth of the GaN buffer layer in the high-temperature gas phase epitaxy low ratio the gas flow densities of gallium precursor to nitrogen precursor set. This promotes the island growth of the subsequent GaN layer. The disadvantage is in this case, however, that furthermore tensile stress in the nitride semiconductor layer structure remains. additionally this known light-emitting diode is undesirably high-impedance.
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.The the technical problem underlying the present invention it is therefore a method for producing a layered structure a nitride semiconductor device on a silicon surface and to provide a nitride semiconductor device in which the tensile stress in the finished layer structure over known solutions on is reduced.
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.One Another of the present invention underlying technical Problem is, a method for producing a layered structure a nitride semiconductor device on a silicon surface and To specify a nitride semiconductor device, which the curvature of the Reduced nitride semiconductor layer structure over prior art solutions.
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,
- Providing a substrate having a silicon surface;
- Depositing an aluminum nitride nitrile layer on the silicon surface of the substrate;
- Optionally: depositing an aluminum-containing nitride buffer layer on the nitride resin inlayer;
- Depositing a masking layer on the nitride shellimide layer or, if present, on the first nitride buffer layer;
- Depositing a gallium-containing first nitride semiconductor layer on the masking layer,
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.Surprisingly, it is possible with the method according to the invention, during the growth of the first nitride semiconductor layer, to produce an increased compressive stress which, with suitable further process control, can even lead to complete or almost complete compensation of the tensile stress .sigma different thermal expansion coefficient arises. It is possible to grow a layered structure which, after cooling at room temperature, is either completely stress-free or with a value of σ, which in any case is well below 0.2 GPa / μm, but generally even below 0.1 GPa / μm - almost free of tension and above also has a very low dislocation density and very little or no cracks.
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.The inventive method is also suitable for the production of layered structures with special high or even infinite radius of curvature, in particular in the manufacture of thin-film components such as light-emitting diodes of great Advantage are.
Damit wird ein kostengünstiges Wachstum von Dünnfilm-Bauelementen auf Nitridhalbleiter-Basis auch auf großformatigen Silizium- oder SOI (Silicon-on-Insulator)-Wafern ermöglicht.In order to will be a cost effective Growth of thin-film devices on nitride semiconductor basis also on large-scale silicon or SOI (Silicon-on-Insulator) wafers allows.
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.These advantages are presumably due to the fact that the growing together crystallites above a suitably deposited masking layer, which preferably consists of SiN, during growth with an average crystallite area of 0.16 μm 2 and more in the nitride semiconductor layer by their coalescence a sufficiently strong compressive stress produce. This stronger compressive stress can better compensate for the later unknown stress.
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.The average crystallite area the crystallites in a layer plane above the coalescence layer thickness in a nitride semiconductor layer can be determined by means of a image-based Analysis method such as an evaluation of plan-view determine transmission electron micrographs (TEM) as will be explained in more detail below with reference to two examples. The analysis is Of course a sufficiently large sample of crystallites.
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.Of the previous state of the art was due to the observed saturation effects in use as described above a SiN masking layer (Dadgar et al.) and the observed and also described above, only partial stress reduction at Using a GaN buffer layer (Mo et al.) The occurrence of this Effect and the possibility almost complete Do not expect stress compensation. This surprising effect is according to the present Invention for producing particularly slightly strained or completely unstressed Used nitride semiconductor layer structures on silicon surface, which then special advantageous nitride semiconductor components can be produced.
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.If in the claims of an aluminum-containing nitride layer with respective function (Ankeimschicht, buffer layer, interlayer, etc.) spoken is to be understood as a layer of the respective function, containing aluminum either as sole Group III metal or in combination with other Group III metals. Of dopings with elements of other groups of the periodic table, such as silicon or magnesium, is hereby omitted for purposes of definition. Of course, however, you can also contain such dopants.
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.A Anchor layer is only a few nanometers thick, not mandatory closed layer, despite possibly poor crystalline and / or stoichiometric Properties a basis for a subsequent one Layer growth of the layer growing on it, or of the another layer growth emanates.
Eine Maskierungsschicht dient zur vollständigen oder teilweisen Abdeckung einer Oberfläche und ist häufig nur wenige Monolagen oder sogar weniger als eine Monolage dick.A Masking layer serves for complete or partial coverage a surface and is common just a few monolayers or even less than a monolayer thick.
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.
- - Producing a layer structure of a nitride semiconductor device on a silicon surface according to a method according to the first aspect of the invention or one of the embodiments described below in this application or one of the dependent claims thereof;
- - Bonding the layer structure with a carrier such that the growth top of the layer structure faces the carrier;
- - removing the substrate;
- - Production of a contact structure.
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.The Method according to the second Aspect of the invention is an advantageous development of the method of the first aspect of the invention and allows a particularly simple and cost-effective Processing of nitride semiconductor devices.
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.
- A gallium-containing first nitride semiconductor layer having a structure of coalesced crystallites occupying an average area of at least 0.16 μm 2 in a layer plane perpendicular to the growth direction,
- An aluminum-containing nitride intermediate layer adjacent to the first nitride semiconductor layer, and
- Adjacent to the latter layer, a gallium-containing further, second nitride semiconductor layer.
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.Such Components that have a for the production on a silicon surface characteristic structure have the nitride semiconductor layer, have low production costs one for commercial applications essential long life and cheap Operating parameters.
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.The Nitride semiconductor device of the third aspect of the invention has Structural features necessary for the inventive process characteristic and allow a nitride semiconductor device manufactured by this method to differentiate from other nitride semiconductor devices.
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.So it is basically also possible and known per se, crystallites with a large average area at Use of a sapphire substrate to produce. However, point Sapphire substrate produced nitrite semiconductor devices that do not exceed 100 nm thick AlGaN layers, no aluminum-containing nitride semiconductor interlayers, in particular no aluminum nitride intermediate layers. The growth of semiconductor layers on sapphire substrate is completely different Boundary conditions than growth on silicon substrate, as in of the present invention. Because the layer growth on Sapphire substrate leads always to a biaxially compressively strained layer after cooling. A StrAlN engineering with the help of aluminum-containing nitride intermediate layers, the a compressive strain of the GaN layers during growth leads, is not necessary there and even undesirable in LED structures, since This leads to a very strong substrate curvature during the growth of InGaN Layer around 800 ° C and at the end of the process leads. As explained at the beginning, It is also known per se in the growth of nitride semiconductor layers on silicon aluminum-containing nitride semiconductor interlayers for the StrAlN engineering to use.
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.But a combination of these two features was not technically reachable. Only with the process control according to the first aspect of the present Invention has managed to layers with crystallites sufficient huge Surface up To produce silicon substrate. With continued growth of this Nitride semiconductor layers for producing thicker nitride semiconductor layers greater than about 1300 nm Thickness will be alone for growth based on a substrate with silicon surface StrAlN engineering interlayers required to do so while of growth to set a sufficiently large compressive stress, the one at the final cooling down completely or almost completely compensate for a tensile stress then occurring can. In the art, it has not been possible to date, a nitride semiconductor device according to the present third Aspect of the invention.
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.The when deposited on the silicon surface initially produced layers, namely the aluminum-containing Nitridankeimschicht and the masking layer be for a production of thin-film components like thin-film LEDs after the replacement of the grown layers of the silicon surface in the context of the other Processing typically removed. Therefore, with the inventive method Nitride semiconductor components are produced, which, although the process control according to the invention do not detect the presence of the seeding and masking layers but where the presence of aluminum-containing nitride semiconductor layers is intermediate in the layer structure a clear indication of the use of a silicon substrate during growth.
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.
- A substrate having a silicon surface,
- An aluminum-containing nitride tine layer adjacent to the silicon surface,
- Optionally an aluminum-containing nitride buffer layer adjacent to the nitride resin inlay,
- A masking layer on the nitride resin layer or, if present, on the nitride buffer layer, and with
- A gallium-containing first nitride semiconductor layer arranged adjacent to the masking layer and having a structure of coalesced crystallites, the crystallites occupying an average area of at least 0.16 μm 2 above a coalescence layer thickness and in a layer plane perpendicular to the growth direction.
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.The Nitride semiconductor product of the invention is typically a self-negotiable one Intermediate of component manufacturing. It can be used for manufacturing of components both on the existing substrate with silicon surface as also, after detachment of the substrate, used on another carrier, or for the production large-scale cantilever Layers, large-area nitride semiconductor substrates or cantilevered components.
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.Embodiments of the various method and apparatus aspects of the present invention will now be described. The execution examples can be combined with each other, unless expressly stated is closed.
Zunächst werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur eines Nitridhalbleiterbauelements auf einer Siliziumoberfläche gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben.First, be embodiments of the method for producing a layer structure of a nitride semiconductor device on a silicon surface according to the first Aspect of the invention described.
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.With particularly large crystallite surfaces, the layer quality is improved. In a preferred embodiment, the masking layer is therefore deposited in such a way that separated crystallites initially grow together above a coalescence layer thickness and occupy an average area of at least 0.36 μm 2 in a layer plane of the coalesced nitride semiconductor layer perpendicular to the growth direction in the deposition step of the first nitride semiconductor layer.
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.In a further exemplary embodiment, the masking layer is deposited with a layer thickness which, when the first nitride semiconductor layer first grows in the form of growth islands, results in a layer area which is at least 80% closed at a distance of at least 600 nm from the masking layer. The process control of this embodiment has resulted in studies with good reproducibility to gallium nitride semiconductor layers that are largely grown together above a layer thickness of 600 nm and having in layer planes above this distance from the seed layer large crystallites whose average surface area is in excess of 0.16 microns. 2
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.Prefers is in the process control according to the invention and especially in litigation in the embodiment just described assumed a masking layer, which is a covering of underlying Nitridankeimschicht or, if available, the first nitride buffer layer of at least 95%. In this Degree of coverage arises relatively above the masking layer few growth nuclei, which in the course of further layer deposition by a three-dimensional growth (island growth) to large crystallites can develop.
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.The The best results have so far been with silicon nitride masking layers achieved. in principle However, it is also conceivable other suitable materials for the masking layer to use, such as anti-Surfactands, which is a wetting prevent the Ankeimschicht. Here, in principle, for example all metal nitrides, which at the high growth temperatures of the Nitride semiconductor deposition can be used. substances which grow up amorphous, but are more appropriate because often on such surfaces no or only one delayed Germination takes place.
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.The process management is in a preferred embodiment accompanied by a follow-up measurement of the reflection intensity of the growth surface (Reflectometry). This per se known method of monitoring the layer growth allows a control and defined setting of the duration of the deposition the masking layer, which is preferably chosen so that in the deposition step the first nitride semiconductor layer contributes to the follow-up measurement of the reflection intensity of the growth surface a wavelength of light of about 600 nm an oscillating intensity curve with increasing Oscillation amplitude shows that after at least five oscillation cycles one then reached about constant maximum value. The exact value the duration of the deposition of the masking layer depends on numerous parameters ranging from growth reactor to growth reactor can vary. With the guidance of the present embodiment can in few experiments a suitable duration of deposition of the masking layer for a respective growth reactor can be determined.
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.Nice the first nitride semiconductor layer grows according to the method according to the invention compressive stress. There is no preference for coalescence promoting Growth parameters (such as an increased growth temperature or a high V / III ratio) set. Under these conditions, one obtains a particularly compressive Layer growth and can thus a lower tensile stress after cooling and thus a homogeneously strained or unstrained nitride semiconductor layer structure produce.
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.Should a nitride semiconductor with a higher layer thickness are deposited, the first nitride semiconductor layer is preferably with a layer thickness of 800-1600 nm deposited before further growth as explained below become the higher Layer thickness lead. Namely then is preferred on the first nitride semiconductor layer, an aluminum-containing nitride intermediate layer separated and then on the latter layer a gallium-containing further nitride semiconductor layer deposited, also referred to as the second nitride semiconductor layer becomes. With the aluminum-containing nitride intermediate layer, which in the case of Growth of GaN as the first nitride semiconductor layer preferably one Low-temperature AlN layer can be, the most compressive stress in the Layer structure further increased become. The function of the aluminum-containing nitride intermediate layer This is the 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.The sequence of steps of depositing an alu Miniumhaltigen nitride intermediate layer and a gallium-containing further nitride semiconductor layer can be carried out repeatedly. In this way, the first nitride semiconductor layer may be followed by a second, third, fourth, etc. nitride semiconductor layer, each with aluminum-containing intermediate layers deposited therebetween. The result, apart from the nitride intermediate layers, a thick nitride semiconductor layer, which is composed of the first, second, possibly third, etc. nitride semiconductor layer. If desired, other intermediate layers with a different function can of course be incorporated herein.
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
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.Becomes to the use of aluminum-containing nitride intermediate layers omitted, the first nitride semiconductor layer is preferably with a thickness of 1300 nm (for the case GaN) deposited. Above this layer thickness can at Cool down due The then occurring tensile stress component cracks occur.
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.to Production of Light Emitting Nitride Semiconductor Devices preferably on the second or, after process control with an above explained repeated layer deposition, another other nitride semiconductor layer a multi-quantum well structure of nitride semiconductor material deposited. Multi-quantum-well structures for light-emitting Nitride semiconductor devices are known per se and need it here not closer explained become.
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.It It has been found that depositing at least one second masking layer of silicon just prior to the deposition of those of the others Nitride semiconductor layers on which the multi-quantum well structure is deposited, a particularly good coating quality in the for the light emission achieved crucial area of the layer structure.
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.to Production of an optoelectronic component is preferred into the first and, if present, those further nitride semiconductor layers, which are deposited in front of the multi-quantum well structure, one introduced n-doping. For producing a p-doped zone preferably becomes one on the multi-quantum well structure p-doped gallium-containing nitride semiconductor cap layer deposited.
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 DGaN·x beträgt, wobei DGaN 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.In particular for the growth of thick layer structures, the problem is to be considered that a stress arising in the nitride semiconductor layer structure also acts on the substrate and can lead to a substrate curvature. Such a curvature is also known from other heterosubstrates, such as sapphire. The reduction of this curvature in a preferred embodiment includes the step of providing a substrate providing a particularly conductive silicon substrate whose thickness is at least D GaN x, where D GaN is the layer thickness of the nitride semiconductor layer to be deposited on the substrate or if more than one nitride semiconductor layer is the sum of the layer thicknesses of the nitride semiconductor layers to be deposited on the substrate and the existing nitride intermediate layer, and wherein x is at least 110 in the case of using a doped silicon substrate and at least 200 in the case of using an undoped substrate. With these values of the layer thickness, it is possible in each case to prevent the possible plastic deformation due to the compressive bias in the Si substrate. This is advantageous because a crystal deformed in this way could not plan anymore.
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.This additional Feature of the present embodiment represents an independent protection worthy idea of the invention an independent legitimate Method for producing a layer structure of a nitride semiconductor component a silicon surface thus includes the step of providing a silicon substrate according to the additional Feature of the last-mentioned embodiment. The others Steps of the method of the first aspect of the invention and the Embodiments described herein of the method of the first aspect of the invention form embodiments this independently protectable Process. Especially with stronger strained layer structures can be obtained by the method of this independent invention prevents the silicon substrate from bending too much.
Das vorstehende Ausführungsbeispiel wird zusätzlich verbessert, wenn das Siliziumsubstrat eine Dicke aufweist, die zusätzlich größer oder gleich ist, wobeiDiese zusätzliche Bedingung ist insbesondere bei Leuchtdioden mit InGaN oder AlGaN-Schichten von Vorteil.The above embodiment is further improved when the silicon substrate has a thickness which is additionally greater than or equal to is, where This additional condition is particularly advantageous for light-emitting diodes with InGaN or AlGaN layers.
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.following Be exemplary embodiments of Method according to the second Aspect of the invention, which describes the production of a nitride semiconductor device concerns. This procedure contains all steps of the method of the first aspect of the invention and thus also shares its advantages.
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.at a preferred embodiment of this Method according to the second aspect of the invention is an electrical conductive Contact layer on the growth top of the after process according to the first Aspect of the invention produced layer structure.
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, nNitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und dMQW 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.In a first of two alternative embodiments described below, the contact layer has a higher refractive index than the p-type nitride semiconductor cap layer. The contact layer may additionally be metallized, as well as the growth top of the nitride semiconductor layer structure, if no contact layer is present. In this way, the luminous efficacy of the nitride semiconductor device is increased. In this first alternative embodiment having a contact layer whose refractive index is greater than that of the p-doped nitride semiconductor cap layer, this nitride semiconductor cap layer is preferably formed to have a thickness of is deposited, where m = 0, 1, 2, 3, ...; λ denotes a wavelength of a light emission of the multi-quantum well structure in the operation of the nitride semiconductor device, n nitride, the refractive index of the nitride at the wavelength λ and d MQW the thickness of the multi-quantum well structure. This increases the light output when the nitride semiconductor cap layer is embedded in the finished device in n> n (nitride) material. These include metals or higher refractive materials, such as higher refractive semiconductors.
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 vonabgeschieden, wobei m = 1, 2, 3, 4, ...; λ eine Wellenlänge einer Lichtemission der Multi-Quantum-Well-Struktur im Betrieb des Nitrid-Halbleiterbauelements, nNitrid den Brechungsindex des Nitrids bei der Wellenlänge λ und dMQW 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.In the second of the two alternative embodiments, the contact layer has a lower refractive index than the p-doped nitride semiconductor cap layer. In this embodiment, the nitride semiconductor cap layer is preferably made with a thickness of deposited, where m = 1, 2, 3, 4, ...; λ denotes a wavelength of a light emission of the multi-quantum well structure in the operation of the nitride semiconductor device, n nitride, the refractive index of the nitride at the wavelength λ and d MQW the thickness of the multi-quantum well structure. This formula applies to the case of covering the nitride semiconductor cap layer with a material having a smaller refractive index, such as. Different plastics, air, etc. This is the more common case with standard LEDs, but not with detached 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.It has proven to be particularly advantageous to use a carrier its surface used for bonding electrically conductive, reflective or metallic. It is well known that most metals combine these Properties in an advantageous manner. In this way, the heat dissipation improved from the device. Preferably, the metallic surface or the entire carrier made of copper, aluminum, aluminum nitride, silicon or aluminum-silicon or aluminum-silicon-carbon educated.
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.A particularly suitable other support material is aluminum-silicon (Al / Si) with a high, ideally over at least 70% silicon content, an electrically and thermally very good conductive connection with, unlike copper or aluminum, almost identical coefficient of expansion compared to GaN or at higher Si content even identical expansion coefficient. This prevents problems when mounting and operating the LEDs, since the resulting stresses can lead to the detachment of the component or cracking of the layer. Therefore, currently, for example, LEDs mounted on Al-carriers with elastic adhesives, because only then the very different coefficients of thermal expansion (GaN ~ 5.6 ppmK -1, Al> 20 ppmK -1) can be controlled. However, the use of elastic adhesive has disadvantages. A further independent invention therefore forms the use of an Al / Si carrier for the production of a light-emitting thin-film nitride semiconductor component, and a light-emitting thin-film nitride semiconductor component with an Al / Si carrier as such, the composition of the Al / Si carrier. Carrier according to the invention is chosen so that it has an identical or nearly identical thermal expansion coefficient as the nitride semiconductor material of the device. The disadvantages of elastic adhesives can be completely avoided with an Al / Si support (coefficient of expansion of AlSi (30/70), for example 7.5 ppmK -1 ). After all, the heat conduction of this carrier material is half that of aluminum, which is more than an order of magnitude better than that of 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.The bonding is preferably at low Temperatures are carried out in a range between 280 and 500 ° C. At present, a temperature of 280 ° C. is particularly preferred. In this way, no or only small additional tensions are generated during cooling after bonding. Below 280 ° C, the metal does not become liquid. A temperature of 500 ° C represents a tendency for some wearers due to possibly occurring stress, even a critical upper limit, but may still be useful for other carriers. At temperatures higher than 500 ° C, depending on the material used, the contact metal may also suffer greatly.
Das Entfernen des Substrats beim Verfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung erfolgt vorzugsweise durch Abschleifen. Zusätzlich kann nass- oder trockenchemisches Ätzen eingesetzt werden.The Removing the substrate in the method of the second aspect of the present invention Invention is preferably carried out by grinding. In addition, can Wet or dry chemical etching used become.
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.In a further embodiment becomes the growth back exposed by removal of the substrate structured to form an antireflective layer. For example, this can be done very easily by etching with KOH (potassium hydroxide). from the N-face, ie the nitrogen face (000-1) of the material and, with suitable process control, gives structures which are well suited, the approximately pyramidal are.
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.
- - Producing a layer structure of a nitride semiconductor device on a silicon surface;
- - Bonding the layer structure with a carrier such that the growth top of the layer structure faces the carrier;
- - Removing the substrate except for a thin silicon layer, which is preferably 5 to 10 microns thick;
- - oxidizing the silicon layer to form a silicon dioxide layer;
- - Creating a contact structure.
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.These process management has the advantage of being for an improved light extraction can be used. Furthermore the oxidation of the silicon substrate causes an expansion of the former Substrate and thus in the wake of a slightly compressive strain the nitride semiconductor (eg GaN) layer. This is especially true of Advantage, if this GaN layer is slightly tensioned. By the Compressive stress thus becomes cracking and bending of the GaN layer safely avoided. The by the remaining of the oxidized Si substrate thicker layer stacks with thicknesses in the range of 6-20 microns in particular a higher one mechanical strength on what the manufacture of the components simplified.
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.following Be exemplary embodiments of Nitride semiconductor device according to the invention according to the third Aspect of the invention described, unless they are already directly from the embodiments described above the method according to the invention result. Preferably contains the nitride semiconductor device comprises a carrier of the nitride semiconductor layer structure, which is different from the substrate on which the layer structure has grown has been. A particularly suitable carrier consists essentially made of copper, aluminum or Al / Si. In this way, the derivative becomes of heat improved, which generates during operation of the nitride semiconductor device becomes.
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.embodiments with p- and n-doped regions, as used for semiconductor light-emitting devices (LEDs, laser diodes), but also for electronic Components (transistors, etc.) are common in one preferred embodiment each provided with an electrical contact element.
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.One Another preferred embodiment contains at least one further masking layer of silicon nitride directly arranged adjacent to that of the further nitride semiconductor layers, on the the multi-quantum well structure is deposited, but at the of the multi-quantum well structure opposite side of this further nitride semiconductor layer. To this Way, the shift quality improved in the area of the device, that of the multi-quantum well structure the next lies and therefore a big one Influence on the carrier lifetime Has. By improving the quality of the coating, a longer charge carrier lifetime can be achieved be achieved, indicating the suppression of unwanted Recombination due to defects.
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.One Intermediate, which in the production of the nitride semiconductor component according to the invention is generated, is a carrier disk, on a variety of inventive nitride semiconductor devices is arranged. The carrier disk forms an intermediate, which with a processed wafer of the Silicon technology is comparable. The isolation of the on the carrier disc arranged nitride semiconductor devices can be at the manufacturer of in this respect, the carrier disk was processed yourself or after being transported by a component manufacturer respectively.
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.Of the Advantage of the invention lies in this aspect is that particular size Carrier discs used can be because the inventive method can on big, be carried out commercially widely used silicon wafers. To Separating the grown on the silicon wafer nitride semiconductor layer structure can this with a carrier disk corresponding size connected become. The invention allows therefore a particularly cost-effective Production of components. The nitride semiconductor devices can on the carrier For example, in its entirety a lateral extent of have at least 24 cm.
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.following Be exemplary embodiments of Nitride semiconductor product according to the fourth Aspect of the invention described, unless they are immediate from the embodiments described above of the other aspects of the invention.
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.In a preferred embodiment the nitride semiconductor product one, at the substrate in one to the back substrate surface vertical direction measurable curvature, the one radius of curvature of at least 10 m or an infinitely large radius of curvature. So high radii of curvature are possible with the process control according to the invention, if by inserting of low-temperature StrAlN engineering intermediate layers sufficient high compressive stress during of the growth produced by the subsequent cooling the resulting tensile stress is compensated as accurately as possible.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beiliegenden Figuren. Es zeigen:Further embodiments and advantages of the invention will become apparent from the following description the enclosed figures. Show it:
Die
Darstellung in
Das
Nitridhalbleiterprodukt
In
- 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.
- A
- a Nitridankeimschicht in conjunction with a buffer layer,
- B
- a masking layer,
- C
- Nitride semiconductor layers, in particular n-type GaN layers
- D
- a multi-quantum well structure,
- e
- a p-doped nitride semiconductor cap layer, in particular p-GaN and
- F
- a low-temperature AlN or AlGaN intermediate layer for StrAlN engineering.
Nähere Einzelheiten der Schichtstruktur und ihrer Herstellung werden nachfolgend beschrieben.Further details The layer structure and its production are described below.
Vor
dem Abscheiden von Schichten wird die Wachstumsoberfläche des
Wafers
Die
Ankeimschicht
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.Suitable is an AlN seed layer, either at low temperature, ie below 1,000 ° C, for example 600-800 ° C or at high temperature, so ordinary Growth temperatures of AlN above 1000 ° C, is grown. The optional Buffer layer is preferably also made of AlN and is at high Growth temperatures applied. However, the buffer layer can also consist of AlGaN. When using AlGaN, the Ankeimschicht also a bigger thickness have, for example, about 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.At the Growth of the germ layer is favorable, the supply of the aluminum precursors into the reactor before feeding the nitrogen precursor to so as to prevent nitridation of the substrate. A nitridation of the substrate can lead to unwanted polycrystalline growth lead by AlN.
Auf
dem Verbund von Ankeim- und Pufferschicht
Die
Dicke der SiN-Maskierungsschicht wird so gewählt, dass beim nachfolgenden
Wachstum der ersten Nitridhalbleiterschicht
Beim
Wachstum der ersten Nitridhalbleiterschicht
Die genannten Wachstumsbedingungen führen zu einer höheren Inselgröße, die eine Verbesserung der Schichtqualität bewirkt und ebenfalls eine geringere Risstendenz zeigt.The leading to growth conditions to a higher one Island size, the an improvement in the layer quality causes and also a lower Rising tendency shows.
Die
Schichtdicke der GaN-Schicht
Die
Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht erhöht die kompressive Stresskomponente.
Würde diese
Schicht weggelassen, könnte
aufgrund der SiN-Maskierungsschicht
Das
Einfügen
der Niedertemperatur-AlN-Zwischenschicht
Die
soweit beschriebene Verfahrensführung führt also
schon in der ersten GaN-Schicht
Auf
der vierten GaN-Schicht
Auf
der Multi-Quantum-Well-Struktur
Dargestellt
ist vielmehr eine unmittelbar an die Multi-Quantum-Well-Struktur
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.The The above description concerned an embodiment of a nitride semiconductor device according to the invention. It is understood that in another device such as a field effect transistor, the details of the layer structure and the layer doping are set in a conventional manner.
Im
Diagramm der
Es
lassen sich bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung vier
unterschiedliche Wachstumsphasen unterscheiden, die in
In
einem nachfolgenden Zeitintervall
Beide
Strukturen werden nach Abschluss der Schichtabscheidung abgekühlt (Zeitintervall
Die
rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der
Die
in
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.to Evaluation of the footage was the size of the one pictured Layer plane visible crystallites were estimated, and this was the recording circular or elliptical rings superimposed, the approximately the recognizable border of the coalesced crystallites consequences.
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.By way of illustration, it is added that dislocations in heteroepitaxy arise, first, as interface dislocation displacements, and secondly, as a result of most island growth. Islands grow stronger Mismatch of the crystal structures always slightly tilted or twisted. The tilting at the interface of two crystallites causes the formation of screw dislocations. The twist causes the formation of step dislocations at the interface of two crystallites. Accordingly, these dislocations occur at the boundary of two crystallists, precisely because of the coalescence process that occurs as the layer thickness increases. Only a few dislocations occur independently of these effects, for example directly from the interface to the substrate. Therefore, the detectable step and screw dislocations approximate the boundary of the coalescing crystallites because, if the adjacent crystallite is slightly misoriented, they decorate it. To check the average area of the crystallites, a layer plane at a distance of 700 ± 50 nm from the masking layer should be used.
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
Bei
der in
Anzumerken
ist, dass die untersuchte Probe der
Dabei
wird auf dem Nitridhalbleiterprodukt
Der
Träger
In
einem nachfolgenden Schritt wird der Si-Wafer
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.The Layer growth is possible according to the invention on large substrates and allows either the production of large components or a cost-efficient Making a big one Number of smaller components. The described process control comes without the usual laser stripping when using sapphire substrates and is therefore easier and cheaper. Only for the production from backside contact and a structuring prior to the separation of the components Photolithography steps required.
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.The The above description shows that based on the growth method of the present invention for one Unstressed nitride semiconductor layer structure a particularly simple Processing in the further component manufacturing is possible. That way you can high-quality, but inexpensive components are manufactured.
Bei
der Verfahrensführung
sind verschiedene Varianten möglich.
Beispielsweise kann die p-leitfähige
Deckschicht
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